隨著能源消耗問題和環境污染問題的日益嚴峻，機械加工制造系統能量效率（能量效率，簡稱能效）受到各國政府、產業界和學術界的共同關注，學術研究日益活躍。本書系統地論述了機械加工制造系統能效理論與技術，主要內容按照機械加工制造系統能效基礎理論、關鍵技術以及能效提升支持系統及應用遞進展開，包括機械加工制造系統能效模型及預測方法、能效在線監控技術、能效評價技術、能耗限額制定技術、高能效工藝規劃技術、車間節能生產調度技術、工藝規劃與車間調度集成節能優化技術，以及能效提升支持系統及應用等。
本書可作為高等院校機械工程、工業工程、管理科學與工程、環境工程等綠色制造及制造系統能效相關專業研究生的教材或參考書，也可供制造企業工程技術人員和管理人員參考。
隨著社會的快速發展，能源消耗和環境污染影響問題日益嚴峻，能源危機正在來臨。制造業是全球經濟增長的重要拉動力之一，但同時也是能源消耗的重要產業之一，2017年1月國際能源機構發布的Annual Energy Outlook 2017指出，制造業能耗約占全球能耗的33%。制造業是我國國民經濟的重要支柱產業，是工業領域的能源消耗主體。據國家統計局數據，2017年我國制造業能源消耗占消耗總量的55%，而發達國家一般只占30%左右（美國約為34%）。自1995年到2016年，我國制造業能源消耗平均增速為5.62%，制造業能源總體消耗增加達82.54%。在能源緊缺的今天，如何在保證我國經濟穩定可持續發展的前提下，有效地降低能源消耗、提高資源能源利用率、減少污染排放，成為我國制造業迫切需要解決的問題。
在制造業能源消耗總量中，機械加工制造過程中消耗的能源占了相當大的比例，對環境造成了嚴重的影響。機械加工制造系統的能耗主體——機床量大面廣，僅我國擁有量就達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。大量統計調查表明，機床能量利用率非常低下，平均低于30%，麻省理工學院給出的一個例子甚至只有14.8%。因此，機床節能潛力巨大，降低其能量損耗、提高能量利用率，對節約能源和保護環境具有重要意義。
機械加工制造系統能效研究意義重大，已成為世界制造業可持續發展的重要戰略和學術研究熱點。研究機械加工制造系統能效理論與技術，對于我國機床產業升級、提升市場競爭力、突破全球綠色貿易壁壘具有極其重要的理論意義與應用價值。本書作者致力于機械加工制造系統能效理論與技術的研究，取得了一定研究成果，并收集了大量的國內外研究文獻資料，經過總結和凝練，完成了本書的主要寫作內容。
本書共分10章，主要內容按照機械加工制造系統能效基礎理論、關鍵技術以及能效提升支持系統及應用遞進展開。第1章緒論，主要介紹了制造業能耗現狀、機械加工制造系統能效研究體系框架以及能效國內外研究現狀；第2章
機械加工制造系統能效模型，包括數控機床主傳動系統能耗特性、進給系統能耗特性、輔助系統能耗特性以及整機系統能效模型；第3章機械加工制造系統能效預測方法，包括機械加工制造系統比能效率預測方法、能量利用率預測方法以及附加載荷損耗能量映射預測方法；第4章機械加工制造系統能效在線監控技術，重點介紹了機械加工制造系統能耗狀態在線監控模型、切削能耗在線估計、附加載荷系數的離線辨識以及能效在線監控系統等；第5章機械加工制造系統能效評價技術，主要包括能量效率評價特性、動態評價指標體系、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，主要包括工件能耗限額特性與制定方法、基于預測的工件能耗限額及制定技術、工件精細能耗限額及制定技術、工件多目標能耗限額及制定技術、工件動態能耗限額及制定技術等；第7章機械加工工藝高能效優化技術，主要包括機械加工單工步、多工步工藝參數高能效優化技術，以及刀具與工藝參數高能效集成優化技術；第8章機械加工制造車間節能生產調度技術，包括傳統作業車間單工藝路線節能調度技術、柔性作業車間多工藝路線分批調度技術，以及基于動態事件的柔性作業車間節能調度技術；第9章工藝規劃與車間調度集成節能優化技術，重點介紹了面向能效的機械加工工藝參數與工藝路線、工藝路線與車間調度集成優化技術，以及工藝參數、工藝路線與車間調度集成節能優化技術；第10章機械加工車間能效提升支持系統及應用，包括系統的總體設計、工程應用案例。
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容的研究工作。
感謝浙江大學楊華勇院士，華中科技大學邵新宇院士，中國機械工業聯合會李冬茹教授，機械科學研究總院邱城研究員，清華大學王立平教授，重慶機床（集團）有限公司李先廣研高工，IEEE Fellow、美國的新澤西理工學院周孟初教授，美國的羅文大學唐瑛教授，英國的貝爾法斯特女王大學金巖教授等對相關研究工作給予的熱心指導和建議。特別感謝國家自然科學基金面上項目（51975075）、國家重點研發計劃課題（2017YFF0207903）、國家科技重大專項課題（2019ZX04005-001）對相關研究的資助。本書的出版得到機械工業出版社的大力支持，在此一并表示感謝。
此外，本書在寫作過程中參考了有關文獻，在此向所有被引用文獻的作者表示誠摯的謝意。
