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机械加工论文摘要范文机械加工论文摘要写 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. 纵观世界,西方发达国家已经进入了服务经济时代.服务经济时代的到来加速了社会化分工,企业之间的相互服务化成为企业（企业集群）快速赢得市场、增强自身核心竞争力的重要方式.当前,我国正处在工业化中后期,制造业得到充分发展的同时,也面临着上世纪80年代西方发达国家制造业向服务业转移的系统问题.为了解决我国制造业转型升级的突出问题,从国家层面提出了“以信息化带动工业化、以工业化促进信息化”的指导方针,在实施层面提出了“制造业信息化工程”.当前的制造业信息化在解决制造“数字化、集成化、协同化、网络化”问题上取得了一定的研究和应用成果,但要进一步扩大并深化应用,从而取得显著的经济效益,在运营模式、技术上都存在着一些难以克服的问题,特别是在商业模式、资源共享、安全等问题上存在诸多需要解决的难题.然而,近年来随着以云计算、物联网、大数据等为代表的新一代信息技术的发展与商业应用,给制造业转型升级提供了可借鉴的商业模式和新的技术支撑. 在此背景下,xx年李伯虎等人提出了一种面向服务的新型网络化制造模式云制造,其核心是将“制造”当做“服务”.云制造的提出得到了国内外研究学者的高度关注,近4年来,围绕云制造的概念、内涵、特征、核心技术、集成技术、应用模式等方向,国内外学者开展了诸多富有意义的研究工作.但是,结合云制造的研究现状,本文认为当前云制造研究急需解决面向具体应用领域的云制造运行模式,特别是面向机械加工领域的云制造服务模式,机械加工中的制造资源的服务化、机械加工中的制造服务发现方法、云制造环境下的加工服务优选、系统开发策略等方面的关键技术问题.为此,本文围绕以上几个方面的问题开展了以下五个方面的研究工作： （1）从系统工程、制造系统工程、云制造特征出发,阐述了云制造是制造系统工程.随后采用制造系统工程中的广义建模思想,从电子商务模式、系统体系结构、产品生命周期、制造状态空间、制造行业粒度、制造辐射区域6个视角研究了云制造的系统结构和特征.在此基础上提出了一种面向云制造应用模式构建的设计方法.以此方法为指导,针对机械加工领域特征,构建了一个面向机械加工的云制造服务平台,并设计了其运行模式. （2）研究了云制造环境下的制造资源、制造能力、制造服务特征,提出了一种制造资源、制造能力、制造服务逻辑关系模型.在此基础上,提出了两个制造服务建模原则,以此原则为指导,提出了一种用于抽象制造任务的需求屋模型,并提出了一种基于需求屋模型的制造服务信息模型构建方法.在此方法基础上,建立了面向机加工中的多粒度制造任务模型和制造服务模型,包括工序级、零件级的制造任务和制造服务模型,最后提出了制造服务封装为Agent的体系结构和映射原理,并研究了一个案例. （3）聚焦到了机械加工领域的云制造服务发现问题,提出了面向机加工的云制造服务发现方法.该方法主要采用多Agent技术构建了一个多粒度制造服务发现框架,设计了其中主要Agent结构.通过构建多Agent交互原则,提出了一种制造服务发现流程.结合本文的研究领域问题,构建了面向工序级和零件级服务发现的仿真环境,并通过两组仿真实验,分析了与目前云制造环境下的资源(服务)发现的区别,表明了本文方法的优越性和实用性. （4）分析了面向机加工中的多粒度制造服务优选问题,定义了云制造环境下的工序级、零件级服务优选的问题,提出了云制造环境下机加工中多粒度制造服务优选模型,该模型不仅考虑了服务方之间的物流影响,同时还考虑了客户与第一链服务方、最后服务方与客户之间的物流影响,构建了更接近实际情况的制造服务优选数学模型.