一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法技术方案

本发明专利技术公开一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法，包括以下步骤：1)定义激光焊接系统碳排放边界，搭建激光加工系统的碳排放智能监控系统，并建立激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库；2)综合考虑激光焊接系统的碳排放源、加工设备、运行状态、加工阶段、加工序列，结合激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库，建立多特征驱动的激光焊接系统总碳排放模型；3)基于激光焊接系统总碳排放模型，构建考虑焊接总碳排放与焊接总时长的激光焊接参数与焊接序列综合优化模型；4)采用基于状态压缩动态规划与多目标海洋捕食集成算法对上述激光焊接系统焊接参数与焊接序列综合优化模型进行求解，并运用TOPSIS综合评价方法选取解集范围内的最佳激光焊接参数与焊接序列。本发明专利技术为激光焊接系统的碳排放建模以及焊接参数和焊接序列综合决策提供了理论模型和优化方法。优化方法。优化方法。

【技术实现步骤摘要】
一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法


[0001]本专利技术属于激光加工领域，具体是一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法。

技术介绍

[0002]随着全球气候变暖与环境恶化，碳排放已成为各国关注的焦点。根据国际能源署(IEA)研究报告，制造业能源消耗超过全球能源消耗总量的1/3，其所产生的净碳排放约占全球碳排放总量的36％。激光焊接作为一种先进的连接工艺，具有高柔性、高效率、高质量、短流程等特点，在航空航天、新能源汽车、船舶等行业得到广泛应用。然而，激光加工过程中存在能耗大、能效低、碳排放严重等问题，影响了激光加工工艺及其系统的低碳应用与节能优化。因此，开展激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化研究，对于识别激光焊接系统碳排放热点，促进激光焊接工艺节能减排决策，推动激光加工工艺绿色低碳发展具有重要意义。
[0003]目前围绕激光焊接系统能耗建模与能效评价已开展大量研究，但上述研究主要从能源角度对激光焊接系统进行研究，尚未考虑激光焊接过程中保护气体、压缩空气、焊丝等物料消耗。尽管也有少量关于激光焊接系统碳排放建模和工艺参数优化的研究，但这些研究聚焦激光焊接加工阶段且面向单一焊接特征，尚未考虑激光焊接过程中的多加工阶段和多加工序列特性，与实际焊接加工过程相差较大。例如，激光焊接过程中装夹环节对于减少焊接偏差、提高焊接精度和效率具有重要作用，且装夹环节时长占整个焊接过程节拍的较大；同时考虑到焊接单元，其激光焊接系统需完成待加工零部件规定区域内多个焊接特征，因此在研究激光焊接系统碳排放工艺参数优化时需综合考虑整个加工过程中的多加工阶段(包括激光焊接装夹、激光焊前转移、激光焊接加工、激光焊后转移)和多加工序列(即面向焊接单元的待加工区域多个焊接特征)。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法，包括以下步骤：
[0005]1)定义激光焊接系统碳排放边界，搭建激光加工系统的碳排放智能监控系统，并建立激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库；
[0006]2)综合考虑激光焊接系统的碳排放源、加工设备、运行状态、加工阶段、加工序列，结合激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库，建立多特征驱动的激光焊接系统总碳排放模型；
[0007]3)基于激光焊接系统总碳排放模型，构建考虑焊接系统总碳排放与焊接总时长的激光焊接参数与焊接序列综合优化模型；
[0008]4)采用基于状态压缩动态规划与多目标海洋捕食集成算法对上述激光焊接系统焊接参数与焊接序列综合优化模型进行求解，并运用TOPSIS综合评价方法选取解集范围内
的最佳激光焊接参数与焊接序列。
