機(jī)械加工制造過程能耗優(yōu)化方法研究

趙連柱

制造業(yè)生產(chǎn)過程就是對(duì)資源轉(zhuǎn)億成為產(chǎn)品或服務(wù)，在此過程中勢(shì)必造成大量能量的消耗，機(jī)械加工屬于制造韭之中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如何能夠?qū)崿F(xiàn)能耗優(yōu)化，節(jié)省資源，是本研究中探討的重點(diǎn)。機(jī)械加工制造環(huán)節(jié)能耗優(yōu)化方案主要從以下幾個(gè)方面開展。

機(jī)械加工 制造 能耗

能量對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響巨大，國際能源價(jià)格變動(dòng)的情況下，使得全球能源競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)加強(qiáng)，尤其是當(dāng)前階段，能源主體仍然使用的是化石燃料。同時(shí)全球氣候問題以及環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，世界上各國均采取積極方法應(yīng)對(duì)，機(jī)械加工制造過程中能耗優(yōu)化則成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)，希望通過本研究能夠?qū)ξ磥砑夹g(shù)優(yōu)化與發(fā)展提供借鑒和幫助。

制造過程能耗定量計(jì)算

機(jī)械加工制造過程能耗所形成的定量計(jì)算是有效開展節(jié)能優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)的前提，因?yàn)闄C(jī)床本身屬于機(jī)械加工環(huán)節(jié)的好能行資源，為此，本研究從機(jī)械產(chǎn)品零件的制造環(huán)節(jié)的單臺(tái)機(jī)床所產(chǎn)生的能耗構(gòu)成以及影響因素加以分析。隨后，單臺(tái)機(jī)床所具有的能耗特性加以分析，并在合理利用的基礎(chǔ)上建立機(jī)床能耗模型，以此對(duì)后續(xù)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助。

機(jī)床設(shè)備能耗特性分析

（1）時(shí)間維度

能耗屬于功率函數(shù)通過時(shí)間域形成的積分，為此，能耗特性決定了其本身無法脫離時(shí)間維度。設(shè)備能耗結(jié)合是否加工工件能將能耗劃分為時(shí)間段能耗以及非甲供時(shí)間段能耗。

因此，有定義為：加工時(shí)間，為工件在進(jìn)人工位之后，實(shí)施加工工序，從準(zhǔn)備開始階段到工件完成加工，并回復(fù)加工工位至初始條件的全部時(shí)間。

由此可知，機(jī)械加工為了進(jìn)行能耗優(yōu)化，在計(jì)算能耗的過程中加工時(shí)間主要包括了工件裝載以及卸載時(shí)間即可；對(duì)于非加工時(shí)間段，則對(duì)待機(jī)能耗進(jìn)行計(jì)算。

（2）機(jī)床能量流分析

結(jié)合機(jī)床能耗功率情況分析，風(fēng)扇電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)以及冷卻泵等幾個(gè)部件的能耗固定不變，屬于固定能耗，主軸電機(jī)以及進(jìn)給軸電機(jī)則屬于驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具體包括了材料切削能耗以及變化能耗。這當(dāng)中。加工環(huán)節(jié)主軸以及進(jìn)給軸一般情況會(huì)在差別速度條件下運(yùn)行，但是一旦給定速度，則其產(chǎn)生功率也保持不變，因此可視為常數(shù)。對(duì)維持主軸以及進(jìn)給軸根據(jù)工藝參數(shù)所形成的能耗視為裱花能耗。機(jī)床帶動(dòng)刀具實(shí)施切削工序，并負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，電動(dòng)機(jī)以及機(jī)械電動(dòng)系統(tǒng)都需要形成能量損耗，因此，材料切削能耗之中除了包括去工件部分形成的能耗，也包括負(fù)載本身的能耗。

機(jī)械加工制造過程能耗計(jì)算模型

（1）模型假設(shè)

