离散制造业,量大面广、能耗总量巨大而能效普遍很低,提升离散制造业能量效率已成为绿色制造的重要战略。作为离散制造业的典型制造装备,机床具有能量消耗特性复杂且能效提升潜力很大等特点,其能效研究在国际上迅速兴起。开发高能效机床和机床高能效服役是机床用户提升机床能量效率的两大途径。但是,现有机床能效研究主要集中在机床高能效服役方面,而对如何开发高能效机床的研究还远不够,特别是还缺乏如何揭示机床与生俱来的能量消耗特性以开发高能效机床的研究。为此,本文在国家自然科学基金等项目的支持下,提出采用固有能效要素反映机床与生俱来的能量消耗特性,并对机床固有能效要素的构成、建模、获取方法以及其应用进行了研究,主要工作如下:对机床固有能效要素的构成与建模进行了研究。分析了机床多源多层能耗特性、时段能耗特性以及载荷损耗特性等三种固有能耗特性,揭示了机床待机时段、加工准备时段、空载时段以及加工时段等四个能耗时段的固有能效要素构成,建立了各能耗时段固有能效要素的通用模型,并由此建立了机床固有能效要素的构成框架。对机床固有能效要素中关键要素——载荷损耗函数的获取方法进行了研究。首先,提出了基于功率传递视角的机床载荷损耗函数获取方案;然后,建立了基于变频器基础参数的变频器功耗模型和基于电机基础参数的主轴电机功耗模型,并由此推导出了描述机床载荷损耗特性的载荷损耗函数理论模型;基于此,提出了通过计算获取载荷损耗系数来获取机床载荷损耗函数的方法;之后,通过实验验证和案例研究分析了所建模型的精度和实用性。对机床固有能效要素智能化综合获取方法进行了研究。针对固有能效要素检测过程困难、检测数据不全、数据处理繁杂等问题,首先提出了智能化综合获取机床固有能效要素的思路及流程;然后建立了固有能效要素检测实验设计、检测过程数控程序自动生成以及检测数据自适应建模和获取等关键技术,并设计开发了机床固有能效要素智能化综合获取支持系统,最后通过案例研究分析了上述方法和系统的可行性和实用性。对固有能效要素在机床开发阶段和服役阶段能效研究中的应用进行了研究分析,建立了机床固有能效要素在机床开发和服役阶段的应用框架,并系统性地分析了固有能效要素的应用研究内容与方向,并对机床开发和机床服役两个应用方向规划了如下两个应用研究问题。对第一个应用研究问题——基于固有能效要素的机床开发阶段能效评估问题进行了研究。首先,通过建立基于固有能效要素的机床开发方案关联参数模型和面向预期任务的当量工件关联参数模型,导出了反映机床各开发方案完成企业预期任务能量效率表现情况的能效潜力评估模型;然后,通过基于能效潜力评估的高能效机床选择案例验证上述能效评估模型的可行性和实用性。对第二个应用研究问题——基于固有能效要素的机床服役阶段能量效率获取与评价问题进行了研究,建立了基于固有能效要素的机床服役阶段实时能量效率获取方法和能量效率精细评价方法;分析了基于所提实时能量效率获取方法和精细评价方法的集成应用系统。以上机床固有能效要素的构成、建模及获取方法研究可为机床能效研究提供基础理论和基础技术支持;同时,固有能效要素在机床服役阶段和开发阶段的应用研究,可为攻克量大面广的机床能量效率提升问题提供应用技术支持,具有较广阔的应用前景。

再制造技术作为发展循环经济的重要技术,具有良好的节能、节材、环保等特点。然而,制约再制造发展的一个关键难题就是再制造毛坯的不确定性问题,再制造的毛坯不确定问题表现在再制造毛坯件的数量、质量参差不齐,企业只能被动地、单件地、个性化地对这些毛坯进行再制造,导致其判断过程复杂、工艺效率低下。因此,研究“主动的”再制造时间决策对于再制造技术应用与发展具有重要意义。基于此,本文结合国家自然科学基金项目“废旧零部件再制造性评估与再制造方案决策方法研究,NO.51605347”和“机械加工制造系统固有能效属性及其优化创建方法研究,NO.51775392”对废旧机电产品的再制造时域决策展开了系统的研究,研究的内容主要包括:（1）根据主动再制造与服役周期之间的关系,阐述主动再制造的含义,分析主动再制造的重要特征;提出一种基于可靠性分析的主动再制造时域区间确定方法,并结合实例证明其有效性与可行性。