本發(fā)明涉及一種構(gòu)建車削參數(shù)優(yōu)化模型的方法，屬于低碳制造研究技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2015年9月21日發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》的論文《持續(xù)增長的二氧化碳排放總量對(duì)達(dá)成氣候造成影響》顯示，2013年，全球的二氧化碳排放量再創(chuàng)歷史新高，達(dá)到361億噸左右。其中，中國排放二氧化碳100億噸，美國52億噸，歐盟28國35億噸，印度24億噸。這意味著，當(dāng)年中國的碳排放超過美國和歐盟的總和，占世界總排放量的近3成。根據(jù)美國能源情報(bào)署(eia)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年中國能耗為112.914×10¹⁵千焦，co2排放為8.38144×10⁹噸，其中工業(yè)能耗占比為71.3％；同比美國的能耗為103.703×10¹⁵千焦，co2排放為5.6006×10⁹噸，工業(yè)能耗占比為30％。可見，我國已成為全球能源消耗及二氧化碳排放大國，其中，根據(jù)2014年我國各個(gè)行業(yè)能源消耗情況統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)能源消耗達(dá)57.55％，是我國碳排放的主要來源。因此，制造業(yè)的高速發(fā)展是造成我國整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗與碳排放激增的主要原因，制造業(yè)亟需實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

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)低碳化進(jìn)程，是在應(yīng)對(duì)全球氣候變化新形勢(shì)下，我國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)新挑戰(zhàn)。

在全球氣候變化壓力以及各國紛紛提出碳排放減排具體承諾指標(biāo)的背景下，低碳制造的研究已成為新的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)并受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注，關(guān)于工藝過程的能效及碳排放的定量計(jì)算、碳排放減量化理論及技術(shù)的研究尤為受到關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種構(gòu)建基于碳效益的車削參數(shù)優(yōu)化模型的方法，以解決我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗與碳排放激增的問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種構(gòu)建基于碳效益的車削參數(shù)優(yōu)化模型的方法，其特征在于：基于車削加工切削碳排放和加工成本的情況分析，建立了一個(gè)涵蓋碳排放估算目標(biāo)、成本目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并引入碳效益的概念作為度量指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)車削參數(shù)碳效益優(yōu)化，并針對(duì)該多目標(biāo)問題，根據(jù)機(jī)械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優(yōu)解。以工步為單元，其模型如下：

其中fe為電能碳排放因子(kgco2e/kwh)，pu為空載功率(kw)，tp為加工總時(shí)間(min)，bm為附加載荷損耗系數(shù)，pc為車削功率(kw)，tc為車削加工時(shí)間(min)，n為刀具刃磨次數(shù)，t為刀具壽命(min)，為刀具材料碳排放因子(kgco2e/kg)，為刀片質(zhì)量(kg)，tc為切削液更換周期(min)，為切削液碳排放系數(shù)(kgco2e/l)，為切削廢液處理碳排放系數(shù)(kgco2e/l)，為加工過程切削液用量(l)，δ為切削液濃度，σ表示金屬切屑回收率，為零件原材料碳排放系數(shù)(kgco2e/kg)，為金屬切屑回收過程的碳排放系數(shù)(kgco2e/kg)，為切屑質(zhì)量(kg)；em—機(jī)床折舊成本率，ee—電能消耗成本率，el—?jiǎng)趧?dòng)力成本率，ct—刀具使用成本(元)；c表示被加工零件的售價(jià)或該工序?qū)τ诒患庸ち慵蹆r(jià)的貢獻(xiàn)值(元)，ce表示車削加工總的碳排放(kgco2e)，ct表示車削加工總的成本(元)；fc.max為該工步所使用的刀具所承受的負(fù)載的最大允許值(n)；pmax為該工步所使用的機(jī)床的最大功率(w)，η為傳動(dòng)效率；vcmin為最小允許切削速度(m/min)，vcmax為最大允許切削速度(m/min)；fmin最小允許進(jìn)給量(mm/r)，fmax最大允許進(jìn)給量(mm/r)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

