面向节能高效需求的数控加工系统多目标优化模型

针对数控加工系统复杂的多源动态能耗特性,提出了一种基于单元工作状态的能耗建模与优化方法。首先,对数控加工系统能耗单元及其工作状态的能耗特性进行分析,建立了时变能耗单元和非时变能耗单元的工作状态能耗模型;其次,构建以切削速度和进给量为变量,以最小系统能耗和最短加工时间为目标的数控加工系统节能高效多目标优化模型,提出一种基于小生境遗传算法的模型求解方法;最后,通过某机床中心架底座加工案例对所提方法和模型进行了验证,并对优化结果、算法性能进行了对比分析,说明了上述模型和方法的有效性。     

基于BPMN的数控机床能耗多源动态特性建模及应用

针对数控机床能量源多、能量消耗动态变化复杂的特点,提出了一种基于业务流程模型和符号(Business process model and notation,BPMN)的数控机床多源动态能耗建模方法。依据数控机床不同子系统的功率特性,将其划分为时变能耗单元和非时变能耗单元,分析了其工作状态及耦合关系对数控机床能耗的影响;基于BPMN2.0规范,构建了能耗单元工作状态BPMN流程模型和BPMN耦合模型,提出了能耗单元工作状态能耗数据及耦合关系时序数据与BPMN模型的数据集成方法,构建了数控机床能耗多源动态特性模型。以某数控铣床加工过程为例验证了所述模型及方法的有效性。     

面向高效节能的数控滚齿加工参数多目标优化模型

数控滚齿加工工艺是应用较为广泛的齿形加工方式,合理的加工参数选择能够显著影响加工过程能耗和加工时间。为降低滚齿加工过程能耗和加工时间,提出一种面向高速干切的高效节能数控滚齿加工参数多目标优化模型。首先,系统地分析了数控滚齿加工过程的能耗特性,建立了数控滚齿加工过程能耗模型;然后,以数控滚齿加工的滚刀转速和轴向进给量为优化变量,建立了以最低能耗和最少加工时间为目标的多目标优化模型,并采用帝国竞争算法对模型进行优化求解;最后,以某车间的齿轮加工过程为应用案例,验证了该模型的有效性和实用性。     

考虑刀具磨损的数控车削批量加工工艺参数节能优化方法

在数控车削批量加工过程中,刀具磨损的加剧会导致能量消耗显著增大.针对现有节能优化研究忽略了刀具磨损状态和工艺参数对能耗的协同影响的问题,提出一种考虑刀具磨损的数控车削批量加工工艺参数节能优化方法.首先,分析刀具磨损和工艺参数对数控车削批量加工能耗协同影响机理;基于此,以批量加工总能耗最低和完工时间最小为目标,以不同刀具...     

面向能量效率的数控铣削加工参数多目标优化模型

切削参数是数控加工工艺中的重要组成,切削参数的合理选择能够显著影响到机床能量效率。为提高机床能量效率,分析数控铣削加工的能耗构成特性和加工时段能耗特性,建立数控铣削加工能耗模型,并通过非线性回归拟合获取能耗模型的相关系数,建立了以最高能量效率和最小加工时间为目标的多目标优化模型,采用连续禁忌算法对模型进行优化求解。通过算法优化结果与试验结果进行对比分析,验证了能效模型的有效性。     

离散加工系统的能耗特征分析与仿真评估

离散加工系统是产品制造过程的重要载体,其能量消耗直接影响了产品的碳足迹。通过分析离散加工系统的工作过程,归纳和区分了系统中的环境能量流、生产能量流及其产生的瞬时能耗和过程能耗;提出了离散加工系统的设备、对象和系统三视图能耗模型,分析了每个视图中的能耗特征要素和节能策略;以系统视图的能耗评估为目标,建立了一个机床加工过程多粒度能耗状态图模型,分析了不同能耗状态的特点。用示例说明了多粒度能耗仿真模型的应用,实现了系统层不同加工方案的多目标仿真评估,为节能型加工方案的选择提供参考。     

基于多目标优化的制造资源分配研究

为了实现智能制造环境下企业制造资源的有效利用,提出了一种基于多目标优化的制造资源分配优化方法.构建了考虑加工成本、加工时间、加工质量和制造单元适合度的多目标优化模型,采用一种基于时变速度和位置加权更新的改进的粒子群算法,对该优化模型进行求解.最后通过仿真验证了所提方法的可行性.     

