針對(duì)綠色制造的機(jī)械加工體系的改進(jìn)優(yōu)化

徐偉+許培磊

摘要：在生產(chǎn)車間中，機(jī)械的運(yùn)用是綠色制造的關(guān)鍵組成部分，而綠色制造的機(jī)械加工系統(tǒng)的優(yōu)化和改善，對(duì)于環(huán)境和資源又有重要的作用，不僅能夠減少對(duì)周圍環(huán)境的污染，還能很大的節(jié)約資源，對(duì)于優(yōu)化機(jī)械加工的綠色化具有重要的作用。在對(duì)于這個(gè)問題的研究中，首先要對(duì)目標(biāo)的各個(gè)組成要素進(jìn)行大概的了解，構(gòu)建出數(shù)學(xué)和框架模型對(duì)其進(jìn)行描述。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于機(jī)械加工對(duì)于環(huán)境和資源的影響，設(shè)計(jì)體系的優(yōu)化目標(biāo)及所涉及的優(yōu)化模型的各個(gè)子目標(biāo)，最后通過具體的實(shí)例演示，對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行分析和調(diào)度。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工 綠色制造 優(yōu)化

1 機(jī)械加工和綠色制造概述

機(jī)械加工是指有機(jī)床和所有工件組成的一種進(jìn)行機(jī)械加工的體系。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)床是其重要的組成部分，但是機(jī)床對(duì)環(huán)境的影響很大，并且資源消耗也很大。而綠色制造理論解決了這些問題，綠色制造是針對(duì)于環(huán)境和資源的合理利用的一種現(xiàn)代生產(chǎn)制造模式，對(duì)機(jī)械加工提出了更高的要求，在節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，生產(chǎn)安全等方面有了巨大的飛躍性發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對(duì)于機(jī)械加工的綠色制造進(jìn)行了研究，但是一般機(jī)構(gòu)致力于機(jī)械加工工藝的研究，很少從綠色化的方面出發(fā)，經(jīng)一些研究表明，在對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)的綠色制造性能方面進(jìn)行優(yōu)化，在很大程度減少的能源的消耗，同時(shí)減小了對(duì)環(huán)境的污染，特別是在噪音污染方面有很大的發(fā)展。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文從機(jī)械制造綠色化的方向出發(fā)，對(duì)機(jī)械制造的體系進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)度，通過構(gòu)建框架模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)械制造要素進(jìn)行了全面的分析，結(jié)合其對(duì)環(huán)境和資源的特性，對(duì)機(jī)械制造做出了分析，并通過實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用和進(jìn)一步的分析和改善。

2 綠色機(jī)械制造加工的優(yōu)化模型

對(duì)機(jī)械加工的體系的調(diào)度是對(duì)生產(chǎn)目標(biāo)在機(jī)械加工的時(shí)間上進(jìn)行簡單的優(yōu)化。而傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)度是將任務(wù)分配在各個(gè)機(jī)床上，將生產(chǎn)次序和加工時(shí)間合理分配，這種層面的優(yōu)化只是在生產(chǎn)成本，時(shí)間和質(zhì)量方面進(jìn)行了優(yōu)化，沒有考慮到機(jī)械生產(chǎn)的綠色制造性。

（1）調(diào)度框圖模型

正如前面說過的，在機(jī)械加工的生產(chǎn)過程中，將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品是一定會(huì)有原料的浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境的污染，如果對(duì)與生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)度，就可以避免機(jī)械制造對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)資源的浪費(fèi)。

在對(duì)機(jī)械加工體系做出框圖模型后，以加工集中任務(wù)的相關(guān)參數(shù)以及加工系統(tǒng)中機(jī)床的特性參數(shù)為調(diào)度問題的輸入，以生產(chǎn)時(shí)間，成本，質(zhì)量以及資源的損耗和環(huán)境的污染作為調(diào)度的目標(biāo)，獲得合理的調(diào)度方案，合理安排生產(chǎn)時(shí)間，減少資源消耗和環(huán)境影響，做出框圖模型。

做出框圖模型，與傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行對(duì)比，可以看出綠色制造的優(yōu)化調(diào)度解決了資源消耗與環(huán)境污染的問題，而所列除的調(diào)度目標(biāo)并不是相互獨(dú)立的，而在優(yōu)化調(diào)度中相互聯(lián)系，相互影響。

（2）調(diào)度數(shù)學(xué)模型

進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建時(shí)，可以利用傳統(tǒng)的三元組描述機(jī)械加工的綠色制造優(yōu)化調(diào)度模型。