通過分析加工時(shí)間的定義可知，工件任一工序通過機(jī)床上加工時(shí)間.除了有機(jī)械加工輔助時(shí)間，還包括了工藝過程的時(shí)間。輔助時(shí)間內(nèi)因?yàn)闄C(jī)床是在待機(jī)，則可以使計(jì)算部分僅需要對(duì)實(shí)踐信息進(jìn)行關(guān)注即可。

能耗屬于功率在時(shí)間值上形成積累，功率大，但是持續(xù)時(shí)間如果相對(duì)較短，則積累計(jì)算的能耗值也將會(huì)較小。功率小，但是持續(xù)時(shí)長則能耗也將會(huì)較大。為此，在進(jìn)行能耗比較的過程中，可以分析加工工藝環(huán)節(jié)的子過程時(shí)間段特征。

與機(jī)械加工技術(shù)環(huán)節(jié)的功率曲線所呈現(xiàn)的平穩(wěn)段對(duì)比分析，則機(jī)械加工操作處在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，則可以對(duì)機(jī)械加工工藝稱之為活動(dòng)。工藝過程中功率曲線所能夠達(dá)到的峰值也屬于瞬態(tài)的。由此，結(jié)合機(jī)械加工環(huán)節(jié)形成的功率變化情況，通過時(shí)間軸則能夠?qū)C(jī)械加工以及工藝流程分解作為系統(tǒng)性的活動(dòng)轉(zhuǎn)移。功率軸當(dāng)中，則活動(dòng)以及活動(dòng)轉(zhuǎn)移功率均能夠被理解為是機(jī)床當(dāng)中不同能耗產(chǎn)品在多種運(yùn)動(dòng)條件下形成的功率組合。

（2）假設(shè)分析

展示零件加工能耗預(yù)測(cè)值以及實(shí)際值，通過對(duì)比則可以知道加工工序能耗屬于貫穿整個(gè)活動(dòng)的主體，綜合活動(dòng)轉(zhuǎn)移能耗情況在提升機(jī)械加工技術(shù)過程能耗的預(yù)測(cè)精度對(duì)比，實(shí)際提升比例十分有限，僅有6.5%。本研究中對(duì)機(jī)械加工制作能耗優(yōu)化問題進(jìn)行分析，并對(duì)產(chǎn)品制造過程中能耗問題進(jìn)行計(jì)算模型的設(shè)計(jì)。除了要前述中條件，還需要提出假設(shè)：

1.機(jī)床彼此之間完全獨(dú)立，且機(jī)床在相同時(shí)間均只能完成單獨(dú)一道工序；

2.加工任務(wù)之中所有工序只能夠選擇其中任一臺(tái)完成，同時(shí)加工開始將不能夠中斷。

3.工序加工時(shí)間則通過輔助時(shí)間以及工藝時(shí)間兩部分構(gòu)成，同時(shí)，加工與工序之間并不發(fā)生關(guān)系。

4.不需要考慮在生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的故障問題。

綜上所述，本研究針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的零件加工制造工藝下的能源消耗問題進(jìn)行分析，通過深入了解低碳制造技術(shù)以及生產(chǎn)調(diào)度集成相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步探索工藝能耗的合理性問題，向通過本研究能對(duì)降低由于機(jī)械制造能耗造成的二氧化碳排放，降低對(duì)環(huán)境造成的壓力。希望通過本研究能夠?qū)ξ磥砑夹g(shù)發(fā)展提供借鑒和幫助。

[1]范卓鄢威.張華.基于幾何特征的工件加工能耗預(yù)測(cè)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017（ 11）：36-40.

[2]周曉娜.離散制造業(yè)產(chǎn)品制造能耗限額制定的解決方案研究[D].重慶大學(xué)，2016.

[3]李林.數(shù)控加工過程能耗優(yōu)化及（火用）損失評(píng)價(jià)方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]張中偉.機(jī)械加工制造過程能耗優(yōu)化方法研究[D].浙江大學(xué)，2016.