机械加工系统能量效率研究的内容体系及发展趋势

机械加工系统量大面广,能量效率低,节能潜力和环境减排潜力巨大,并且涉及的科学问题多,因此,近年来对其能量效率问题的研究正在国际上迅速兴起。总结机械加工系统能量效率的广义内涵;对机械加工系统能量效率的研究现状进行总体概述和分类总结及分析;在此基础上,总结和提出由三类对象(机床、工件和系统)、五类基础技术问题(能耗环节和能耗组件能效问题、能量消耗与能量效率建模问题、机床与工件能量效率特性问题、能量效率评价问题和能量效率监控与管理问题)、两类功能技术(机械加工系统高能效优化运行技术和高能效机床优化设计技术)和两大目标(提升加工系统能量效率和开发高能效机床)组成的机械加工系统能量效率研究内容体系框架;最后提出和论述机械加工系统能量效率研究的5点发展趋势,即能量效率建模集成化、能量效率评价平台化、工件任务能耗定额化、系统运行能效最优化和机床设计能效综合化等。     

一种通用的机械加工系统能量效率评价方法

为了认识机械制造行业的能量消耗水平、提出可操作性强且应用性好的能量效率评价方法,基于机械加工车间能量效率模型及评价指标体系等前期研究成果,提出一套通用的机械加工系统能量效率评价方法框架及其关键技术。该方法包括能量效率评价边界划分、能量效率评价指标确定、能量效率数据收集、能量效率评价工具选择、能量效率评价结果输出和能量效率水平分析6个步骤。基于实用性提出一套面向工艺(设备)层和车间系统层的机械加工系统能量效率评价指标,系统反映了微观上的工件加工工艺能量效率和宏观上的产品单位产量能量效率;从数据可获得性出发给出一种结构化与面向对象相结合的能量效率数据获取方法。通过案例研究验证了该能量效率评价方法的有效性。详细阐述了机械加工系统的能量效率评价流程和关键技术,增强了能量效率评价的操作性。     

机床机电主传动系统服役过程能量效率获取方法

制造系统能效评估及其机床能效评价研究正在国际上迅速兴起,生产现场的机床服役过程(Machine tools’ service process,MTSP)能量效率的方便获取是其关键问题之一。为此,对MTSP中机电主传动系统(Electro-mechanical main driving system,EMDS)能量效率获取方法进行研究。在分析机床能量效率内涵的基础上,基于MTSP中EMDS的时段能量模型,建立基于输入功率检测的和基于输出功率获取的两类4种EMDS能量效率模型;提出对应的能量效率模型中基础数据和基础系数特别是机床载荷损耗系数的获取方法;形成MTSP中EMDS能量效率获取方法。应用该方法,只需现场检测EMDS输入功率,就可获得MTSP中EMDS的现场能量效率。应用案例表明,应用本方法不仅能实现MTSP能量效率现场获取,而且误差较小;可用于机床及制造系统的能效评价、能效监控和能效优化研究中,具有较广阔的应用前景。     

制造系统能量效率研究的现状及难点问题

制造业量大面广,能耗总量巨大;提升制造系统能量效率已成为各国制造业可持续发展的关键战略,国际上的研究非常活跃。为此,总结了制造系统能量效率(又称能效)的内涵,分析和概述了制造系统能量效率的研究现状;在此基础之上,总结了制造系统能量效率的研究内容,并提出由三类研究对象(能耗行业、能耗系统以及能耗组件)、四类基础理论或技术(能效建模、能效特性、能效评价和能效监控)、两类功能技术(制造系统运行能效优化技术和高能效制造系统建设技术)以及一个根本目标(提高制造系统运行能量效率)组成的制造系统能量效率研究内容体系框架;最后,考虑到离散制造系统能量效率问题的研究起步较晚、过去重视不够以及其复杂性等因素,分析和总结出了离散制造系统能量效率研究有待深化的五个难点问题,即离散制造系统能量效率建模问题、精细评价问题、产品能耗定额问题、高能效多目标优化问题和高能效机床设计问题。     

