機械加工制造過程能耗優(yōu)化綜述

摘要：制造業(yè)在將資源轉變?yōu)楫a品或服務的過程中消耗了大量能量。機械加工作為制造業(yè)的主要生產過程，機床是機械加工制造過程的重要耗能制造資源。為應對全球氣候變暖，提高制造業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，針對機械產品零件的機械加工制造過程能耗進行優(yōu)化對于節(jié)約能源，實現(xiàn)低碳制造具有重要意義。本文從工藝規(guī)劃與生產調度兩方面出發(fā)研究機械加工制造過程能耗優(yōu)化現(xiàn)狀，為相關的研究工作提供了參考。

關鍵詞：機械制造；能耗優(yōu)化；生產工藝

現(xiàn)有的機械加工制造過程能耗優(yōu)化研究主要從工藝規(guī)劃和生產調度兩方面開展進行：

（1）工藝規(guī)劃方面

由于工藝規(guī)劃一般在工件進入生產現(xiàn)場進行加工之前進行，工藝規(guī)劃涉及的工藝路線、工藝方法、機床和工藝裝備、切削液、加工參數(shù)等內容決定了機械加工工藝過程對環(huán)境的影響，所以從早期的綠色制造研究開始，人們便開始關注工藝過程的環(huán)境友好性，進行面向綠色制造的工藝規(guī)劃研究。Munoz等提出了針對機械加工工藝過程環(huán)境影響進行評價的分析模型，對切削過程能耗、刀具磨損、切削液消耗、切削液的毒性等內容進行了定量分析，有利于進行面向綠色制造的工藝規(guī)劃決策研究。Srinivasan等提出了面向環(huán)境意識制造的基于特征的工藝規(guī)劃體系，它包括基于特征之間關系的宏規(guī)劃和針對單個特征的微規(guī)劃兩個階段，其中宏規(guī)劃主要進行加工順序的安排和加工特征的聚類分析，微規(guī)劃主要針對單個特征進行加工能耗、加工時間、廢物流、質量參數(shù)等內容的預測和設定Singh等提出了一種用于評估產品配置及其環(huán)境影響的環(huán)境意識工藝規(guī)劃系統(tǒng)方法，能夠在產品配置設計時通過選取環(huán)境績效指標處理不同的產品特性及其環(huán)境影響。國內的重慶大學和武漢科技大學，在國家自然科學基金和國家863計劃資助下，深入開展了面向綠色制造的工藝規(guī)劃研究，研究內容包括：面向綠色制造的工藝方法選擇模型研究，面向綠色制造的機床設備選擇模型研究，面向綠色制造的刀具選擇模型研究，面向綠色制造的切削液選擇模型研究，面向綠色制造的工藝路線決策模型研究，面向綠色制造的工藝規(guī)劃支持系統(tǒng)研究，以及工藝過程的資源環(huán)境特性分析與評價方法研究等。

由于低碳制造突出了從全生命周期對碳排放進行量化和減少的特點，所以從工藝規(guī)劃方面進行機械加工制造過程能耗優(yōu)化研究離不開機械加工工藝過程能耗建模研究的支持。Srinivasan等提出的兩階段工藝規(guī)劃體系在從工藝規(guī)劃方面進行機械加工制造過程能耗優(yōu)化研究中也得到了廣泛的認可，但是目前對宏規(guī)劃階段的研究極少，例如李聰波等為實現(xiàn)機械加工工藝路線的低碳優(yōu)化決策，引入特征元和加工元概念表示機械零部件特征，建立以工藝路線最短總加工時間和最低總碳排放為優(yōu)化目標的機械加工工藝路線多目標優(yōu)化模型，并應用改進的NSGA-II算法對優(yōu)化模型進行尋優(yōu)求解。與宏規(guī)劃階段的研究相比，微規(guī)劃的研究開展較多并主要集中在加工參數(shù)的優(yōu)化方面。