[0009]进一步，所述激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库包括激光器碳排放模型、冷水机碳排放模型、机器人碳排放模型、电焊机碳排放模型、控制电脑碳排放模型、保护气体消耗碳排放模型、压缩空气消耗碳排放模型。
[0010]进一步，所述激光器碳排放模型如下所示：
[0011][0012]式中，CE
ls
为激光器产生碳排放；γ
ele
为电能碳排放系数；E
ls
为激光器的电能消耗；为激光器待机时长；为激光器出光准备时长；为激光器加工时长；P
ls
为激光器各阶段功率；t
ls
为激光器运行总时长；和为常数，分别对应激光器的待机功率和出光准备功率；为激光器加工消耗总功率；
[0013]其中，激光器各阶段功率P
ls
如下所示：
[0014][0015]式中，和分别为激光器的待机功率、出光准备功率、出光加工功率和激光器加工消耗总功率；η
ls
为激光输出功率与加工消耗总功率的比值系数。
[0016]进一步，冷水机碳排放模型如下所示：
[0017][0018]式中，CE
cl
为冷水机的碳排放；E
cl
为冷水机的电能消耗；为冷水机的待机时长；为冷水机热交换时长；t
cl
为冷水机运行总时长；为冷水机待机功率；为冷水机热交换平均功率；γ
ele
为电能碳排放系数；
[0019]其中，冷水机各阶段功率P
cl
如下所示：
[0020][0021]式中，为冷水机运行维持功率，为运行维持状态对应的功率常数；为冷水机热交换功率；为冷水机热交换平均功率；为热交换运行时长。
[0022]进一步，机器人碳排放模型如下所示：
[0023][0024]式中，CE
rob
为机器人的碳排放；E
rob
为机器人的电能消耗；t
rob
为机器人运行总时长；为机器人待机时长；为机器人加工时长；γ
ele
为电能碳排放系数；为机器人运动状态的功率；为机器人待机状态时功率恒定值；
[0025]其中，机器人各阶段功率P
rob
如下所示：
[0026][0027]式中，和分别为机器人待机和运动状态的功率；a，b和c分别为机器人运动状态下功率函数的拟合系数；v
rob
为机器人的移动速度。
[0028]进一步，电焊机碳排放模型如下所示：
[0029][0030]式中，CE
ewm
为电焊机的碳排放；E
ewm
为电焊机的电能消耗；为电焊机待机时长；为电焊机加工时长；表示电焊机的待机功率；表示电焊机的加工功率；γ
ele
为电能碳排放系数。
[0031]电焊机各阶段功率P
ewm
如下所示：
[0032][0033]式中，由电焊机加工时设定的电流与电压决定；f(I
ewm
,V
ewm
)为关于电流与电压的功率函数；I
ewm
与V
ewm
分别为电焊机加工设定的电流与电压。
[0034]进一步，控制电脑碳排放模型如下所示：
[0035][0036]式中，CE
cd
为控制电脑的碳排放；E
cd
为控制电脑的电能消耗；p
cd
为控制电脑的功率；k
cd
为其对应的运行平均功率；t
cd
为控制电脑的运行时间；γ
ele
为电能碳排放系数。
[0037]进一步，保护气体消耗所对应的碳排放模型如下所示：
[0038][0039]式中，CE
sg
为保护气体消耗对应的碳排放；γ
sg
为保护气体的碳排放系数；V
sg
为保护气体的消耗量；Q
sg
为保护气体的瞬时流量；为保护气体设定流量；t
sg
为保护气体的通气时长；
[0040]压缩空气消耗所对应的碳排放模型如下所示：
[0041][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数集成优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)定义所述激光焊接系统碳排放边界，搭建激光加工系统的碳排放智能监控系统，并建立激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库。2)综合考虑激光焊接系统的碳排放源、加工设备、运行状态、加工阶段、加工序列，结合激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库，建立多特征驱动的激光焊接系统总碳排放模型；3)基于激光焊接系统总碳排放模型，构建考虑焊接系统总碳排放与焊接总时长的激光焊接参数与焊接序列综合优化模型；4)采用基于状态压缩动态规划与多目标海洋捕食集成算法对上述激光焊接系统焊接参数与焊接序列综合优化模型进行求解，并运用TOPSIS综合评价方法选取解集范围内的最佳激光焊接参数与焊接序列。