（2）分析基于时均能耗与时均成本的废旧机电产品主动再制造最佳时机理论基础;建立用表征废旧机电产品的退化性能特征值预测时均能耗与时均成本关于时间的映射函数;该预测模型方法主要包含:基于最小二乘支持向量机（least squares support vector machine,LS-SVM）预测模型,以及最小二乘孪生支持向量机（least squares twin support vector machine,LST-SVM）的非线性函数拟合;同时考虑时均能耗与时均成本在服役周期内的冲突关系,结合博弈论思想确定废旧机电产品的主动再制造最佳时机。（3）在上述研究的基础之上,提出基于可靠性的主动再制造系统原型设计。本文以主动再制造系统为研究对象,构建基于可靠性分析的主动再制造服务系统原型框架。通过对系统结构、系统功能及相关数据库等方面的设计,实现模块化的主动再制造服务系统原型设计。

零件加工过程中存在能源消耗大、能源利用率低的问题,对加工能耗的预测研究,不仅能降低单位产品能耗,还为能源精细化管理提供数据支持。依托国家自然科学基金“机械加工制造系统固有能效属性及其优化创建方法研究”（编号51775392）对工件能耗属性及加工能耗进行研究,本文提出利用零件设计/加工特征协同实现加工能耗预测的方法,主要内容如下:首先,将零件特征按照设计特征和加工特征进行分类阐述,为了更便利的获取零件特征信息,选用SolidWorks作为零件特征提取的平台,在分析零件特征之间的关系属性、SolidWorks设计特征的基础上,采用基于痕迹的特征识别方法,获取零件特征模型。其次,将零件加工能耗以设计特征和加工特征为载体展开分析,建立设计/加工特征与能耗特性的协同关系,分析零件加工过程中,不同工作状态能耗单元间的关系,并建立零件加工过程的能耗模型。然后,结合零件特征与能耗特性间的映射关系,分析零件加工过程能耗影响因素与加工能耗之间的灰色关联度,采用指数平滑法,以灰色关联度代替时间序列修正零件加工能耗,构建面向零件特征的加工过程能耗预测模型,并以某零件为例说明该方法的有效性。最终,结合零件特征提取与灰色关联分析法预测加工能耗的过程,开发面向特征的零件加工能耗预测系统,详细介绍系统的框架、功能模块、工作流程和页面展示。

随着环境问题的重要性日益提高,制造企业逐渐意识到环境管理对于保持竞争优势的战略意义,如何在保证生产过程环保的同时又不损害其盈利能力,是目前制造企业亟待解决的难题。已有研究和实践表明精益制造和绿色制造能对企业的经济、环境效益产生积极影响,是解决这一难题的有效手段。然而,现有文献和实践案例对这两种手段的分歧和趋同研究较少,难以界定影响程度,形成协同的方法,本研究分析它们之间存在的集成效应以及协同机制进行研究,在理论和实际应用层均具有重大意义。基于此,本文在国家自然科学基金“机械加工制造系统固有能效属性及其优化创建方法研究（编号:51775392）”等项目的资助下,对精益绿色制造系统集成效应、系统扩散和实践方法集成协同如何对制造企业的运营绩效产生影响,以及对产生集成协同机制的影响、驱动因素和集成协同融合程度展开研究,并对其集成协同管理体系、应用路径和评价体系等实现路径进行设计,为促进制造企业可持续发展提供有利支撑。本文的主要研究内容如下:精益绿色制造系统集成效应对制造企业运营绩效影响分析。提出了基于田口试验设计法、测量精益浪费分析法、“3R”技术的精益绿色制造系统对固体废物消除绩效的影响程度,证实精益与绿色制造的兼容性和协同作用;提出了精益绿色制造标杆管理模型（LGMB）和数据包络分析（DEA）方法的精益绿色制造系统对企业绩效集成协同作用的评估方法;通过对15家制造企业的实证分析,对上述方法进行验证。精益绿色制造系统扩散到同行业和供应链对制造企业运营绩效的影响分析。