为了求解该多目标问题,采用了优先转换方法,将多目标问题转换为了单目标问题,在分析了多种智能算法的基础上,提出了一种改进粒子群算法来求解多粒度制造服务优选,最后通过仿真实验分析了本文模型的优越性、算法的有效性. （5）分析了当前面向机加工的服务平台,根据本文提出的云制造服务平台框架,采用快速应用工程指导原则作为开发方法,设计了一个面向机械加工的云制造原型系统,包括主要的业务流程、核心数据库、核心程序算法,利用Joomla等多种集成开发框架,开发了系统主要模块. 综上,本文全面分析了云制造的研究背景,回顾了近年来云制造的研究进展,指出了当前云制造领域研究的主要问题,研究了云制造运行模式的策略问题、制造资源数字化描述问题、制造服务发现、制造服务优选及面向领域的原型系统开发等问题.上述研究丰富了当前云制造研究成果,为面向领域的云制造应用模式系统开发提供了一种借鉴的解决方案. 制造业在将资源转变为产品或服务的过程中带来巨大能量消耗,对环境造成污染并产生大量的二氧化碳排放.机械加工作为制造业中主要的生产过程,在制造业节能减排中起着举足轻重的作用.机械加工工艺全过程能量精确评估是机械加工工艺过程能量改善和优化的前提,是实现低碳制造的基础.针对机械加工工艺全过程能量需求建模与智能计算问题,本文着重研究了机械加工工艺过程能量需求分解、机械加工工艺活动能量需求建模,机械加工工艺活动转移能量需求建模和机械加工工艺过程能量需求智能计算等内容. 针对机械加工工艺过程能量需求分解问题,首先分析机械加工工艺过程能量需求特性,根据能量需求特性差异将机械加工工艺过程划分为活动和活动转移,进而将机械加工工艺过程能量需求分解为活动能量需求和活动转移能量需求,实现了工艺过程能量需求的分解；并对活动/活动转移以及能量计算参数进行明确定义与描述,为后续研究奠定基础. 针对机械加工_工艺活动能量需求建模问题,提出一种基于动素的活动能量需求建模方法；将活动分解为基本的动素,归纳并定义十四种基本动素,接着根据动素功率特性的不同,将动素划分为恒功率非材料切削动素、变功率非材料切削动素、恒切削速率材料切削动素和变切削速率切削动素,并且采用借鉴已有模型、改进已有模型和构建新模型三种方法构建了动素功率模型；接下来以运行状态为桥梁,构建了活动-动素间的关系模型,基于动素功率模型与活动-动素关系等模型,建立机械加工工艺活动的预测功率曲线,并建立机械加工工艺活动能量需求模型,实现了机械加工工艺活动能量需求的事前计算和分析. 针对机械加工工艺活动转移能量需求建模问题,提出一种基于有限状态机的活动转移能量需求建模方法；针对活动转移特点,引入有限状态机对活动转移进行描述,将活动转移转换为状态转移,并根据帕累托原理确定关键状态转移,接着建立关键状态转移的能量需求模型；在此基础上,构建机械加工工艺过程状态转移图,并确定机械加工工艺过程的关键状态转移及执行次数,结合已建立的关键状态转移能量需求模型,构建机械加工工艺活动转移能量需求模型；在活动功率预测曲线基础上嵌入活动转移功率,构建机械加工工艺全过程的预测功率曲线(活动+活动转移)；实现了机械加工工艺活动转移能量需求的事前计算和分析. 针对机械加工工艺过程能量需求智能计算问题,研究了基于能量计算参数提取与继承的工艺能量需求智能计算方法；首先研究机械加工工艺过程能量计算参数的提取方法,获得活动及活动转移的能量计算参数；接着对能量计算参数继承进行定义,建立活动和运行状态间的完全继承和续效继承规则,运行状态和动素间的匹配继承和复制继承规则；基于上述继承规则实现能量计算参数的传递,接下来研究基于能量计算参数继承的活动和活动转移能量需求智能计算,进而实现机械加工工艺全过程能量需求智能计算；最后以常见机械零件加工过程为例,验证所提方法的可行性和有效性. 