隨著全球氣候變暖和能源資源的不斷消耗,各國政府和學(xué)術(shù)界逐漸意識(shí)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的重要性,并且開始探索節(jié)能低碳的可持續(xù)發(fā)展模式,如何降低制造過程能源消耗和溫室氣體排放是工業(yè)企業(yè)面臨的重要問題。因此,對制造過程的低碳優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)制造過程低碳化的重要環(huán)節(jié),也是實(shí)現(xiàn)低碳制造的重要研究內(nèi)容。車削加工作為重要的金屬切削加工方法,對其加工過程的碳排放量化及低碳優(yōu)化有著重要的意義。本文對數(shù)控車削加工系統(tǒng)的碳排放特性進(jìn)行了研究與分析,并建立了其碳排放評估函數(shù),結(jié)合車削成本函數(shù),構(gòu)建了基于碳效益的數(shù)控車削切削參數(shù)優(yōu)化模型,并應(yīng)用遺傳算法對其進(jìn)行求解,最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性,同時(shí)開發(fā)了數(shù)控車削切削參數(shù)低碳優(yōu)化系統(tǒng)人機(jī)界面,為數(shù)控車床的低碳優(yōu)化提供了技術(shù)支持。首先對數(shù)控車削加工系統(tǒng)的碳排放碳源特性進(jìn)行研究分析,將數(shù)控車削加工系統(tǒng)的碳排放分為切削碳排放和輔助碳排放。針對切削碳排放,辨析出了數(shù)控車削加工系統(tǒng)的各個(gè)主要耗能子系統(tǒng),并基于此建立起相應(yīng)的碳排放評估函數(shù)。針對輔助碳排放,在分析了數(shù)控車削加工系統(tǒng)所需的各個(gè)輔助系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,建立起了相應(yīng)的碳排放評估函數(shù)。最終構(gòu)建出了整個(gè)數(shù)控車床系統(tǒng)的碳排放評估函數(shù)。結(jié)合影響數(shù)控車削加工碳排放的各個(gè)因素,以數(shù)控車削機(jī)床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)碳排放作為其切削碳排放主要計(jì)算依據(jù),對數(shù)控車削加工系統(tǒng)碳排放評估函數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步詳解,構(gòu)建了實(shí)際的數(shù)控車削加工過程的碳排放數(shù)學(xué)模型,結(jié)合車削制造加工過程的成本計(jì)算模型,提出了碳效益(Carbon Efficiency,CE)評價(jià)指標(biāo),該指標(biāo)綜合考慮了碳排放及成本對切削參數(shù)的影響,以該指標(biāo)作為數(shù)控車削參數(shù)低碳優(yōu)化目標(biāo),以機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度為優(yōu)化變量,以機(jī)床特性約束、零件加工要求約束等作為約束條件,建立了面向碳效益的數(shù)控車削機(jī)床加工參數(shù)低碳優(yōu)化模型。針對所構(gòu)建的數(shù)控車削切削加工參數(shù)低碳優(yōu)化模型,采用遺傳算法對其進(jìn)行求解,通過實(shí)驗(yàn)對比優(yōu)化前后的切削參數(shù),結(jié)果表明優(yōu)化后的參數(shù)使車床的碳排放和加工成本均有所降低,驗(yàn)證了模型的有效性。最后,結(jié)合上述研究成果,使用Visual Basic 6.0軟件開發(fā)了面向碳效益的數(shù)控車削切削參數(shù)優(yōu)化人機(jī)交互界面,為車削參數(shù)的選取提供了技術(shù)支持。
【學(xué)位單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG519.1
【部分圖文】：

圖 1.1 能源消費(fèi)情況Fig.1.1 The situation of energy consumption機(jī)械加工業(yè)作為制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，為制造業(yè)的其他部門提供裝備基礎(chǔ)，是整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是整個(gè)制造業(yè)資源消耗與碳排放的主要源頭。因此，積極推進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的低碳化進(jìn)程，是在應(yīng)對全球氣候變暖的新形勢下，我國機(jī)械制造領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢、新挑戰(zhàn)。在推進(jìn)我國機(jī)械工業(yè)低碳化進(jìn)程中，亟需相關(guān)的基礎(chǔ)理論及先進(jìn)技術(shù)的支撐。碳排放是度量機(jī)加工過程資源消耗的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，把碳排放數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)優(yōu)化過程中的一項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)，并與 CAD/CAM/CAPP 等計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)相結(jié)合以支持產(chǎn)品低碳化開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)低碳化的發(fā)展趨勢之一。資源消耗行為將直接決定整個(gè)機(jī)加工制造過程的碳排放特性，2009 年 9 月，第 26 屆國際制造會(huì)議在愛爾蘭都柏林大學(xué)召開，大會(huì)把“能源效率與低碳制造”作為會(huì)議的主題并提出“為了確保制造業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展，必須準(zhǔn)確評價(jià)制造過程與系統(tǒng)的能量消耗狀況”[5]。因此，如何理解、識(shí)別整個(gè)制造生產(chǎn)過程全工藝碳排放狀況、機(jī)理以及揭示制造加工系統(tǒng)及過程碳排放特性，碳源分布及流量、碳排放全過程變化規(guī)律，是當(dāng)前迫切需要解決的一個(gè)研究問題。

圖 4.2 遺傳算法工具Fig.4.2 Genetic algorithm tools為了使用遺傳算法工具箱，必須首先將想要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)編寫一個(gè) MATLA可識(shí)別的 M 文件，即適應(yīng)度函數(shù)，將本文的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)編寫成 M 文件后，還需按照 MATLAB 軟件的要求，在其指定的路徑的目錄中保存好該文件。然后進(jìn)入遺傳算法的 GUI 界面，輸入適應(yīng)度函數(shù)、優(yōu)化變量個(gè)數(shù)、邊界條件等參數(shù)，點(diǎn)擊“start”按鈕，算法即開始運(yùn)算，并在圖中所示的窗格中顯示運(yùn)算結(jié)果。4.3 模型驗(yàn)證與分析4.3.1 模型參數(shù)設(shè)置為了驗(yàn)證優(yōu)化模型的有效性，擬采用重慶第二機(jī)床廠的 C2-6136HK 型數(shù)控車床車削加工材質(zhì)為鈦合金（TC4）的棒料，通過測量優(yōu)化前后所對應(yīng)的切削力值，通過式（3.7）可求得其切削加工功率大小，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際切削時(shí)間和電能碳排放因子求出實(shí)際切削碳排放大小，與優(yōu)化結(jié)果中的切削碳排放進(jìn)行對比分析說明該模型的有效

圖 4.3 算法收斂圖Fig4.3 The algorithm convergence graph通過遺傳算法優(yōu)化后得出的結(jié)果如表 4.3 所示：表 4.3 優(yōu)化結(jié)果Tab.4.3 The optimization results機(jī)床轉(zhuǎn)速/(r/min) 進(jìn)給量/(mm/r) 背吃刀量/mm 碳排放/g 成本/元637.654 0.257 0.8352.5 5.5812699.114 0.143 0.4表 4.3 中，總的碳排放為 352.5g（其中切削碳排放為 331.7g）。優(yōu)化后的碳排放工成本均有明顯降低，其中碳排放比經(jīng)驗(yàn)結(jié)果降低了 12.42%，加工成本比經(jīng)驗(yàn)降低了約 20%。優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2838088