提出了精益绿色制造系统扩散绩效评估框架,建立了基于创新扩散理论（IDT）的扩散三阶段过程对绩效的影响结构假设与平衡计分卡（BSC）四个维度之间的绩效输出关系,并利用偏最小二乘法（PLS）对精益绿色制造系统实施产生影响关系进行实证分析。精益绿色制造系统实施方法研究。建立了制造企业精益绿色层次结构,提出了基于模糊网络层次分析法（FANP）和模糊复杂比例分析法（Fuzzy-COPRAS）的企业精益和绿色实践对生产过程效率提升和能源优化影响评估方法;构建了精益绿色制造系统实践方法集成管理框架,对企业现有运营系统进行整合;并通过某汽车企业和基于碳效率的价值流程图应用案例对上述理论与方法进行验证。精益绿色制造系统协同机制研究。以企业内因——人员为切入点,提出了基于网络层次分析法（ANP）和解释结构模型（ISM）技术的人员跨部门协同目标评价指数与障碍因素分析方法;从利益相关者角度提出了基于决策实验室技术（DEMATEL）方法的精益绿色制造系统实施的主要驱动因子和影响因素;为有效评价精益绿色系统集成协同融合的程度提出了制造企业精益绿色能力成熟度模型（LGCMM）框架,建立了制造企业精益绿色集成协同（LGS）数学模型,对制造企业精益绿色系统实施水平成熟度进行评估。为研究制造企业精益绿色系统集成协同运行的实现路径,归纳总结出在中国制造企业应用精益绿色制造来实现可持续运营的具体策略和路径,并进一步逻辑推演出具体框架体系。该运行体系从战略、运营、操作三个层面系统结合而成,并包含一系列新的思想、观念和工具来指导制造企业成为精益绿色企业,进一步实现可持续发展。

机床作为机械制造业的设备主体和能耗主体,量大面广,能量消耗总量巨大,能量利用率很低,能效提升潜力很大;因此,机床能效研究意义重大。现有机床能效研究主要集中在机床加工过程能量效率（又称机床运行能量效率）的研究上,已取得了大量研究成果;但是,对机床自身的、影响机床加工过程能量效率的特性研究还不够,致使有些重要问题尚未解决。为此,本文结合国家高新技术研究发展计划（863计划）课题和国家自然科学基金等项目,对机床自身所固有的、影响加工过程能量效率的特性进行了研究,具体内容如下:对机床固有能效属性的内涵及其评价指标体系进行了研究。首先,综合分析了机床自身运行的能量消耗特性及其对未来千变万化加工过程能量效率的影响,提出了机床固有能效属性概念;然后,揭示了机床固有能效属性的内涵,即反映机床自身运行能耗特性及其在未来千变万化加工过程中的综合能效特性;基于此,提出了一套由固有能耗特征评价指标群和当量能耗及能效评价指标群组成的机床固有能效属性评价指标体系。对机床固有能效属性的评价方法进行了研究。首先,分析了现有能效评价方法中存在实体测试样件能耗特征不全、评价结果严谨性不够以及切削试验测试繁琐等问题;鉴于此,提出了表征机床自身运行能耗特性及其在未来千变万化加工过程中综合能效特性的虚拟工件,以及基于虚拟工件的机床固有能效属性评价方案;然后,建立了虚拟工件的描述方法和创建方法,并提出了基于虚拟工件的机床固有能效属性评价指标获取方法;最后,通过案例研究,验证了上述方法的可行性和实用性。对机床固有能效属性评价精度的提升方法进行了研究。分析了机床固有能效属性评价指标体系获取方法及获取精度,提出了基于虚拟工件和实体样件结合（即虚实工件）的机床固有能效属性评价精度的提升方案;建立了虚实工件中实体样件的设计方法,并由此提出了基于虚实工件的机床固有能效属性评价指标获取方法;最后,通过案例研究验证了上述方法的可行性。基于上述理论和技术方法,对机床固有能效属性评价支持系统进行了设计开发,并研究分析了其应用前景。以上研究能够为高能效机床设计、高能耗机床节能改造以及高能效机械加工车间创建等提供一套机床能效评价指标体系和评价方法,具有广阔的应用前景。

