面向節能的數控工具機能量模型的基礎研究

《面向節能的數控工具機能量模型的基礎研究》是依託大連理工大學,由張洪潮擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向節能的數控工具機能量模型的基礎研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張洪潮

項目摘要

節能降耗是當前機械加工製造業所面臨的一項重大課題。本項目針對目前缺乏有效的工具機加工過程能效模型及準確能耗計算方法問題，擬以數控工具機為典型代表，針對常用切削加工工藝（銑、鏜等），對工具機加工過程中能量模型基礎理論展開研究和實驗。通過本項目的研究，將揭示切削加工中材料去除能量耗散機理，建立材料去除能量理論模型及計算修正函式；建立數控工具機切削比能實驗平台，實驗獲得準確可用的中國切削比能基礎數據；揭示工具機多源能耗特性及各種能量子系統的能量傳遞和消耗變化規律，建立數控工具機能量平衡方程及能效模型；研究數控工具機加工過程能量流分布及能耗變化規律，建立數控工具機加工過程能耗模型及節能最佳化方法。本項目的研究成果將為數控工具機系統節能降耗設計與評價、工具機加工能耗計算與能效最佳化、工具機能效標準制定以及製造系統高效低碳最佳化運行等提供計算理論和數據基礎。

結題摘要

針對數控工具機高能耗、低能量效率的特點，分析數控工具機能耗特性、探尋數控工具機節能最佳化方法對於我國實現綠色製造具有重要意義。工具機能耗過程的評估和分析是工具機節能最佳化研究的基礎，本項目首先建立數控工具機的能耗模型，然後對工具機的能量效率以及切削參數的節能最佳化開展研究。 根據數控工具機各能耗部件的特性及與加工過程的關聯性，將數控工具機整機能耗分為四大部分：主傳動系統空載能耗、進給系統空載能耗、輔助系統能耗、切削能耗。根據耗能機理和實驗統計規律分別對四大部分進行建模，進而建立工具機整機一般能耗模型。為了探究數控工具機能量效率與切削參數的關係，開展了切削單因素實驗和雙因素實驗，研究在改變單個或兩個切削參數的情況下工具機能量效率的變化規律，並揭示其影響機理。研究發現：增大切削參數中的任一參數均有利於提高工具機生產率和工具機能量效率；當工藝系統剛度較小時，從工具機節能角度考慮，優先選取大的銑削速度、每齒進給量和側吃刀量；當工件材料去除率保持不變時，改變每齒進給量、背吃刀量、側吃刀量中的任意兩個參數對工具機加工比能影響作用大致相同，結合工藝系統剛度、強度方面影響，優先選擇增大每齒進給量或側吃刀量而減小背吃刀量；為降低工具機能耗，應儘量避免工具機主軸在主傳動系統空載功率的最大值點附近運轉。以數控銑削加工的切削參數為最佳化變數，建立了面向高效節能的數控銑削切削參數最佳化數學模型，基於帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法（NSGA-II）運用MATLAB語言編程對最佳化模型進行求解。通過最佳化案例研究驗證了最佳化模型的可行性和有效性。結果表明：在滿足加工要求和約束條件的情況下，採用大的每齒進給量，有利於在提高工具機生產率的同時降低工具機能耗。 研究成果能夠為數控工具機節能降耗設計與評價、工具機加工能耗計算與能效最佳化、工具機能效標準制定以及製造系統高效低碳最佳化運行等提供理論和數據基礎。發表學術論文總計5篇，其中EI論文2篇；培養碩博研究生8名，其中畢業博士1名、畢業碩士6名。