2.根据权利要求1所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光焊接系统中各子设备的碳排放模型库包括激光器碳排放模型、冷水机碳排放模型、机器人碳排放模型、电焊机碳排放模型、控制电脑碳排放模型、保护气体消耗碳排放模型、压缩空气消耗碳排放模型。3.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，所述激光器碳排放模型如下所示：式中，CE
ls
为激光器产生碳排放；γ
ele
为电能碳排放系数；E
ls
为激光器的电能消耗；为激光器待机时长；为激光器出光准备时长；为激光器加工时长；P
ls
为激光器各阶段功率；t
ls
为激光器运行总时长；和为常数，分别对应激光器的待机功率和出光准备功率；为激光器加工消耗总功率；其中，激光器各阶段功率P
ls
如下所示：式中，和分别为激光器的待机功率、出光准备功率、出光加工功率和激光器加工消耗总功率；η
ls
为激光输出功率与加工消耗总功率的比值系数。4.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，冷水机碳排放模型如下所示：式中，CE
cl
为冷水机的碳排放；E
cl
为冷水机的电能消耗；为冷水机的待机时长；为
冷水机热交换时长；t
cl
为冷水机运行总时长；为冷水机待机功率；为冷水机热交换平均功率；γ
ele
为电能碳排放系数；其中，冷水机各阶段功率P
cl
如下所示：式中，为冷水机运行维持功率，为运行维持状态对应的功率常数；为冷水机热交换功率；为冷水机热交换平均功率；为热交换运行时长。5.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，机器人碳排放模型如下所示：式中，CE
rob
为机器人的碳排放；E
rob
为机器人的电能消耗；t
rob
为机器人运行总时长；为机器人待机时长；为机器人加工时长；γ
ele
为电能碳排放系数；为机器人运动状态的功率；为机器人待机状态时功率恒定值；其中，机器人各阶段功率P
rob
如下所示：式中，和分别为机器人待机和运动状态的功率；a，b和c分别为机器人运动状态下功率函数的拟合系数；v
rob
为机器人的移动速度。6.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，电焊机碳排放模型如下所示：式中，CE
ewm
为电焊机的碳排放；E
ewm
为电焊机的电能消耗；为电焊机待机时长；为电焊机加工时长；表示电焊机的待机功率；表示电焊机的加工功率；γ
ele
为电能碳排放系数。电焊机各阶段功率P
ewm
如下所示：
式中，f(I
ewm
,V
ewm
)为关于电流与电压的功率函数；I
ewm
与V
ewm
分别为电焊机加工设定的电流与电压。7.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，控制电脑碳排放模型如下所示：式中，CE
cd
为控制电脑的碳排放；E
cd
为控制电脑的电能消耗；p
cd
为控制电脑的功率；k
cd
为其对应的运行平均功率；t
cd
为控制电脑的运行时间；γ
ele
为电能碳排放系数。8.根据权利要求2所述的一种激光焊接系统碳排放建模与工艺参数优化方法，其特征在于，保护气体消耗所对应的碳排放模型如下所示：式中，CE
sg
为保护气体消耗对应的碳排放；γ
sg
为保护气体的碳排放系数；V
sg
为保护气体的消耗量；Q
sg
为保护气体的瞬时流量；为保护气体设定流量；t
sg
为保护气体的通气时长；压缩空气消耗所对应的碳排放模型如下所示：式中，CE
ca
为压缩空气消耗对应的碳排放；γ
ca
为压缩空气的碳排放系数；V
ca
为压缩空气的消耗量；Q
ca
为压缩空气的瞬时流量；为压缩空气设定流量；t
ca
为压缩空气的通气时长。9.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹华军，葛威威，李洪丞，文旋豪，李成超，黄子轩，张琼之，储涛，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：