節(jié)能減排是我國制造業(yè)的一個重要科技發(fā)展方向。機械加工車間是一種以機床為主體,將物料資源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或半成品,并產(chǎn)生大量能量消耗的制造系統(tǒng)。量大面廣的機械加工車間節(jié)能潛力和環(huán)境減排潛力巨大。如何實現(xiàn)機械加工車間生產(chǎn)過程的節(jié)能是我國制造業(yè)在全球低碳化新形勢下面臨的挑戰(zhàn)之一。目前機械加工車間能耗優(yōu)化的相關(guān)研究主要集中在設(shè)備能耗及工藝能耗等方面,而針對整個機械加工車間生產(chǎn)過程的系統(tǒng)能耗建模問題的研究較少,特別缺乏從生產(chǎn)運作層面開展的節(jié)能優(yōu)化的研究。為此,本論文圍繞機械加工車間的復(fù)雜能耗特征及加工任務(wù)節(jié)能優(yōu)化配置方法等方面進行了研究。針對機械加工車間的能耗過程涉及的能耗環(huán)節(jié)多、動態(tài)變化大、能耗規(guī)律復(fù)雜等特點,提出了一種機械加工車間生產(chǎn)過程的能量流分析框架。從機床設(shè)備層、任務(wù)流程層和輔助生產(chǎn)層等三個層次對機械加工車間的能量流進行層次化分析。在此基礎(chǔ)上,從時間維和空間維對機械加工車間能量流進行建模,其中從空間維角度對空間分布的各能量源的能耗特征進行量化分析,從時間維角度對機械加工車間的能耗隨時間變化的特征進行分析。機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境常因機床設(shè)備和加工工件的變化而發(fā)生變化,如機床設(shè)備添置、新工件到達、工件的工藝路線或工藝參數(shù)的變動等都會引起機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境的變化。針對機械加工車間動態(tài)環(huán)境下能耗特征建模中的多要素影響和生產(chǎn)環(huán)境動態(tài)變化等問題,提出了一種基于著色賦時面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(Colored Timed Object-oriented Petri Net,CTOPN)的多能耗特征建模方法。CTOPN建模方法集成了面向?qū)ο蠓椒ê蚉etri網(wǎng)的優(yōu)點,能夠靈活的適應(yīng)機械加工車間生產(chǎn)環(huán)境的變化。在機械加工車間生產(chǎn)過程的能量流分析的基礎(chǔ)上,將機械加工車間的多能耗特征分為結(jié)構(gòu)性能耗特征、狀態(tài)性能耗特征、工藝性能耗特征和匹配性能耗特征。通過構(gòu)建CTOPN模型的幾何結(jié)構(gòu)來對結(jié)構(gòu)性能耗特征和狀態(tài)性能耗特征進行建模,通過定義著色token及其相關(guān)屬性來對工藝性能耗特征和匹配性能耗特征進建模。為了進一步支持機械加工車間能耗特征分析需要底層機床設(shè)備能耗信息支持的問題,提出了一種基于NC代碼的機床設(shè)備能耗評估方法。該方法將機床設(shè)備的耗能部件進行分解并分別對其能耗特征進行建模;對NC代碼與機床各耗能部件運行狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系進行分析,在此基礎(chǔ)上對NC代碼進行解析;基于NC代碼解析獲得的各耗能部件的運行參數(shù)(運行狀態(tài)和運行時間)及各能耗模型所需的相關(guān)參數(shù),對機床設(shè)備執(zhí)行NC代碼所消耗的能量進行評估。針對機械加工車間復(fù)雜能耗過程,從生產(chǎn)運作層面對機械加工車間加工任務(wù)的節(jié)能優(yōu)化配置方法進行了研究。對機械加工車間生產(chǎn)運行過程的能耗受機床選擇和工序加工順序影響的特性進行分析;在此基礎(chǔ)上提出了一種集成機床選擇和工序排序的加工任務(wù)節(jié)能優(yōu)化配置方法,該方法采用混合整數(shù)規(guī)劃建立該問題的優(yōu)化模型,并采用嵌套分割算法對該節(jié)能優(yōu)化配置問題進行求解;進一步在對機械加工車間的能耗受隨機事件影響的特性分析的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮新工件到達和機床故障的節(jié)能優(yōu)化配置方法,并采用非支配排序遺傳算法II對該動態(tài)節(jié)能優(yōu)化配置問題進行求解。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH18;TK018

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