工业工程研讨会V2.0

基于动素的机械加工工艺过程

能耗建模方法研究背景机床与SUV排放的对比结果(Gutowski,2010)2486134

美国麻省理工学院Gutowski教授将一台机床运转一年带来的环境排放（折算成由煤炭发电所产生的CO2、SO2、NOX等排放）与SUV产生的排放进行直观形象的对比。

假设条件:1、机床的主轴功率为22KW，两班工作制，加工时间占57%；2、一辆SUV每年行驶12000英里，耗油量20.7mpg制造业在将资源转变为产品（服务）的过程中消耗大量的能源，对环境造成了严重污染并排放大量的CO2。据国际能源署研究显示（IEA,2007）：全球近1/3的能源消耗以及36%的CO2排放是由制造业造成的。CO2SO2NOX研究背景我国机床保有量世界第一约800万台若每台机床额定功率平均按10kw计算若每台机床每天节约1kwh总功率8000万千瓦全年总节能20亿千瓦时以上三峡总装机容量2250万千瓦╳3天浙江全省供电来源:根据《中国能源统计年鉴2010》数据计算得来×3.5（中国机械设备网，2011）研究背景可见，制造业已成为能耗和碳排放的主要来源之一；

路甬祥院士指出中国制造业面临着能耗增长快、节能效率低等问题和挑战，走向绿色和智能制造是中国制造业发展的必由之路（路甬祥，2010）；《中国至2050年先进制造科技发展路线图》中指出绿色和智能将成为先进制造技术的主要发展方向（中科院，2009）。我国制定发展目标：“十二五”期间，我国单位GDP能耗比2010年降低16%；单位GDP二氧化碳排放比2010年下降17%。（中华人民共和国国务院新闻办公室，2011）机械加工工艺过程能耗建模；分析计算从工件装夹完成到工件加工完成整个过程的能耗。问题提出国家自然科学基金项目(No.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主要目标：问题提出机械加工过程机床操作动作多样且对应的能耗不同；有些操作动作较为复杂，可以进一步细分为更小的动作。特点：寻找发现选择握取拿住移物伸手定位装配使用拆卸检查预置放开延迟(不可避免）延迟(可避免)计划休息动作分析中“动素”启发借鉴机械加工过程中的“动素”？动作要素1动作要素2动作要素3动作要素N…建模方法动作分析中“动素”数控机床“动素”描述对象人数控机床将人的动作细分为不能再分的基本动作要素将数控机床的操作细分为不能再分的基本动作要素，也是机床的基本能耗单元动素内容目的确定恰当的动作顺序；制定正确易行的标准作业方法；减少浪费动作，提高工作效率。建立动素的能耗模型；建立基于动素的工艺过程能耗模型；通过减少浪费动素，减少工艺能耗，提高能耗效率。动素特点多个动素可同时实施多个动素可同时执行建模方法序号动素代号符号表示的意义1主轴旋转SR主轴系统执行主轴旋转运动2X轴进给XF进给系统执行X轴方向进给运动3Y轴进给YF进给系统执行Y轴方向进给运动4Z轴进给ZF进给系统执行Z轴方向进给运动5A轴旋转AR进给系统执行A轴方向旋转运动6B轴旋转BR进给系统执行B轴方向旋转运动7C轴旋转CR进给系统执行C轴方向旋转运动8材料切削C刀具与工件接触并切削材料9选择刀具TS刀盘旋转并选择指定刀具10自动换刀TC换刀系统执行两把刀具间的转换动作11喷冷却液CFS冷却泵向切削区域喷冷却液12自动排屑CC排屑装置将切屑排出13机床照明L照明装置为机床切削区域提供照明14待机运行SO数控系统、显示器（CRT/MDI面板）、风扇等运行数控机床动素及其表示的意义建模方法动素功率

与切削非直接相关的动素E.g.动素-SO(),L(),CC(),TS(),TC(),CFS()动素功率不随切削参数(v,f,ap)的变化而变化，可通过实验测量方法得到。

动素-BM功率

动素-L功率

……

动素-CC功率建模方法与切削直接相关的动素E.g.动素-SR(),XF,YF,ZF(),C()动素-SR功率

动素-XF,YF,ZF功率

动素-C功率车削:铣削:MRR–切削速率,cm3/sSEC-单位切削体积能耗,kJ/cm3

α-功率损耗系数

……Psp0–

主轴系统功率损耗,kWTf-摩擦力矩,N·mω-角速度,rad/s2

n-主轴转速,r/minPxfd0–X轴进给电机功率损耗,kW

μ

-摩擦系数mxf–X轴进给运动部件总质量,kg

ηxf–机械传动效率vxf-X轴进给速度,mm/min动素功率

建模方法表示机械加工工艺过程中机床操作任务的执行，它可以表示数控语句的执行,如：主轴启动,切削,自动换刀等。活动:主轴启动粗车外圆-z自动换刀精车外圆-z实际加工过程的功率曲线图切槽-x工件:45#钢机床:CK6153i车端面-x机械加工工艺过程可划分为一系列具有先后顺序的活动。建模方法机械加工工艺过程首先可划分为一系列具有先后顺序的活动。动素为数控机床基本的动作要素和能耗单元，已建立动素功率模型。需建立活动与动素间的映射关系单凭一个独立的活动并不能建立其与动素的关系，当前活动及其紧前活动可以共同确定一种加工状态，而此加工状态对应的动素则可唯一确定。因此，活动与动素间的映射关系需要以加工状态为桥梁建立。加工状态：表示数控机床在满足某些条件，执行某活动时的状态。建模方法1.建立活动与加工状态间的映射关系和映射规则；2.建立加工状态与动素间的映射关系和映射规则；3.基于1和2建立活动与动素间的映射关系及关系矩阵。注:0表示动素未执行;1表示动素处于执行状态活动与动素间的映射关系1

活动-动素关系矩阵建模方法数学模型ti

为活动i的持续时间。由实际加工过程和机床性能参数决定。

快速定位持续时间

切削进给持续时间

自动换刀持续时间

数控机床手册中可查

……动素功率矩阵可基于前文提到的动素功率模型构建。pij

为活动i对应的动素j的功率

活动时间矩阵

动素功率矩阵23建模方法活动-动素关系矩阵活动时间矩阵动素功率矩阵动素时间矩阵动素能耗机械加工工艺过程能耗:数学模型123小结将动素引入能耗建模问题，提出一种基于动素的机械加工工艺过程能耗建模方法;动素的引入为机械加工工艺过程能耗改善和优化奠定基础；为低碳制造提供基础能耗数据。通过实验研究，进一步提高材料切削功率模型计算精度。通过动素嵌入式价值流图实现机械加工工艺过程能耗改善和优化。参考文献[IEA,2007]InternationalEnergyAgency(IEA).TrackingIndustrialEnergyEfficiencyandCO2Emission,OECD/IEA,Paris,2007.[国家统计局能源统计司,2011]国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2010[M].北京:中国统计出版社,2011.[路甬祥,2010]

路甬祥.走向绿色和智能制造—中国制造发展之路[J].中国机械工程,2010,21(4):379-386.[中国机械设备网,2011]

中国机械设备网.解析：中国机床行业绿色制造的必然性[EB/OL].2011-12-23./show-71058/.[中华人民共和国国务院新闻办公室,2011]中华人民