機械加工制造系統(tǒng)能效理論與技術(shù)
定 價：135 元
叢書名：國家出版基金項目·綠色制造叢書
- 作者：李聰波 劉飛 曹華軍
- 出版時間：2022/7/1
- ISBN：9787111705338
- 出 版 社：機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TH164
- 頁碼：
- 紙張：純質(zhì)紙
- 版次：
- 開本：16開
隨著能源消耗問題和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，機械加工制造系統(tǒng)能量效率（能量效率，簡稱能效）受到各國政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同關(guān)注，學(xué)術(shù)研究日益活躍。本書系統(tǒng)地論述了機械加工制造系統(tǒng)能效理論與技術(shù)，主要內(nèi)容按照機械加工制造系統(tǒng)能效基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)以及能效提升支持系統(tǒng)及應(yīng)用遞進(jìn)展開，包括機械加工制造系統(tǒng)能效模型及預(yù)測方法、能效在線監(jiān)控技術(shù)、能效評價技術(shù)、能耗限額制定技術(shù)、高能效工藝規(guī)劃技術(shù)、車間節(jié)能生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)、工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，以及能效提升支持系統(tǒng)及應(yīng)用等。
本書可作為高等院校機械工程、工業(yè)工程、管理科學(xué)與工程、環(huán)境工程等綠色制造及制造系統(tǒng)能效相關(guān)專業(yè)研究生的教材或參考書，也可供制造企業(yè)工程技術(shù)人員和管理人員參考。
隨著社會的快速發(fā)展，能源消耗和環(huán)境污染影響問題日益嚴(yán)峻，能源危機正在來臨。制造業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)增長的重要拉動力之一，但同時也是能源消耗的重要產(chǎn)業(yè)之一，2017年1月國際能源機構(gòu)發(fā)布的Annual Energy Outlook 2017指出，制造業(yè)能耗約占全球能耗的33%。制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗主體。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2017年我國制造業(yè)能源消耗占消耗總量的55%，而發(fā)達(dá)國家一般只占30%左右（美國約為34%）。自1995年到2016年，我國制造業(yè)能源消耗平均增速為5.62%，制造業(yè)能源總體消耗增加達(dá)82.54%。在能源緊缺的今天，如何在保證我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的前提下，有效地降低能源消耗、提高資源能源利用率、減少污染排放，成為我國制造業(yè)迫切需要解決的問題。
在制造業(yè)能源消耗總量中，機械加工制造過程中消耗的能源占了相當(dāng)大的比例，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。機械加工制造系統(tǒng)的能耗主體——機床量大面廣，僅我國擁有量就達(dá)1000萬臺，總量居世界第一；若按每臺機床額定功率平均為10kW計算，則總功率約為1億kW，是三峽電站總裝機容量2250萬kW的4倍多。大量統(tǒng)計調(diào)查表明，機床能量利用率非常低下，平均低于30%，麻省理工學(xué)院給出的一個例子甚至只有14.8%。因此，機床節(jié)能潛力巨大，降低其能量損耗、提高能量利用率，對節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。
機械加工制造系統(tǒng)能效研究意義重大，已成為世界制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略和學(xué)術(shù)研究熱點。研究機械加工制造系統(tǒng)能效理論與技術(shù)，對于我國機床產(chǎn)業(yè)升級、提升市場競爭力、突破全球綠色貿(mào)易壁壘具有極其重要的理論意義與應(yīng)用價值。本書作者致力于機械加工制造系統(tǒng)能效理論與技術(shù)的研究，取得了一定研究成果，并收集了大量的國內(nèi)外研究文獻(xiàn)資料，經(jīng)過總結(jié)和凝練，完成了本書的主要寫作內(nèi)容。
本書共分10章，主要內(nèi)容按照機械加工制造系統(tǒng)能效基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)以及能效提升支持系統(tǒng)及應(yīng)用遞進(jìn)展開。第1章緒論，主要介紹了制造業(yè)能耗現(xiàn)狀、機械加工制造系統(tǒng)能效研究體系框架以及能效國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第2章