提供一種構(gòu)建基于碳效益的車削參數(shù)優(yōu)化模型的方法，對(duì)于產(chǎn)品制造過程碳排放優(yōu)化及節(jié)約成本都有著至關(guān)重要的作用，有利于減少工業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體的排放，改善環(huán)境；

本方法在傳統(tǒng)工藝規(guī)劃目標(biāo)基礎(chǔ)上引入了碳排放規(guī)劃目標(biāo)，與傳統(tǒng)工藝規(guī)劃目標(biāo)構(gòu)建了一個(gè)多目標(biāo)函數(shù)，引入了多個(gè)約束條件，包括切削力約束、切削功率約束、進(jìn)給量約束以及切削速度約束，為面向碳效益的車削參數(shù)優(yōu)化求解限定了搜索區(qū)間。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明的實(shí)施例：一種構(gòu)建基于碳效益的車削參數(shù)優(yōu)化模型的方法，該方法中包含了碳排放目標(biāo)、成本目標(biāo)、碳效益目標(biāo)。

碳排放目標(biāo)采用車削加工過程中的能源和物料消耗作為優(yōu)化依據(jù)。車削加工過程的能源消耗包含了三個(gè)部分：車削加工能耗、空載能耗、基本能耗。切削加工能耗與所使用的加工方法及被加工材料有關(guān)，可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)庫查得；空載能耗、基本能耗則與設(shè)備相關(guān)參數(shù)有關(guān)，在已知設(shè)備相關(guān)參數(shù)時(shí)，即可通過常規(guī)已知方法進(jìn)行計(jì)算獲得。

成本目標(biāo)包含切削時(shí)間內(nèi)企業(yè)成本、為完成該工步加工任務(wù)的企業(yè)生產(chǎn)成本及切削時(shí)間內(nèi)刀具成本。

碳效益目標(biāo)直接采用被加工零件的售價(jià)或該工序?qū)τ诒患庸ち慵蹆r(jià)的貢獻(xiàn)值減去車削加工的成本再除以車削加工過程產(chǎn)生的碳排放獲得。

此外，相關(guān)約束條件應(yīng)根據(jù)相關(guān)切削手冊(cè)及所使用的設(shè)備參數(shù)確定具體數(shù)值。

根據(jù)分析，建立了一個(gè)涵蓋碳排放估算目標(biāo)、成本目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并引入碳效益的概念作為度量指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)車削參數(shù)碳效益優(yōu)化，并針對(duì)該多目標(biāo)問題，根據(jù)機(jī)械加工特征建立了一系列約束條件，以獲得最優(yōu)解。以工步為單元，其模型如下：

其中fe為電能碳排放因子(kgco2e/kwh)，pu為空載功率(kw)，tp為加工總時(shí)間(min)，bm為附加載荷損耗系數(shù)，pc為車削功率(kw)，tc為車削加工時(shí)間(min)，n為刀具刃磨次數(shù)，t為刀具壽命(min)，為刀具材料碳排放因子(kgco2e/kg)，為刀片質(zhì)量(kg)，tc為切削液更換周期(min)，為切削液碳排放系數(shù)(kgco2e/l)，為切削廢液處理碳排放系數(shù)(kgco2e/l)，為加工過程切削液用量(l)，δ為切削液濃度，σ表示金屬切屑回收率，為零件原材料碳排放系數(shù)(kgco2e/kg)，為金屬切屑回收過程的碳排放系數(shù)(kgco2e/kg)，為切屑質(zhì)量(kg)；em—機(jī)床折舊成本率，ee—電能消耗成本率，el—?jiǎng)趧?dòng)力成本率，ct—刀具使用成本(元)；c表示被加工零件的售價(jià)或該工序?qū)τ诒患庸ち慵蹆r(jià)的貢獻(xiàn)值(元)，ce表示車削加工總的碳排放(kgco2e)，ct表示車削加工總的成本(元)；fc.max為該工步所使用的刀具所承受的負(fù)載的最大允許值(n)；pmax為該工步所使用的機(jī)床的最大功率(w)，η為傳動(dòng)效率；vcmin為最小允許切削速度(m/min)，vcmax為最大允許切削速度(m/min)；fmin最小允許進(jìn)給量(mm/r)，fmax最大允許進(jìn)給量(mm/r)。