由于機械加工制造系統能效理論與技術是一門正在迅速發展的新興學科，涉及面廣、專業性強，加之作者水平有限，本書許多內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，重慶大學教授、博士生導師，入選國家“萬人計劃”青年拔尖人才、重慶市青年拔尖人才。擔任國家標準化組織機床技術委員會（ISO/TC 39）機床環境評估（ISO 14955）工作組委員、IEEE機器人與自動化學會可持續生產自動化技術委員會共同主席、全國綠色制造技術標準化技術委員會委員等職。主要研究方向為綠色制造、制造系統能效。發表SCI論文30余篇、EI論文50余篇，出版學術專著3部，授權國家發明專利15項，參與制定國家標準5項，獲重慶市科技進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 制造業能耗現狀2
1.1.1 制造業的“能源危機”2
1.1.2 機械加工制造業節能潛力可觀5
1.1.3 機械加工制造系統能效研究的重要意義7
1.2 機械加工制造系統能效研究體系框架7
1.2.1 機械加工制造系統能效研究對象及范圍7
1.2.2 機械加工制造系統能效研究內容體系框架9
1.3 機械加工制造系統能效國內外研究現狀10
1.3.1 機械加工制造系統能效理論研究現狀10
1.3.2 機械加工制造系統能效技術研究現狀13
參考文獻17
第2章 機械加工制造系統能效模型21
2.1 數控機床主傳動系統能耗特性22
2.1.1 主傳動系統基本結構22
2.1.2 主傳動系統功率平衡方程22
2.1.3 主傳動系統多時段能量模型24
2.2 數控機床進給系統能耗特性27
2.2.1 進給系統基本結構27
2.2.2 進給系統能量模型28
2.2.3 進給系統空載功率特性33
2.3 數控機床輔助系統能耗特性34
2.3.1 輔助系統功率平衡方程34
2.3.2 輔助系統能耗特性分析36
2.4 數控機床整機系統能效模型36
2.4.1 數控機床能耗構成特性與時段特性36
2.4.2 數控機床整機多能量源能效模型40
參考文獻42
第3章 機械加工制造系統能效預測方法45
3.1 機械加工制造系統比能效率預測方法46
3.1.1 機械加工制造系統比能效率預測模型46
3.1.2 比能效率基礎能耗數據獲取方法47
3.1.3 比能效率預測案例及實驗驗證49
3.2 機械加工制造系統能量利用率預測方法56
3.2.1 機械加工制造系統能量利用率預測模型56
3.2.2 能量利用率關鍵組件能耗預測方法56
3.2.3 能量利用率預測案例及實驗驗證62
3.3 附加載荷損耗能量映射預測方法67
3.3.1 標準切削功率模型構建方法67
3.3.2 目標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映射預測案例69
3.3.4 附加載荷損耗預測案例71
參考文獻77
第4章 機械加工制造系統能效在線監控技術79
4.1 機械加工制造系統能耗狀態在線監控模型80
4.2 機械加工制造系統切削能耗在線估計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 機械加工制造系統附加載荷系數的離線辨識85
4.4 機械加工制造系統能效在線監控系統86
4.4.1 系統結構86
4.4.2 關鍵技術及其實現88
參考文獻92
第5章 機械加工制造系統能效評價技術95
5.1 機械加工制造系統能效評價特性96
5.1.1 機械加工制造系統能效評價分布特性96
5.1.2 機械加工制造系統能效評價變化特性98
5.2 機械加工制造系統能效動態評價指標體系99
5.2.1 機械加工制造系統能效評價指標建立99
5.2.2 集成化機械加工制造系統能效指標獲取方法100
5.2.3 機械加工制造系統能效評價指標體系103
5.3 機械加工制造系統能效評價流程104
5.3.1 機械加工制造系統能效評價邊界劃分104
5.3.2 機械加工制造系統能效數據收集105
5.4 基于Petri網的機械加工制造系統能效評價模型110
5.4.1 模型相關定義110
5.4.2 分層次的機械加工系統能耗模型112
5.4.3 基于仿真的機械加工系統能效分析118
5.4.4 案例研究118
參考文獻121
第6章 機械加工工件能耗限額制定技術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聯性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 基于預測的工件能耗限額及制定技術133
6.2.1 機械加工過程能耗分析133
6.2.2 基于預測的工件能耗限額制定方法134
6.2.3 案例研究136
6.3 工件精細能耗限額及制定技術141
6.3.1 工件精細能耗限額的內涵142
6.3.2 工件精細能耗限額的構成體系142
6.3.3 工件精細能耗限額制定143
6.3.4 工件精細能耗限額卡144
6.3.5 案例研究145
6.4 工件多目標能耗限額及制定技術146
6.4.1 多目標能耗限額的內涵146
6.4.2 工件多目標能耗限額制定過程概述147
6.4.3 能耗基礎數據庫的建立與評價數據獲取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 工件動態能耗限額及制定技術156
6.5.1 動態能耗限額的內涵156
6.5.2 動態能耗限額核心概念——限額比157
6.5.3 工件動態能耗限額制定過程概述158
6.5.4 工件能耗數據獲取159
6.5.5 工件能耗限額確定161
6.5.6 工件動態能耗限額評級系統161
6.5.7 案例研究163
參考文獻167
第7章 機械
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