最后,对全文主要研究内容进行总结,归纳其中的创新点,并对后续研究方向进行展望和探讨. 针对机械加工系统碳排放问题,提出了一种机械加工系统碳排放量化方法.对机械加工系统物料、能源消耗及碳排放特点进行了分析,定义了其广义边界,并对碳排放的多源性进行了论述,对机械加工系统多源碳排放量化方法进行了详细论述,不仅考虑了机械加工设备物料、能源消耗引起的碳排放,而且考虑了切削液、刀具等辅助物料及废屑处理引起的碳排放,分别给出了其量化方法并对量化方法中的关键要素进行了研究,通过一个具体案例验证了该量化方法的可行性. 机械加工系统量大面广,能量消耗总量巨大,并且能量效率很低,节能潜力和环境减排潜力很大.机械加工系统能量效率评价是对机械加工系统能量消耗状态和能量消耗过程及其能量效率的系统评价.它是机械加工系统降低能量消耗、提高能量效率的基础.能量效率评价技术是目前国际上研究的热点技术,也是我国机械制造行业自身可持续发展所急需的技术.由于机械加工系统能耗主体构成的多样性及复杂性,能量消耗状态及能量消耗过程的动态变化性及随机性等多方面原因,使得机械加工制造系统能量效率评价研究相对于其它制造系统特别是流程制造系统的能量效率评价研究相对复杂得多和困难得多.本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)课题和国家自然科学基金等项目,对机械加工系统能量效率模型、能量效率评价指标体系和评价方法进行了研究.首先,分析了机械加工系统能量效率的广义内涵,建立了机械加工系统能量模型,包括数控机床多源能量流的系统数学模型、面向工艺过程的机械加工工件能量模型和基于固定功率和可变功率的车间系统能量模型,然后基于此提出了机械加工系统能量效率模型,包括加工设备的能量效率模型、工件的能量效率模型以及车间系统的能量效率模型.其次,分析了机械加工系统能量效率评价的特性,包括分布特性和变化特性,提出一套基于能量效率评价特性的机械加工系统能量效率评价指标体系,构建了基于能量效率模型并集成了能量利用率和比能效率的机械加工系统能效评价指标,并给出了一种集成化的能效指标获取方法.然后,对机械制造系统能效评价方法进行了概述并提出了机械加工系统能量效率评价方法,包括机械加工系统能量效率评价流程、机械加工过程能量效率评价标准和基于仿真技术的机械加工系统能量效率动态评价方法.论文提出了机械加工系统能量效率评价流程,对其六个步骤进行了分析,即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评价报告生成,建立了机械加工过程能量效率评价标准,该标准规定了机械加工过程能量效率评价标准的数学模型和指标体系,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,实现生产现场只需获取机械加工输入功率即可获得符合一般精度要求的机械加工过程能效指标,能够为机床能效评价、工件能效评价和能效优化提供支持,建立了一种基于仿真技术的机械加工系统能量效率动态评价方法,通过运用Petri网理论建立了机械加工系统的能量消耗模型,并借助Petri网仿真软件对能量消耗模型进行仿真,得到了机械加工系统运行过程中的能量效率,实现了能量效率的动态评价.最后,设计了机械加工系统能效评价支持系统的总体框架及其主要业务流程.以上研究为实际机械加工系统的能效评价提供了理论基础和具体方法. 节能减排是我国制造业的一个重要科技发展方向.机械加工车间是一种以机床为主体,将物料资源转化为产品或半成品,并产生大量能量消耗的制造系统.量大面广的机械加工车间节能潜力和环境减排潜力巨大.如何实现机械加工车间生产过程的节能是我国制造业在全球低碳化新形势下面临的挑战之一.