随着能源消耗问题和环境污染问题的日益严峻，机械加工制造系统能量效率（能量效率，简称能效）受到各国政府、产业界和学术界的共同关注，学术研究日益活跃。本书系统地论述了机械加工制造系统能效理论与技术，主要内容按照机械加工制造系统能效基础理论、关键技术以及能效提升支持系统及应用递进展开，包括机械加工制造系统能效模型及预测方法、能效在线监控技术、能效评价技术、能耗限额制定技术、高能效工艺规划技术、车间节能生产调度技术、工艺规划与车间调度集成节能优化技术，以及能效提升支持系统及应用等。
本书可作为高等院校机械工程、工业工程、管理科学与工程、环境工程等绿色制造及制造系统能效相关专业研究生的教材或参考书，也可供制造企业工程技术人员和管理人员参考。
随着社会的快速发展，能源消耗和环境污染影响问题日益严峻，能源危机正在来临。制造业是全球经济增长的重要拉动力之一，但同时也是能源消耗的重要产业之一，2017年1月国际能源机构发布的Annual Energy Outlook 2017指出，制造业能耗约占全球能耗的33%。制造业是我国国民经济的重要支柱产业，是工业领域的能源消耗主体。据国家统计局数据，2017年我国制造业能源消耗占消耗总量的55%，而发达国家一般只占30%左右（美国约为34%）。自1995年到2016年，我国制造业能源消耗平均增速为5.62%，制造业能源总体消耗增加达82.54%。在能源紧缺的今天，如何在保证我国经济稳定可持续发展的前提下，有效地降低能源消耗、提高资源能源利用率、减少污染排放，成为我国制造业迫切需要解决的问题。
在制造业能源消耗总量中，机械加工制造过程中消耗的能源占了相当大的比例，对环境造成了严重的影响。机械加工制造系统的能耗主体——机床量大面广，仅我国拥有量就达1000万台，总量居世界第一；若按每台机床额定功率平均为10kW计算，则总功率约为1亿kW，是三峡电站总装机容量2250万kW的4倍多。大量统计调查表明，机床能量利用率非常低下，平均低于30%，麻省理工学院给出的一个例子甚至只有14.8%。因此，机床节能潜力巨大，降低其能量损耗、提高能量利用率，对节约能源和保护环境具有重要意义。
机械加工制造系统能效研究意义重大，已成为世界制造业可持续发展的重要战略和学术研究热点。研究机械加工制造系统能效理论与技术，对于我国机床产业升级、提升市场竞争力、突破全球绿色贸易壁垒具有极其重要的理论意义与应用价值。本书作者致力于机械加工制造系统能效理论与技术的研究，取得了一定研究成果，并收集了大量的国内外研究文献资料，经过总结和凝练，完成了本书的主要写作内容。
本书共分10章，主要内容按照机械加工制造系统能效基础理论、关键技术以及能效提升支持系统及应用递进展开。第1章绪论，主要介绍了制造业能耗现状、机械加工制造系统能效研究体系框架以及能效国内外研究现状；第2章
机械加工制造系统能效模型，包括数控机床主传动系统能耗特性、进给系统能耗特性、辅助系统能耗特性以及整机系统能效模型；第3章机械加工制造系统能效预测方法，包括机械加工制造系统比能效率预测方法、能量利用率预测方法以及附加载荷损耗能量映射预测方法；第4章机械加工制造系统能效在线监控技术，重点介绍了机械加工制造系统能耗状态在线监控模型、切削能耗在线估计、附加载荷系数的离线辨识以及能效在线监控系统等；第5章机械加工制造系统能效评价技术，主要包括能量效率评价特性、动态评价指标体系、评价流程与评价模型等；第6章机械加工工件能耗限额制定技术，主要包括工件能耗限额特性与制定方法、基于预测的工件能耗限额及制定技术、工件精细能耗限额及制定技术、工件多目标能耗限额及制定技术、工件动态能耗限额及制定技术等；第7章机械加工工艺高能效优化技术，主要包括机械加工单工步、多工步工艺参数高能效优化技术，以及刀具与工艺参数高能效集成优化技术；第8章机械加工制造车间节能生产调度技术，包括传统作业车间单工艺路线节能调度技术、柔性作业车间多工艺路线分批调度技术，以及基于动态事件的柔性作业车间节能调度技术；第9章工艺规划与车间调度集成节能优化技术，重点介绍了面向能效的机械加工工艺参数与工艺路线、工艺路线与车间调度集成优化技术，以及工艺参数、工艺路线与车间调度集成节能优化技术；第10章机械加工车间能效提升支持系统及应用，包括系统的总体设计、工程应用案例。