基于性能劣化的可靠性预测与系统开发

为了给数控装备可靠性预测提供更丰富、更精确、更及时的信息源,探讨了运用数控装备使用过程中的性能劣化数据对数控装备可靠性进行预测的方法与工具。给出基于性能状态监测的性能劣化建模与可靠性预测原理,并提出一种基于非平稳自回归积分滑动平均模型的数控装备性能劣化建模方法,以监测与分析数控装备关键性能参数的时变特性;提出基于隐马尔科夫链模型的数控装备可靠性预测方法,以揭示数控装备使用过程中的性能状态变化特征及其可靠性变动情况。在此基础上,开发了数控装备可靠性预测原型软件系统。该系统对于提高数控装备利用率、减少数控装备维修费用以及延长数控装备使用寿命等具有重要的意义。     

基于虚拟材料的滚珠丝杠进给系统建模及其时变特性研究

为了建立准确的滚珠丝杠进给系统的动力学模型并对其时变特性进行分析,提出了单独获取法和整体获取法两种基于多目标优化方法获取结合部虚拟材料模型的参数,从而构建精确的结合部虚拟材料模型,并通过实验对此两种参数获取方法进行了验证.结果表明:基于多目标优化方法整体获取全部结合部虚拟材料模型参数的获取方法计算量大,但操作简单且获取...     

数据驱动下基于元动作的数控车削能耗预测方法

针对传统的能耗预测模型预测精度较低、泛化性差的问题,提出一种数据驱动下基于元动作的数控车削能耗预测方法。通过分析数控车床的能耗特性,揭示各时段元动作与能耗的关联关系;提出车削元动作及能耗数据的获取方法,并通过元动作状态对数控车床状态进行判断;使用高斯过程回归构建以元动作状态作为输入的数控车削能耗预测模型,实现数据驱动的数控车削加工能耗动态预测。最后,对比3种拟合算法,验证高斯过程回归算法的优越性,并通过比较理论模型和基于元动作的数据模型,以加工某轴类工件为例,验证该方法的有效性。     

车间生产过程的能量足迹建模与加工参数协同优化

为降低零件加工过程的生产能耗,提出一种面向节能的车间生产过程多装备加工参数协同优化方法。以包含机床与机器人的定制化生产车间为研究对象,建立了考虑刀具退化动态过程的生产车间系统能量足迹模型。考虑刀具寿命、机器人运输平稳性的成本指标函数,建立了多装备系统的加工参数协同多目标优化模型。以加工时间为约束条件,使用蜂群算法获取了最优参数。实验表明,以节能目标为主的优化方案可降低机床加工能耗17.97%,降低机器人运输能耗18.13%。     

数控车床主轴单元结构节能性优化设计

为降低数控车床使用过程中的能耗,针对主传动系统中的主轴部件提出一种面向节能的结构优化设计方法.首先构建主轴单元功率模型并分析其动静态性能指标;然后基于均匀试验和灵敏度分析,选取对主轴单元能耗和动静态性能影响较大的尺寸参数作为优化变量,再通过响应面法拟合指标函数;之后利用主成分分析法降低函数维度,建立主轴单元结构节能设计...     

考虑扰动事件的机械加工工艺参数与车间动态调度综合节能优化

随着能源消耗和环境问题的不断加剧,机械加工车间的高效节能生产越来越受到制造业的关注。传统动态调度优化时每道工序的工艺参数固定,未考虑工艺参数与车间调度之间的关联关系,限制了调度优化的潜力。为了更好地实现柔性作业车间节能增效,并快速有效地应对车间生产过程中出现的突发扰动事件,提出一种考虑扰动事件的加工工艺参数与车间动态调度综合优化方法。首先详细分析订单插入与机床故障下柔性作业车间的能耗特性,以总能耗与最大完工时间为目标,建立工艺参数与动态调度综合优化模型,然后设计一种面向扰动事件的动态决策机制,并提出改进的自适应形状估计进化算法(AGE-MOEA)进行优化求解,最后通过案例分析与算法对比,验证了所提出方法的有效性。     