目前机械加工车间能耗优化的相关研究主要集中在设备能耗及工艺能耗等方面,而针对整个机械加工车间生产过程的系统能耗建模问题的研究较少,特别缺乏从生产运作层面开展的节能优化的研究.为此,本论文围绕机械加工车间的复杂能耗特征及加工任务节能优化配置方法等方面进行了研究.针对机械加工车间的能耗过程涉及的能耗环节多、动态变化大、能耗规律复杂等特点,提出了一种机械加工车间生产过程的能量流分析框架.从机床设备层、任务流程层和辅助生产层等三个层次对机械加工车间的能量流进行层次化分析.在此基础上,从时间维和空间维对机械加工车间能量流进行建模,其中从空间维角度对空间分布的各能量源的能耗特征进行量化分析,从时间维角度对机械加工车间的能耗随时间变化的特征进行分析.机械加工车间生产环境常因机床设备和加工工件的变化而发生变化,如机床设备添置、新工件到达、工件的工艺路线或工艺参数的变动等都会引起机械加工车间生产环境的变化.针对机械加工车间动态环境下能耗特征建模中的多要素影响和生产环境动态变化等问题,提出了一种基于着色赋时面向对象Petri网(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对象方法和Petri网的优点,能够灵活的适应机械加工车间生产环境的变化.在机械加工车间生产过程的能量流分析的基础上,将机械加工车间的多能耗特征分为结构性能耗特征、状态性能耗特征、工艺性能耗特征和匹配性能耗特征.通过构建CTOPN模型的几何结构来对结构性能耗特征和状态性能耗特征进行建模,通过定义着色token及其相关属性来对工艺性能耗特征和匹配性能耗特征进建模.为了进一步支持机械加工车间能耗特征分析需要底层机床设备能耗信息支持的问题,提出了一种基于NC代码的机床设备能耗评估方法.该方法将机床设备的耗能部件进行分解并分别对其能耗特征进行建模,对NC代码与机床各耗能部件运行状态的对应关系进行分析,在此基础上对NC代码进行解析,基于NC代码解析获得的各耗能部件的运行参数(运行状态和运行时间)及各能耗模型所需的相关参数,对机床设备执行NC代码所消耗的能量进行评估.针对机械加工车间复杂能耗过程,从生产运作层面对机械加工车间加工任务的节能优化配置方法进行了研究.对机械加工车间生产运行过程的能耗受机床选择和工序加工顺序影响的特性进行分析,在此基础上提出了一种集成机床选择和工序排序的加工任务节能优化配置方法,该方法采用混合整数规划建立该问题的优化模型,并采用嵌套分割算法对该节能优化配置问题进行求解,进一步在对机械加工车间的能耗受随机事件影响的特性分析的基础上,提出了一种考虑新工件到达和机床故障的节能优化配置方法,并采用非支配排序遗传算法II对该动态节能优化配置问题进行求解. 作为纳米技术分支之一的纳米加工技术是在纳米尺度范围内制造物理、化学和生物等功能结构与器件的基础,已经成为衡量纳米技术发展水平的重要标志.纳米机械加工技术如金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划等可以使加工精度达到纳米量级、加工形成的结构与器件的尺寸达到纳米量级,为制造三维纳米结构与器件提供了创新的途径,是一种重要的由上而下的纳米加工技术. 然而,纳米机械加工技术的发展目前受到加工理论、加工工艺及加工质量的测量与评定等诸多因素的制约.其中,缺乏对纳米机械加工机理特别是表层形成机理的理解是制约纳米机械加工质量提高的重要因素之一.除了实验研究外,国内外学者普遍采用分子动力学模拟来研究纳米机械加工机理,并得到了许多有价值的研究结果.然而,在前人的研究中大部分工件材料为单晶形式,而对多晶材料纳米机械加工的分子动力学模拟研究较少.