机械制造业是国民经济最重要的基础产业,也是实现节能降耗的重要途径。但随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧,迫切需要对其进行能源优化。磨削作为制造业应用最广泛的精密加工方式之一,降低其能量消耗已成为越来越多学者的关注点。本文针对数控无心磨削这一高能耗加工方式,对数控无心磨床加工能耗特性和无心磨削参数的优化进行了研究。主要研究内容包括:首先,分析数控无心磨床能耗来源并阐述了磨床加工时的能量流程。结合磨床的实际生产状态,将磨床磨削加工分为启动状态、待机状态、空载状态和磨削加工状态,对四种状态下的耗能部件进行分析并建立了磨床的功率平衡方程和加工能耗模型。其次,在分析单个磨粒的磨削加工机理的基础上,建立了依赖时间变化的磨削力模型。以砂轮转速、导轮转速、粗磨进给率、精磨进给率、粗磨时间和精磨时间为优化变量,建立以最小能耗和最短加工时间为目标的优化模型。然后,对蜜蜂进化型遗传算法进行改进并应用于参数优化,求解的最优工艺参数能够优化数控无心磨削加工的能量消耗和加工时间,通过案例研究表明了新型算法具有较快的收敛速度和求解精度。综合以上研究,利用SQL Server等软件开发了一套数控磨削加工参数优化支持系统。在搭建基本支持层、应用服务层和用户交互层的基础上,对各类模块进行设计,并结合案例介绍了系统的运行流程。

制造业高能耗、高污染、高排放的粗犷型发展模式,是我国制造业当前升级转型亟待解决的严峻问题,随着制造业数控化率的持续攀升,迫切需要探索制造业的重要组成部分数控加工系统的能量消耗特性与规律,形成新的能效提升方法和技术,实现制造业绿色发展转型升级。数控加工系统量大面广、能量消耗总量巨大,但能量效率普遍很低,因此,对数控加工系统能效问题的研究正在全球迅速兴起,现有研究主要集中在加工系统服役阶段的能效方面,虽已取得大量研究成果,但涉及反映和评价数控加工系统自身的与实际加工过程无关的能量效率特性的研究还较少,而数控加工系统设计创建阶段对未来使用过程的能耗、能效也有较大影响,是当前迫切需要研究的问题。为此,本论文结合国家自然科学基金和国家高技术研究发展计划（863计划）等课题项目,以典型数控加工系统-数控铣削系统为研究对象,对产生于加工系统设计和组建阶段（即创建阶段）的固有能量效率的特性、模型和评价展开系统研究,以期望为数控加工系统的能效研究拓展新的研究思路和方法。提出数控铣削系统“固有能耗”和“固有能效”的概念,并从宏观和微观两个角度对其内涵进行了表述;构建了由多特征因素组成的固有能耗评价指标,并对其特性进行了分析;进而,建立了反映固有能效特性的固有能量利用率、固有比能的评价指标,并对其创建方法进行了概述。在此基础上,进行了案例分析。而后,进一步构建了包含固有待机能耗、固有启动能耗、固有空载能耗、固有切削能耗四个单项指标和固有能量利用率、固有比能两个综合评价指标构成的数控铣削系统固有能耗和固有能效评价指标体系,进而分别建立了表征数控铣削系统固有能耗和固有能效的宏-微数学模型,并给出了模型中相关参数的量化及获取方法;随后,提出了一种面向高固有能效的数控加工系统创建方法框架。在此基础上,通过案例研究验证了本章节所建固有能效模型在实际加工过程中的应用。然后,本论文以数控铣削系统固有能效宏-微模型研究为基础,阐述了基于固有能耗宏-微模型的工件标准能耗限额的内涵以及制定方法;进一步结合固有能效宏-微模型,制定了能效信息卡和能效标识,建立了数控铣削系统的能效评级体系,提出了一种基于能效比的数控铣削系统能效等级评定方法;并通过案例研究验证了工件标准能耗限额制定方法以及数控铣削系统能级评定方法在实际加工过程中的应用。围绕以上研究内容,本论文利用相关研发工具,开发了一套针对数控铣削系统固有能量效率预测与应用的支持系统,并结合XK714D型加工中心在铝合金制品加工企业中的实际加工数据对该系统的应用情况进行了阐述,结果表明该系统可实现对数控铣削系统固有能耗和固有能效的预测与评价,对工件标准能效限额和数控铣削系统能效等级的制定与评估,相关成果可为数控铣削系统能耗主体-数控铣床自身能量效率的评价、高固有能效的数控加工系统的创建以及制造企业节能降耗目标的完成提供技术支持,具有较广阔的应用前景。