机械加工过程能效评价标准的内容框架和评价方法

本文为建立一套标准化的能效评价内容体系提出了机械加工过程能效评价标准的内容框架和评价方法。该方法首先建立机械加工过程能量效率评价标准的数学模型,然后建立包括能量利用率和比能效率的能效评价标准的指标体系,并给出离线基础数据获取与在线输入功率获取相结合的能效评价指标的获取方法。案例研究显示,机械加工过程能效评价标准的评价方法,能够为机床和工件能效评价,并为能效优化提供支持。     

机床服役过程能量效率的可预测特性及预测方法研究

以机床为能耗主体的机械加工系统量大面广,能量消耗总量巨大,由其带来的环境问题日益严重,以至于能量效率提升相关研究已经成为了全球共同关注的问题。通过分析机床运行过程中的时段能耗特性,对各个运行时段的能量源的运行特性进行了系统研究;然后,从能量消耗机理出发,对机床运行过程各时段能量消耗的可预测特性及预测方法进行研究;最后提出了机床服役过程能量效率预测方法。案例研究和试验验证表明,该方法的预测精度可以达到90%以上,充分证明了该预测方法具有较好的实用性和较高的预测精度。该方法能够为能效提升研究提供工具支持,具有较好的应用前景。     

基于SOM-Kmeans的机床能效等级评价方法

机床能效等级评价是提高能源效率的基础。现有机床能效评价方法多运用能量利用率和比能等指标评价特定加工过程能效,未考虑加工能力对机床能效评价的影响,致使无法综合评价机床能效等级。为此,从机床加工能力和能耗特性角度构建机床能效等级评价指标,提出基于自组织映射神经网络-K均值(SOM-Kmeans)的机床能效等级评价方法。首先,分析机床加工能力特性和时段能耗特性,构建机床加工能力指标和多时段能耗特性指标;其次,运用SOM-Kmeans对机床能效信息进行聚类分析,并采用主成分分析法(PCA)对机床能效等级进行综合评价;最后,通过实际案例验证了所提方法的有效性和实用性。     

数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法

机床能量消耗过程的评估和分析是机床能效优化研究的基础。现有研究提出的机床能耗模型主要是静态能耗模型,少数对机床动态性能耗的研究又主要集中在机床运行状态的动态性的建模,缺乏对机床能量源特别是数控机床多能量源的动态性能耗的研究。针对数控机床能量源多、加工任务及加工参数动态变化等特点,提出了一种数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法。对数控机床能耗过程的动态性进行分析;在此基础上,结合面向对象着色赋时Petri网(Colored timed object-oriented Petri net,CTOPN)和虚拟部件方法建立数控机床多能量源动态能耗模型,其中CTOPN模型用于描述数控机床能耗过程机床和多能量源运行状态的动态特性,虚拟部件方法用于描述数控机床多能量源受加工参数影响的动态特性;通过CTOPN中"变迁"蕴含的信息来驱动虚拟部件模型实现对数控机床多能量源的动态能耗特性的建模。案例分析结果证明了该方法的可行性,上述模型可为数控机床动态能耗的预测、综合的能耗特性分析以及定量的能耗影响因素分析提供一种基础支持,具有较广阔的应用前景。     

机床固有能量效率的内涵及其评价方法

机床能量效率的评价是机床能效优化研究的基础。现有评价方法主要集中在机床加工过程的能量效率评价,对支持高能效机床设计的机床自身能量效率评价研究还存在不足和问题。为此,提出表征机床自身能量效率的机床固有能量效率新概念;它是机床加工能力范围内的未来可能的所有加工过程的综合平均能量效率。分析了机床固有能量效率的内涵,提出了机床固有能量效率的有效描述法即虚拟工件法;建立由固有比能效率、固有能量利用率两个综合评价指标和待机功率、当量启动能耗、当量空载功率、当量附加载荷损耗系数四个单项指标构成的机床固有能量效率评价指标体系;基于虚拟工件法,进行上述机床固有能量效率综合评价指标的获取方法研究,实现了机床固有能量效率评价。应用案例研究验证了所提方法的可行性和实用性。该方法可为高能效机床的设计、新制造系统的设计与组建以及高能耗设备改造提供支持,从而提升机床使用生命周期全过程的综合能量效率。     