本书由李聪波、刘飞和曹华军撰写，刘霜、王秋莲、胡韶华、易茜、李玲玲、陈行政、谢俊、刘培基、庹军波、蔡维、郭英玲、肖溱鸽、吕岩等参与了本书内容的研究工作。
感谢浙江大学杨华勇院士，华中科技大学邵新宇院士，中国机械工业联合会李冬茹教授，机械科学研究总院邱城研究员，清华大学王立平教授，重庆机床（集团）有限公司李先广研高工，IEEE Fellow、美国的新泽西理工学院周孟初教授，美国的罗文大学唐瑛教授，英国的贝尔法斯特女王大学金岩教授等对相关研究工作给予的热心指导和建议。特别感谢国家自然科学基金面上项目（51975075）、国家重点研发计划课题（2017YFF0207903）、国家科技重大专项课题（2019ZX04005-001）对相关研究的资助。本书的出版得到机械工业出版社的大力支持，在此一并表示感谢。
此外，本书在写作过程中参考了有关文献，在此向所有被引用文献的作者表示诚挚的谢意。
由于机械加工制造系统能效理论与技术是一门正在迅速发展的新兴学科，涉及面广、专业性强，加之作者水平有限，本书许多内容还有待完善和深入研究，对于不足之处，敬请广大读者批评指正，提出宝贵意见。
作 者
2020年10月
李聪波，重庆大学教授、博士生导师，入选国家“万人计划”青年拔尖人才、重庆市青年拔尖人才。担任国家标准化组织机床技术委员会（ISO/TC 39）机床环境评估（ISO 14955）工作组委员、IEEE机器人与自动化学会可持续生产自动化技术委员会共同主席、全国绿色制造技术标准化技术委员会委员等职。主要研究方向为绿色制造、制造系统能效。发表SCI论文30余篇、EI论文50余篇，出版学术专著3部，授权国家发明专利15项，参与制定国家标准5项，获重庆市科技进步一等奖等省部级奖励4项。
丛书序一
丛书序二
丛书序三
前 言
第1章 绪论1
1.1 制造业能耗现状2
1.1.1 制造业的“能源危机”2
1.1.2 机械加工制造业节能潜力可观5
1.1.3 机械加工制造系统能效研究的重要意义7
1.2 机械加工制造系统能效研究体系框架7
1.2.1 机械加工制造系统能效研究对象及范围7
1.2.2 机械加工制造系统能效研究内容体系框架9
1.3 机械加工制造系统能效国内外研究现状10
1.3.1 机械加工制造系统能效理论研究现状10
1.3.2 机械加工制造系统能效技术研究现状13
参考文献17
第2章 机械加工制造系统能效模型21
2.1 数控机床主传动系统能耗特性22
2.1.1 主传动系统基本结构22
2.1.2 主传动系统功率平衡方程22
2.1.3 主传动系统多时段能量模型24
2.2 数控机床进给系统能耗特性27
2.2.1 进给系统基本结构27
2.2.2 进给系统能量模型28
2.2.3 进给系统空载功率特性33
2.3 数控机床辅助系统能耗特性34
2.3.1 辅助系统功率平衡方程34
2.3.2 辅助系统能耗特性分析36
2.4 数控机床整机系统能效模型36
2.4.1 数控机床能耗构成特性与时段特性36
2.4.2 数控机床整机多能量源能效模型40
参考文献42
第3章 机械加工制造系统能效预测方法45
3.1 机械加工制造系统比能效率预测方法46
