基于特征设计的机械加工过程能量优化

发布日期：2022-12-29 10:21 浏览次数：次

成果名称	基于特征设计的机械加工过程能量优化
成果登记号	DJ301002022J0146		知识产权	国际领先
完成单位
序号	单位名称		通讯地址
1	浙江大学		浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
完成人
序号	姓名	工作单位		对成果的贡献
1	胡罗克	浙大城市学院		机械加工能量优化方法
2	唐任仲	浙江大学		机械加工能量建模方法
成果公报内容（成果简介、创新突破点、同行认可、引用情况、应用情况等）
本成果受以下科研基金项目支持和资助：（1）国家自然科学基金委员会，青年项目，51805479，基于特征尺寸和工艺集成设计的零件机械加工过程能耗优化，2019-01至2021-12，23万元，结题，胡罗克主持。结题评估为优秀。（2）国家自然科学基金委员会，面上项目，51175464，面向低碳制造的机械加工工艺过程能耗建模与智能分析计算方法研究，2012-01至2015-12，56万元，结题，唐任仲主持。我国能源相关的碳排放占总碳排放85%以上，节能降耗对于降低碳排放具有重要意义。目前我国二次能源的消耗集中在工业制造领域。国务院印发的《中国制造2025》将工业制造节能作为重点战略目标。机械加工是工业制造的重要组成部分，是指用机械设备（机床）对工件外形尺寸或性能进行改变，其能源消耗占工业制造50%以上。开展机械加工能量优化研究对于促进低碳制造的深入开展和实施具有科学指导意义，为降低我国制造业能源消耗提供理论和技术支持。零件是组成机器（例如汽车、飞机和发电机）的基本要素，一个零件由多种特征（例如外圆、圆孔、平面、方槽和螺纹）组成。机床作为制造业的重要角色“母机”，其作用是执行机械加工工艺将毛坯转换为合格零件。本成果以单个零件为对象，研究如何在设计阶段确定零件中特征的尺寸和工艺参数，使得后续数控机床加工该零件所需的电能消耗将最小。上述研究称为基于特征设计的机械加工过程能量优化。为此，深入分析特征的尺寸、加工顺序和切削参数如何影响机械加工能耗，构建了基于特征设计的机械加工能量优化问题的模型（包括目标函数和约束方程），然后设计确定性算法和启发式算法对该模型求解。创新之处有三方面：（1）构建了基于特征的机械加工过程能量预测模型。当零件使用机床加工，其机械加工过程包含空切削过程和切削过程。根据机床传动系统和进给系统机械结构和电机功率损耗原理，结合功率实验数据，建立了机床主轴旋转、主轴变速和空走刀等空切削过程的电耗模型。开展外圆特征的车削实验，建立了以切削速度、进给量和车削深度为变量的外圆车削材料去除功率模型。开展平面特征的铣削实验，建立了以切削速度、每齿进给量、铣削深度和铣削宽度为变量的平面铣削材料去除功率模型。模型的预测精度达到95%以上。（2）提出了基于特征排序的机械加工过程能量优化方法。本成果发现：当零件中特征的加工顺序改变时，机床的切削过程以及包括走刀、换刀和主轴变速在内的空切削过程均随之变化，从而影响机械加工电能消耗。基于该发现，提出了一种创新管理手段来实现机床节能，即通过改变特征加工顺序来降低机械加工能耗。其中，建立了有特征相交的零件机械加工能量优化问题的模型，设计了深度优先搜索、遗传算法和蚁群算法对模型求解。建立了基于特征排序的机械加工时间和能耗综合模型，设计了非支配插入枚举算法和改进非支配排序遗传算法对该模型求解。实验结果表明，本方法能够降低14.13%机械加工电能消耗。（3）提出了基于特征尺寸和切削参数优化的机械加工节能方法。本成果以外圆特征、端面特征和圆孔特征为对象，研究如何在设计阶段确定这些特征及组合的尺寸和切削参数最优值，使得后续机械加工制造阶段所需的电能消耗将最小。深入分析了特征的尺寸和切削参数如何影响机械加工能耗，构建了基于特征尺寸和切削参数的机械加工能量优化问题的模型，然后设计了枚举算法、模拟退火算法和差分进化算法对模型求解。实验结果表明，本方法能够降低19.28%机械加工电能消耗。基于所提的机械加工过程能量优化方法，研究团队已开发应用程序和系统。十余台数控机床的电耗实验数据显示，本成果能够为每台机床每天节约1.5度电以上。我国机床保有量约800万台，按照本成果为每台机床每天节约1.5度电计算，则理论上每年总节能40亿度电以上，相当于带来约30亿元人民币经济效益，此外每年减少310万吨碳排放。本成果的推广应用能够缓解我国工业制造能源消耗大及碳排放高的状况，有助于实现我国“十四五”规划中的碳达峰碳中和目标。
评价（鉴定、验收）委员会名单
序号	姓名	单位	专业领域	职称
组织评价单位:国家自然科学基金委员会
评价（鉴定、验收）意见
本项目结题后被国家自然科学基金委评价为“优秀”。

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