機械加工制造系統(tǒng)能效模型，包括數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)能耗特性、進(jìn)給系統(tǒng)能耗特性、輔助系統(tǒng)能耗特性以及整機系統(tǒng)能效模型；第3章機械加工制造系統(tǒng)能效預(yù)測方法，包括機械加工制造系統(tǒng)比能效率預(yù)測方法、能量利用率預(yù)測方法以及附加載荷損耗能量映射預(yù)測方法；第4章機械加工制造系統(tǒng)能效在線監(jiān)控技術(shù)，重點介紹了機械加工制造系統(tǒng)能耗狀態(tài)在線監(jiān)控模型、切削能耗在線估計、附加載荷系數(shù)的離線辨識以及能效在線監(jiān)控系統(tǒng)等；第5章機械加工制造系統(tǒng)能效評價技術(shù)，主要包括能量效率評價特性、動態(tài)評價指標(biāo)體系、評價流程與評價模型等；第6章機械加工工件能耗限額制定技術(shù)，主要包括工件能耗限額特性與制定方法、基于預(yù)測的工件能耗限額及制定技術(shù)、工件精細(xì)能耗限額及制定技術(shù)、工件多目標(biāo)能耗限額及制定技術(shù)、工件動態(tài)能耗限額及制定技術(shù)等；第7章機械加工工藝高能效優(yōu)化技術(shù)，主要包括機械加工單工步、多工步工藝參數(shù)高能效優(yōu)化技術(shù)，以及刀具與工藝參數(shù)高能效集成優(yōu)化技術(shù)；第8章機械加工制造車間節(jié)能生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)，包括傳統(tǒng)作業(yè)車間單工藝路線節(jié)能調(diào)度技術(shù)、柔性作業(yè)車間多工藝路線分批調(diào)度技術(shù)，以及基于動態(tài)事件的柔性作業(yè)車間節(jié)能調(diào)度技術(shù)；第9章工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，重點介紹了面向能效的機械加工工藝參數(shù)與工藝路線、工藝路線與車間調(diào)度集成優(yōu)化技術(shù)，以及工藝參數(shù)、工藝路線與車間調(diào)度集成節(jié)能優(yōu)化技術(shù)；第10章機械加工車間能效提升支持系統(tǒng)及應(yīng)用，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計、工程應(yīng)用案例。
本書由李聰波、劉飛和曹華軍撰寫，劉霜、王秋蓮、胡韶華、易茜、李玲玲、陳行政、謝俊、劉培基、庹軍波、蔡維、郭英玲、肖溱鴿、呂巖等參與了本書內(nèi)容的研究工作。
感謝浙江大學(xué)楊華勇院士，華中科技大學(xué)邵新宇院士，中國機械工業(yè)聯(lián)合會李冬茹教授，機械科學(xué)研究總院邱城研究員，清華大學(xué)王立平教授，重慶機床（集團(tuán)）有限公司李先廣研高工，IEEE Fellow、美國的新澤西理工學(xué)院周孟初教授，美國的羅文大學(xué)唐瑛教授，英國的貝爾法斯特女王大學(xué)金巖教授等對相關(guān)研究工作給予的熱心指導(dǎo)和建議。特別感謝國家自然科學(xué)基金面上項目（51975075）、國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFF0207903）、國家科技重大專項課題（2019ZX04005-001）對相關(guān)研究的資助。本書的出版得到機械工業(yè)出版社的大力支持，在此一并表示感謝。
此外，本書在寫作過程中參考了有關(guān)文獻(xiàn)，在此向所有被引用文獻(xiàn)的作者表示誠摯的謝意。
由于機械加工制造系統(tǒng)能效理論與技術(shù)是一門正在迅速發(fā)展的新興學(xué)科，涉及面廣、專業(yè)性強，加之作者水平有限，本書許多內(nèi)容還有待完善和深入研究，對于不足之處，敬請廣大讀者批評指正，提出寶貴意見。
作 者
2020年10月
李聰波，重慶大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，入選國家“萬人計劃”青年拔尖人才、重慶市青年拔尖人才。擔(dān)任國家標(biāo)準(zhǔn)化組織機床技術(shù)委員會（ISO/TC 39）機床環(huán)境評估（ISO 14955）工作組委員、IEEE機器人與自動化學(xué)會可持續(xù)生產(chǎn)自動化技術(shù)委員會共同主席、全國綠色制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員等職。主要研究方向為綠色制造、制造系統(tǒng)能效。發(fā)表SCI論文30余篇、EI論文50余篇，出版學(xué)術(shù)專著3部，授權(quán)國家發(fā)明專利15項，參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)5項，獲重慶市科技進(jìn)步一等獎等省部級獎勵4項。
叢書序一
叢書序二
叢書序三
前 言
第1章 緒論1
1.1 制造業(yè)能耗現(xiàn)狀2
1.1.1 制造業(yè)的“能源危機”2
1.1.2 機械加工制造業(yè)節(jié)能潛力可觀5
1.1.3 機械加工制造系統(tǒng)能效研究的重要意義7
1.2 機械加工制造系統(tǒng)能效研究體系框架7
1.2.1 機械加工制造系統(tǒng)能效研究對象及范圍7
1.2.2 機械加工制造系統(tǒng)能效研究內(nèi)容體系框架9
1.3 機械加工制造系統(tǒng)能效國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10
1.3.1 機械加工制造系統(tǒng)能效理論研究現(xiàn)狀10
1.3.2 機械加工制造系統(tǒng)能效技術(shù)研究現(xiàn)狀13
參考文獻(xiàn)17
第2章 機械加工制造系統(tǒng)能效模型21
2.1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)能耗特性22
2.1.1 主傳動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)22
2.1.2 主傳動系統(tǒng)功率平衡方程22
2.1.3 主傳動系統(tǒng)多時段能量模型24
2.2 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)能耗特性27
2.2.1 進(jìn)給系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)27