机床服役过程机电主传动系统的时段能量模型

机床能量消耗问题的研究正在国际上兴起,机床能量消耗系统的建模问题是其热点问题之一。现有的功率方程或功率传输模型是一类描述能量变化率的瞬态能量模型,应用于实际生产现场的多时段和多传动链组成的机床服役过程(Machine tools’ service process,MTSP)尚存在困难。为此,从面向应用需求出发,对MTSP机电主传动系统(Electro-mechanical main driving system,EMDS)的能量模型进行研究。对MTSP的输入能耗过程的时段分类特性,不同能量传动链和多传动链特性进行分析;建立一种面向多传动链的机床EMDS功率方程;在此基础上,建立MTSP中EMDS的时段能量模型的基础模型;并面向生产现场实际,通过分段建立表格函数和数据拟合函数,将十分复杂的各启动时段能耗和比较复杂的各空载时段能耗的分析和获取变成简单函数处理,形成MTSP中EMDS的实用化能量模型。分析和案例结果表明,上述模型在MTSP的能耗研究、能效评估、能耗定额制定、切削工艺参数节能性优化等一系列问题解决方案的研究和应用方面能够提供一种基础支持;具有较广阔的应用前景。     

[制造服务]面向服务水平等级协议的制造服务能效评估

分析了产品能耗评估、产品能效评估、制造服务能耗评估、面向服务水平等级协议（SLA）的制造服务能效评估等阶段发展历程。区别于单位产品能效评估,面向SLA的制造服务能效评估是在服务提供方和使用方约定的开销和服务质量水平下,对制造服务全生命周期的能源消耗效率进行评估。提出一种面向SLA的制造服务能效评估框架,分析了制造服务的5大类关键技术,为向用户提供可随时获取、优质低耗的制造服务提供了理论基础。     

切削比能模型的建立及参数影响分析

从材料去除机理角度分析了材料去除过程中的能量耗散机理,并对材料去除能耗进行建模量化,推导出切削比能经验公式。根据试验数据拟合出端面车削的切削比能幂率公式,拟合度在95%以上。鉴于切削参数对切削比能影响的差异性,结合试验分析了切削三要素对切削比能的影响机理,研究结果为面向节能的切削工艺参数的制定及低碳制造量化评估清单数据要求提供了基础支持。     

离散制造业产品能耗限额制定的复杂特性及制定策略

产品能耗限额对于加强产品制造过程能量消耗管理、监控和提高能量效率均十分重要。目前,钢铁、化工等流程制造行业的产品能耗限额制定已有不少成熟方法,并从国家层面制定了一些主要产品的能耗限额指标;但对于量大面广的离散制造业产品,由于其能耗规律的复杂性和动态变化性,其能耗限额制定非常困难。目前我国还没有一项国家层面的离散制造业产品能耗限额。基于离散制造业产品制造能耗特点的分析,揭示离散制造业产品能耗限额制定的分布式多数量制造系统关联性等复杂特性。在此基础上,针对规格品种繁多的一般产品即绝大多数产品,提出产品与制造系统的关联能耗限额制定策略;针对个别量大面广、能量消耗总量巨大、制造设备、工艺和制造流程相对比较成熟和确定的特定产品,提出统一能耗限额制定策略;并给出关联能耗限额制定和统一能耗限额制定的具体策略。上述特性和策略为离散制造业产品能耗限额制定这一难题提供了一种总体解决思路。     

企业级数据的备份和恢复配置方法分析和应用

以基于Windows 2003企业版的系统平台为例,阐明企业级数据的备份和恢复的重要性,从业务、策略、模式、类型、拓扑等方面、多角度分析数据的备份配置方法,针对多种备份技术的优缺点,提出相应的部署措施,并制定恢复验证策略,应用到企业的数据备份和恢复的日常运维中.     