纳米机械加工是一个刀具与材料高度耦合的过程,多晶材料不同于单晶材料的变形机理直接影响纳米机械加工的结果.此外,前人对纳米机械加工中引入的亚表面损伤层的实验和仿真研究主要是检测亚表面损伤层的深度及分布,而对多晶材料的亚表面损伤层的形成机理研究较少.在纳米机械加工中工件材料内部的结构和组织状态的变化是形成亚表面损伤层的一个重要原因.因此,针对上述存在的问题,本文基于摩擦磨损、晶体塑性和纳米力学等理论,使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜和纳米晶体铜纳米机械加工表层形成机理,具体研究内容包括如下几个方面: 建立了包含多种结构材料(单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜)的纳米机械加工的分子动力学模型.从分子动力学基本原理角度出发选择了经典牛顿运动方程的积分方法、精确描述体系的势能函数和模拟真实环境的系综等参数,得到了分子动力学模拟的精确原子模型,结合晶体结构、重位点阵和维诺图等建立了单晶铜、双晶铜和纳米晶体铜的原子结构模型,结合晶体塑性理论和先进的晶体缺陷分析技术辨别了工件内部形成的缺陷的种类和位置. 基于摩擦磨损、晶体塑性和纳米力学等理论,使用分子动力学模拟研究了单晶铜、双晶铜、纳米晶体铜纳米机械加工机理,包括工件材料变形、加工力变化、表层形成等.在纳米机械加工单晶铜中研究了工件材料变形机理、加工表面形成机理,以及势能函数、加工速度、晶向、刀具几何形状等参数对纳米机械加工的影响,在纳米机械加工双晶铜中研究了位错-晶界交互作用特别是位错-孪晶界交互作用对工件材料变形以及加工结果的影响,在纳米机械加工纳米晶体铜中,分别采用全三维纳米晶体铜和准三维柱状纳米晶体铜原子结构模型来揭示纳米晶体铜纳米机械加工机理. 基于晶体铜纳米机械加工亚表面损伤层的形成机理的研究,提出了一种基于纳米压痕的亚表面损伤层深度的定量预测方法.使用前人建立的不同变形区域的原子势能变化模型实现了亚表面变形层深度的定量预测,建立了基于纳米压痕的亚表面损伤层的硬度检测模型,用来辨别亚表面损伤层中工件材料与未加工的工件材料的压痕硬度的差异,实现了亚表面损伤层深度的定量预测. 在发现纳米机械加工亚表面损伤层产生孪晶现象的基础上,提出了一种利用孪晶变形来控制和改善亚表面损伤层的新设想.使用分子动力学模拟研究了晶粒尺寸对纳米晶体铜纳米机械加工中孪晶变形的影响,使用分子动力学模拟研究了纳米孪晶铜纳米机械加工机理,以及孪晶界间距对纳米机械加工的影响. 为了使纳米机械加工的分子动力学模拟的结果可信、有用,分别从分子动力学模拟基本原理、材料机械性能的纳米压痕检测、纳米机械加工结果这三个方面逐级开展分子动力学模拟与实验的对比.检测了当前使用的经验势能函数描述的体系的体积模量、剪切模量和杨氏模量,并与实验测得的值进行了定量对比,基于单晶铜纳米压痕的分子动力学模拟获得的压痕深度-压痕硬度曲线求得了单晶铜的杨氏模量,并与纳米压痕实验测得的值进行了定量对比,进行了单晶铜(010)晶面和(111)晶面的纳米压痕实验,并从工件表面形貌的角度与分子动力学模拟的结果进行了定性的对比. 机械加工系统是车间层实施绿色制造的主体之一,对加工任务进行优化调度可以减少机械加工系统所产生的环境影响和资源消耗,是改善机械加工系统绿色性(即资源消耗和环境影响特性)的途径之一.基于此对面向绿色制造的机械加工系统任务优化调度问题进行研究,构建其框图模型及数学模型,该模型能对调度问题的整个优化调度过程及所涉及的各种要素之间关系进行描述.结合机械加工系统的资源消耗和环境影响特性,建立该模型的目标体系,该体系包括优化调度问题所涉及的各个子目标,并对子目标的内容进行描述.最后通过案例,对面向绿色制造的机械加工系统任务优化调度模型