2.2.2 進(jìn)給系統(tǒng)能量模型28
2.2.3 進(jìn)給系統(tǒng)空載功率特性33
2.3 數(shù)控機床輔助系統(tǒng)能耗特性34
2.3.1 輔助系統(tǒng)功率平衡方程34
2.3.2 輔助系統(tǒng)能耗特性分析36
2.4 數(shù)控機床整機系統(tǒng)能效模型36
2.4.1 數(shù)控機床能耗構(gòu)成特性與時段特性36
2.4.2 數(shù)控機床整機多能量源能效模型40
參考文獻(xiàn)42
第3章 機械加工制造系統(tǒng)能效預(yù)測方法45
3.1 機械加工制造系統(tǒng)比能效率預(yù)測方法46
3.1.1 機械加工制造系統(tǒng)比能效率預(yù)測模型46
3.1.2 比能效率基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)獲取方法47
3.1.3 比能效率預(yù)測案例及實驗驗證49
3.2 機械加工制造系統(tǒng)能量利用率預(yù)測方法56
3.2.1 機械加工制造系統(tǒng)能量利用率預(yù)測模型56
3.2.2 能量利用率關(guān)鍵組件能耗預(yù)測方法56
3.2.3 能量利用率預(yù)測案例及實驗驗證62
3.3 附加載荷損耗能量映射預(yù)測方法67
3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)切削功率模型構(gòu)建方法67
3.3.2 目標(biāo)機床空切功率模型獲取方法68
3.3.3 附加載荷能量損耗系數(shù)映射預(yù)測案例69
3.3.4 附加載荷損耗預(yù)測案例71
參考文獻(xiàn)77
第4章 機械加工制造系統(tǒng)能效在線監(jiān)控技術(shù)79
4.1 機械加工制造系統(tǒng)能耗狀態(tài)在線監(jiān)控模型80
4.2 機械加工制造系統(tǒng)切削能耗在線估計82
4.2.1 功率信號的濾波處理82
4.2.2 機床運行狀態(tài)在線判別82
4.2.3 機床切削功率在線估計85
4.3 機械加工制造系統(tǒng)附加載荷系數(shù)的離線辨識85
4.4 機械加工制造系統(tǒng)能效在線監(jiān)控系統(tǒng)86
4.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)86
4.4.2 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)88
參考文獻(xiàn)92
第5章 機械加工制造系統(tǒng)能效評價技術(shù)95
5.1 機械加工制造系統(tǒng)能效評價特性96
5.1.1 機械加工制造系統(tǒng)能效評價分布特性96
5.1.2 機械加工制造系統(tǒng)能效評價變化特性98
5.2 機械加工制造系統(tǒng)能效動態(tài)評價指標(biāo)體系99
5.2.1 機械加工制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)建立99
5.2.2 集成化機械加工制造系統(tǒng)能效指標(biāo)獲取方法100
5.2.3 機械加工制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系103
5.3 機械加工制造系統(tǒng)能效評價流程104
5.3.1 機械加工制造系統(tǒng)能效評價邊界劃分104
5.3.2 機械加工制造系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)收集105
5.4 基于Petri網(wǎng)的機械加工制造系統(tǒng)能效評價模型110
5.4.1 模型相關(guān)定義110
5.4.2 分層次的機械加工系統(tǒng)能耗模型112
5.4.3 基于仿真的機械加工系統(tǒng)能效分析118
5.4.4 案例研究118
參考文獻(xiàn)121
第6章 機械加工工件能耗限額制定技術(shù)123
6.1 機械加工工件能耗限額特性與制定方法124
6.1.1 機械加工工件能耗限額的層次特性124
6.1.2 工件能耗限額與工藝及裝備的關(guān)聯(lián)性125
6.1.3 機械加工工件能耗限額種類的多樣性129
6.1.4 機械加工工件能耗限額制定方法概述131
6.2 基于預(yù)測的工件能耗限額及制定技術(shù)133
6.2.1 機械加工過程能耗分析133
6.2.2 基于預(yù)測的工件能耗限額制定方法134
6.2.3 案例研究136
6.3 工件精細(xì)能耗限額及制定技術(shù)141
6.3.1 工件精細(xì)能耗限額的內(nèi)涵142
6.3.2 工件精細(xì)能耗限額的構(gòu)成體系142
6.3.3 工件精細(xì)能耗限額制定143
6.3.4 工件精細(xì)能耗限額卡144
6.3.5 案例研究145
6.4 工件多目標(biāo)能耗限額及制定技術(shù)146
6.4.1 多目標(biāo)能耗限額的內(nèi)涵146
6.4.2 工件多目標(biāo)能耗限額制定過程概述147
6.4.3 能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立與評價數(shù)據(jù)獲取147
6.4.4 綜合評價與能耗限額確定150
6.4.5 案例研究152
6.5 工件動態(tài)能耗限額及制定技術(shù)156
6.5.1 動態(tài)能耗限額的內(nèi)涵156
6.5.2 動態(tài)能耗限額核心概念——限額比157
6.5.3 工件動態(tài)能耗限額制定過程概述158
6.5.4 工件能耗數(shù)據(jù)獲取159
6.5.5 工件能耗限額確定161
6.5.6 工件動態(tài)能耗限額評級系統(tǒng)161
6.5.7 案例研究163
參考文獻(xiàn)167
第7章 機械
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