实物三维数字化技术在机械制造中的应用

随着制造业的不断发展,机械制造技术近年也取得长足进步.实物三维数字化技术在机械制造中的应用,大大增强了机械制造效率.分析了实物三维数字化技术的原理和特点,探讨了将该技术应用于机械制造中的流程与原理,采用实物三维数字化技术在逆向设计和实物复制方面存在诸多的优越性.     

Simulation based energy-resource efficient manufacturing integrated with in-process virtual management

As energy efficiency is one of the key essentials towards sustainability, the development of an energy-resource efficient manufacturing system is among the great challenges facing the current industry. Meanwhile, the availability of advanced technological innovation has created more complex manufacturing systems that involve a large variety of processes and machines serving different functions. To extend the limited knowledge on energy-efficient scheduling, the research presented in this paper attempts to model the production schedule at an operation process by considering the balance of energy consumption reduction in production, production work flow (productivity) and quality. An innovative systematic approach to manufacturing energy-resource efficiency is proposed with the virtual simulation as a predictive modelling enabler, which provides real-time manufacturing monitoring, virtual displays and decision-makings and consequentially an analytical and multidimensional correlation analysis on interdependent relationships among energy consumption, work flow and quality errors. The regression analysis results demonstrate positive relationships between the work flow and quality errors and the work flow and energy consumption. When production scheduling is controlled through optimization of work flow, quality errors and overall energy consumption, the energy-resource efficiency can be achieved in the production. Together, this proposed multidimensional modelling and analysis approach provides optimal conditions for the production scheduling at the manufacturing system by taking account of production quality, energy consumption and resource efficiency, which can lead to the key competitive advantages and sustainability of the system operations in the industry.     

Energy efficiency techniques in machining process: a review

The paper presents an overview of the state of the art in energy-efficient techniques in the domain of discrete part manufacturing, focusing on the techniques including energy assessment model for machining process and the energy efficiency analysis and evaluation for machine tools, important components, and machining systems. The main motivation is to review the existing works related to reduce energy consumption in machining processes, to discuss the challenges towards energy-efficient manufacturing, and identify the major barriers from both technologies and approaches.     

复合式增材制造技术研究现状及发展

形性问题制约金属增材制造技术的发展与应用,复合式增材制造在解决制件形性问题方面效果显著。高度概括了复合式增材制造技术分类方式与主体类别;简要总结了增减材复合制造在制件成形精度和表面质量控制方面的研究进展和技术发展状况;重点评述了增等材复合制造技术类别、成形原理、制造特征和关键问题,以及在制件显微组织、应力状态、宏观性能调控方面的研究现状和主体结论;系统介绍了超声、电磁、激光三类特种辅助能场对增材熔池流动、结晶、固态相变的作用机制,以及特种能场作用下,增材层显微组织状态、力学性能、成形精度的演化规律;展望了复合式增材制造技术未来的发展趋势。     

Empirical investigation of environmental characteristic of 3-D additive manufacturing process based on slice thickness and part orientation

The significant amount of research has been done in improving the mechanical properties (compressive strength), dimensional accuracy (length, height and width), and build time of the components manufactured from the additive manufacturing process. In contrast to this, the research in the optimization of environmental characteristic i.e. energy consumption for the additive manufacturing processes such as selective laser sintering (SLS), and selective laser melting (SLM) needs significant attention. These processes intakes the significant portion of input laser energy for driving the laser system, heating system and other machine components. With world moving towards globalization of additive manufacturing processes, the optimization of laser energy consumption thus become a necessity from productivity and as well as an environmental perspective. Therefore, the present work performs the empirical investigation by proposing the optimization framework in modelling of laser energy consumption of the SLS process. The experimental procedure involves the computation of energy consumption by measuring the total area of sintering. The optimization framework when applied on the experimental data generates the functional expression for laser energy consumption which suggests that the slice thickness is a vital parameter in optimizing it. The implications arising from the study is discussed.