3.1.1 机械加工制造系统比能效率预测模型46
3.1.2 比能效率基础能耗数据获取方法47
3.1.3 比能效率预测案例及实验验证49
3.2 机械加工制造系统能量利用率预测方法56
3.2.1 机械加工制造系统能量利用率预测模型56
3.2.2 能量利用率关键组件能耗预测方法56
3.2.3 能量利用率预测案例及实验验证62
3.3 附加载荷损耗能量映射预测方法67
3.3.1 标准切削功率模型构建方法67
3.3.2 目标机床空切功率模型获取方法68
3.3.3 附加载荷能量损耗系数映射预测案例69
3.3.4 附加载荷损耗预测案例71
参考文献77
第4章 机械加工制造系统能效在线监控技术79
4.1 机械加工制造系统能耗状态在线监控模型80
4.2 机械加工制造系统切削能耗在线估计82
4.2.1 功率信号的滤波处理82
4.2.2 机床运行状态在线判别82
4.2.3 机床切削功率在线估计85
4.3 机械加工制造系统附加载荷系数的离线辨识85
4.4 机械加工制造系统能效在线监控系统86
4.4.1 系统结构86
4.4.2 关键技术及其实现88
参考文献92
第5章 机械加工制造系统能效评价技术95
5.1 机械加工制造系统能效评价特性96
5.1.1 机械加工制造系统能效评价分布特性96
5.1.2 机械加工制造系统能效评价变化特性98
5.2 机械加工制造系统能效动态评价指标体系99
5.2.1 机械加工制造系统能效评价指标建立99
5.2.2 集成化机械加工制造系统能效指标获取方法100
5.2.3 机械加工制造系统能效评价指标体系103
5.3 机械加工制造系统能效评价流程104
5.3.1 机械加工制造系统能效评价边界划分104
5.3.2 机械加工制造系统能效数据收集105
5.4 基于Petri网的机械加工制造系统能效评价模型110
5.4.1 模型相关定义110
5.4.2 分层次的机械加工系统能耗模型112
5.4.3 基于仿真的机械加工系统能效分析118
5.4.4 案例研究118
参考文献121
第6章 机械加工工件能耗限额制定技术123
6.1 机械加工工件能耗限额特性与制定方法124
6.1.1 机械加工工件能耗限额的层次特性124
6.1.2 工件能耗限额与工艺及装备的关联性125
6.1.3 机械加工工件能耗限额种类的多样性129
6.1.4 机械加工工件能耗限额制定方法概述131
6.2 基于预测的工件能耗限额及制定技术133
6.2.1 机械加工过程能耗分析133
6.2.2 基于预测的工件能耗限额制定方法134
6.2.3 案例研究136
6.3 工件精细能耗限额及制定技术141
6.3.1 工件精细能耗限额的内涵142
6.3.2 工件精细能耗限额的构成体系142
6.3.3 工件精细能耗限额制定143
6.3.4 工件精细能耗限额卡144
6.3.5 案例研究145
6.4 工件多目标能耗限额及制定技术146
6.4.1 多目标能耗限额的内涵146
6.4.2 工件多目标能耗限额制定过程概述147
6.4.3 能耗基础数据库的建立与评价数据获取147
6.4.4 综合评价与能耗限额确定150
6.4.5 案例研究152
6.5 工件动态能耗限额及制定技术156
6.5.1 动态能耗限额的内涵156
6.5.2 动态能耗限额核心概念——限额比157
6.5.3 工件动态能耗限额制定过程概述158
6.5.4 工件能耗数据获取159
6.5.5 工件能耗限额确定161
6.5.6 工件动态能耗限额评级系统161
6.5.7 案例研究163
参考文献167
第7章 机械
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