（2）生產調度方面

對于制造企業(yè)，其機械加工制造資源和制造能力通常相對穩(wěn)定。從工藝規(guī)劃的角度考慮，為各機械加工工序選用節(jié)能的機床設備，優(yōu)化機械加工工藝路線和工藝參數(shù)等方法固然能夠直接減少機械加工工藝過程能耗，進而減少整個機械產品零件的機械加工制造過程能耗，然而效果有限。因為機械加工制造過程涉及很多制造資源，產生的能耗不只包含機床執(zhí)行機械加工工藝時的能耗，也包括機床無加工任務待機時的能耗、運輸設備在車間內進行工件流轉運輸過程中的能耗等內容。與依靠替換或升級改進硬件設備相比，從生產組織管理上開展能耗優(yōu)化在操作上和成本上更加可行，目前研究主要集中在生產組織管理中的生產調度方面。

生產調度的目標是合理安排加工任務，包括將工件合理的安排到各加工設備和合理安排各加工設備上工件的加工順序及開始時間，在約束條件滿足的情況下優(yōu)化一些性能指標。目前，從生產調度方面開展的機械加工制造過程能耗優(yōu)化研究主要集中在單機調度、并行機調度以及流水車間調度這三類生產調度問題。

在單機調度問題研究方面：Mouzon等指出關閉空閑狀態(tài)的非瓶頸機床設備可以節(jié)能，并針對單機調度問題制定了一些調度規(guī)則，構建了能夠結合調度規(guī)則預測加工任務到來時間的神經網絡，以及以減少能耗和總完工時間為目標的多目標數(shù)學規(guī)劃模型，Mouzon在其后續(xù)研究中又提出了一種同時考慮能耗和總延遲時間的多目標能耗優(yōu)化框架，Shrouf等針對單機生產調度問題提出了一種在能源價格持續(xù)變化情境下減少能耗成本的數(shù)學模型，可實現(xiàn)機床在用電高峰時段能耗的減少，進而節(jié)約成本和減輕用電高峰的能量需求壓力。

在并行機調度問題研究方面：何彥建立了以能耗和完工時間為優(yōu)化目標的節(jié)能型調度應用模型，并使用禁忌搜索算法實現(xiàn)了模型的求解，由于機床的CPU頻率影響機床的加工速度，較高的機床加工速度盡管會縮短加工時間，但也可能產生更多的能耗，所以Fang等提出了以交貨拖期懲罰和能耗為優(yōu)化目標，以工件的機床指派、各機床的工件加工順序和加工速度為優(yōu)化變量的整數(shù)線性規(guī)劃模型，并通過設計兩種啟發(fā)式算法和應用粒子群優(yōu)化算法獲得了模型的近似解。

在流水車間調度問題研究方面：Fang等針對流水車間調度問題提出了一個綜合考慮完工時間、峰值功率負載以及碳足跡目標的數(shù)學規(guī)劃模型；Bruzzone等提出了一個柔性流水車間環(huán)境下，改進商業(yè)的高級生產計劃與排產系統(tǒng)生成的作業(yè)調度方案的方法，該方法基于混合整數(shù)規(guī)劃模型，能夠在分配給各機床的加工任務以及任務加工次序不變的情況下實現(xiàn)節(jié)能以及車間峰值功率的降低；Dai等針對柔性流水車間調度問題建立了一個旨在減少制造系統(tǒng)完工時間和能耗的能效模型，并采用改進的遺傳模擬退火算法實現(xiàn)了模型的求解。楊海東等考慮串行生產線中機器功率、空閑時間等因素對生產能耗的影響，建立了以高效低碳為目標的置換流水車間低碳調度模型，并提出了采用啟發(fā)式規(guī)則和差分進化操作的遺傳算法對模型進行求解。趙燕偉等為解決具備加工裝配一體化的流水車間節(jié)能調度問題，建立了以加工機器能耗最小為優(yōu)化目標的加工裝配式流水車間節(jié)能調度模型，并采用混合差分算法實現(xiàn)了模型的求解。

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作者簡介：凌青，身份證號：320902198501123037.