[绿色设计]基于Vericut的机床能耗建模与仿真

为实现数控加工制造过程的能耗预测与仿真,采用比能耗法建立了基于Vericut Force模块的机床能耗模型,并结合UG CAM模块与Vericut Force模块搭建了CAD-CAM-ECS能耗仿真平台,实现零件在加工过程中能耗的仿真。结果表明,基于Vericut中过程毛坯（IPW）条件的机床能耗模型可有效预测零件在加工过程中的机床能耗状态,CAD-CAM-ECS能耗仿真平台可实现加工过程能耗仿真并准确映射能耗高的设计特征,为零件的设计及工艺的优化提供依据。     

Machining process parameters optimization for heavy-duty CNC machine tools in sustainable manufacturing

Machining process parameters (MPP) directly affect the machining quality and efficiency of heavy-duty CNC machine tools (HCMT). The selection of MPP is very important to effectively improve machining performance. Machining performance has been closely related to the HCMT running state. In order to maintain HCMT sustainably manufacturing with high accuracy and low consumption after machining performance degradation for a long time running, MPP should be re-optimized according to the current state of the machine tools. Thus, this paper proposed a MPP optimization method for running HCMT to obtain optimal MPP based on current running state. A multi-objective optimization model was built, considering both the linear factors such as machining time and machining cost and nonlinear factors such as chatter in machining process. The nonlinear factors were reflected by the nonlinear dynamic model of machining process. Furthermore, a grid optimization algorithm was introduced to search the optimal MPP from the multi-objective optimization model. Finally, a case study was implemented to verify the feasibility of the nonlinear dynamic model and the superiority of the multi-objective optimization method compared with single-objective optimization method.     

[综述]高速数控转台优化设计方法研究现状与展望

在机床的高速加工过程中,因数控转台各种热源发热与变载荷的共同作用而产生热-力耦合效应,但当前的数控转台优化设计方法往往忽略了热-力耦合效应对转台动态特性的影响。在深入剖析国内外数控转台研究成果的基础上,提出探索热-力耦合效应及其产生的机理,建立转台的热-力耦合模型,得到高速数控转台热-力耦合动态特性。鉴于蜂窝结构具有良好的散热性及力学性能,提出研究基于蜂窝的转台仿生原理,获取高速数控转台热-力耦合仿生设计准则。以提高转台热-力耦合动态特性为目的,提出运用仿生设计准则对结构进行多目标优化,进而形成一套新颖的高速数控转台热-力耦合仿生优化设计方法。     

面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型及应用

为了实现磨削过程的节能减排,提出了一种面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型。从清洁生产“三流（物料流、能量流、环境排放流）”的角度建立了面向清洁生产的磨削能耗与碳排放模型。从工艺路线和工序工艺参数层建立了以磨削能耗、磨削碳排放和磨削时间为目标的多层多目标优化模型,采用基于层次分析法和客观赋权法(CRITIC)法组合赋权的改进遗传算法进行优化求解。以某轴承套圈为研究对象进行磨削工艺实验,结果表明：通过算法优化得到的加工方案相较于传统的加工方案,在工艺层面节约了6.48%的加工时间、降低了42.81%的能耗、减少了8.26%的碳排放;在工序层面缩短了25%的磨削时间、降低了18.84%的能耗、减少了8.69%的碳排放。结果验证了模型和方法的有效性。最后依据上述研究结果提出了相应的节能减排策略。     

基于键合图的五轴联动数控机床动态特性分析与能耗建模研究

制造业是我国碳排放的主要源头，高能效绿色机床装备是制造业实现“碳达峰、碳中和”目标的关键，机床的动态特性分析与能耗建模是机床绿色设计的重要环节。以五轴联动数控机床的各子轴系统为研究对象，针对其能量交互不明晰、自由度高、结构复杂的特点，基于键合图理论建立动力学特性数学模型和能耗模型。该模型综合考虑了机床各子轴系统动态特性和对能源消耗具有强关联性的关键变量，并利用Matlab-Simulink仿真工具建立了动态仿真模型。仿真分析和实验验证结果表明，所提出的基于键合图理论的动力学特性数学模型和能耗模型是合理且有效的。该模型对于深入分析各子轴系统的动态特性，了解其能量传递过程，指导其高能效优化设计，具有现实的指导意义。