對(duì)資源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行決策時(shí)，優(yōu)化調(diào)度模型中的變量參數(shù)集會(huì)更為復(fù)雜，除了傳統(tǒng)的任務(wù)參數(shù)子集和機(jī)床參數(shù)子集外，還加入了加工任務(wù)的基本參數(shù)對(duì)機(jī)械加工的綠色制造進(jìn)行說明。

調(diào)度模型的約束集是對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)因素進(jìn)行約束和限制，通常與任務(wù)，人員，設(shè)備和計(jì)劃有關(guān)，而綠色制造的調(diào)度模型的約束集基本與傳統(tǒng)的調(diào)度模型一致，包括加工時(shí)間的約束，加工任務(wù)的約束等。

此外，還有調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)集，主要包括時(shí)間，成本，質(zhì)量，資源消耗和環(huán)境影響5個(gè)子目標(biāo)。分為與加工時(shí)間有關(guān)的函數(shù)如成本，任務(wù)量等和與加工時(shí)間無關(guān)的函數(shù)如產(chǎn)品質(zhì)量，廢棄物排放等。

（3）優(yōu)化模型的構(gòu)建

模型的構(gòu)建應(yīng)該顧及到傳統(tǒng)調(diào)度和綠色優(yōu)化兩方面，一方面包括生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品質(zhì)量，另一當(dāng)面包括資源消耗和環(huán)境影響，這是綠色制造優(yōu)化調(diào)度的基本依據(jù)。

在機(jī)械加工綠色制造的優(yōu)化調(diào)度中，資源消耗主要是指機(jī)床在工作過程中的能源消耗，包含機(jī)床的空載消耗，切削消耗和附加能耗。而對(duì)于環(huán)境的影響主要是切屑，包括切屑本身和其帶走的切削液對(duì)于環(huán)境的影響。切屑不作為優(yōu)化目標(biāo)，主要是切削液對(duì)于環(huán)境的影響，而采用機(jī)床對(duì)帶有切削液的切屑的過濾程度進(jìn)行描述。

3 實(shí)際示例

根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的建立，以能量消耗最小和加工時(shí)間最少為例，進(jìn)行應(yīng)用和分析。根據(jù)調(diào)度模型進(jìn)行模型描述，確定調(diào)度模型的參數(shù)集，然后采用禁忌算法對(duì)模型求解得到結(jié)果可知，與傳統(tǒng)調(diào)度模型相比，在最大加工完成時(shí)間相差不大的基礎(chǔ)上，減少了加工過程中的能量消耗，同時(shí)表明本文提出的綠色制造調(diào)度模型符合所提出的綠色制造目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對(duì)機(jī)械加工的綠色制造優(yōu)化調(diào)度的框圖模型以及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，對(duì)加工過程中的相關(guān)要素之間的聯(lián)系進(jìn)行描述，再結(jié)合機(jī)械加工的綠色化特性，建立相關(guān)的函數(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用分析。最后以能量消耗最小和完成時(shí)間最短的目標(biāo)為例，進(jìn)行分析表明通過進(jìn)行機(jī)械加工的綠色制造任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度可以在很大程度上減少資源消耗和環(huán)境影響。

在對(duì)機(jī)械加工綠色制造優(yōu)化調(diào)度的下一步研究中，應(yīng)致力于建立符合加工系統(tǒng)綠色性的目標(biāo)函數(shù)以及進(jìn)一步完善體系中的約束條件。這就需要研究人員和企業(yè)不斷地收集綠色制造的有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而創(chuàng)新和完善機(jī)械加工的綠色制造任務(wù)優(yōu)化調(diào)度。

參考文獻(xiàn)

劉飛 曹華軍 張華 綠色制造的理論與技術(shù) 北京：科學(xué)出版社 2005

胡仕成 徐曉飛 戰(zhàn)德臣 一種面向成本優(yōu)化的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度算法

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 2003 9（9）：735-739

王凌 車間調(diào)度及其遺傳算法 北京 清華大學(xué)出版，2003

李衛(wèi)星 現(xiàn)代生產(chǎn)管理 北京 中國商業(yè)出版社 1997

劉飛 徐宗俊 但斌 機(jī)械加工系統(tǒng)能量特性及其應(yīng)用 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995

曹華軍 劉飛 閻春平等 制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2005 41（6）：163-167

作者簡介：

徐偉（1994—），男，漢族，安徽省銅陵市人，學(xué)生，鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，工程力學(xué)。