機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品或服務(wù)的過程中消耗了大量能量。機(jī)械加工作為制造業(yè)的主要生產(chǎn)過程，機(jī)床是機(jī)械加工制造過程的重要耗能制造資源。為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，提高制造業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品零件的機(jī)械加工制造過程能耗進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)低碳制造具有重要意義。本文從工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度兩方面出發(fā)研究機(jī)械加工制造過程能耗優(yōu)化現(xiàn)狀，為相關(guān)的研究工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；能耗優(yōu)化；生產(chǎn)工藝

現(xiàn)有的機(jī)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(chǎn)調(diào)度兩方面開展進(jìn)行：

（1）工藝規(guī)劃方面

由于工藝規(guī)劃一般在工件進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工之前進(jìn)行，工藝規(guī)劃涉及的工藝路線、工藝方法、機(jī)床和工藝裝備、切削液、加工參數(shù)等內(nèi)容決定了機(jī)械加工工藝過程對(duì)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(guān)注工藝過程的環(huán)境友好性，進(jìn)行面向綠色制造的工藝規(guī)劃研究。Munoz等提出了針對(duì)機(jī)械加工工藝過程環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的分析模型，對(duì)切削過程能耗、刀具磨損、切削液消耗、切削液的毒性等內(nèi)容進(jìn)行了定量分析，有利于進(jìn)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(shí)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(guān)系的宏規(guī)劃和針對(duì)單個(gè)特征的微規(guī)劃兩個(gè)階段，其中宏規(guī)劃主要進(jìn)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(duì)單個(gè)特征進(jìn)行加工能耗、加工時(shí)間、廢物流、質(zhì)量參數(shù)等內(nèi)容的預(yù)測(cè)和設(shè)定Singh等提出了一種用于評(píng)估產(chǎn)品配置及其環(huán)境影響的環(huán)境意識(shí)工藝規(guī)劃系統(tǒng)方法，能夠在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)時(shí)通過選取環(huán)境績(jī)效指標(biāo)處理不同的產(chǎn)品特性及其環(huán)境影響。國(guó)內(nèi)的重慶大學(xué)和武漢科技大學(xué)，在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家863計(jì)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?jī)?nèi)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(jī)床設(shè)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(píng)價(jià)方法研究等。

由于低碳制造突出了從全生命周期對(duì)碳排放進(jìn)行量化和減少的特點(diǎn)，所以從工藝規(guī)劃方面進(jìn)行機(jī)械加工制造過程能耗優(yōu)化研究離不開機(jī)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(jìn)行機(jī)械加工制造過程能耗優(yōu)化研究中也得到了廣泛的認(rèn)可，但是目前對(duì)宏規(guī)劃階段的研究極少，例如李聰波等為實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械零部件特征，建立以工藝路線最短總加工時(shí)間和最低總碳排放為優(yōu)化目標(biāo)的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型，并應(yīng)用改進(jìn)的NSGA-II算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)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(chǎn)調(diào)度方面

對(duì)于制造企業(yè)，其機(jī)械加工制造資源和制造能力通常相對(duì)穩(wěn)定。從工藝規(guī)劃的角度考慮，為各機(jī)械加工工序選用節(jié)能的機(jī)床設(shè)備，優(yōu)化機(jī)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(jī)械加工工藝過程能耗，進(jìn)而減少整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品零件的機(jī)械加工制造過程能耗，然而效果有限。因?yàn)闄C(jī)械加工制造過程涉及很多制造資源，產(chǎn)生的能耗不只包含機(jī)床執(zhí)行機(jī)械加工工藝時(shí)的能耗，也包括機(jī)床無(wú)加工任務(wù)待機(jī)時(shí)的能耗、運(yùn)輸設(shè)備在車間內(nèi)進(jìn)行工件流轉(zhuǎn)運(yùn)輸過程中的能耗等內(nèi)容。與依靠替換或升級(jí)改進(jìn)硬件設(shè)備相比，從生產(chǎn)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(chǎn)組織管理中的生產(chǎn)調(diào)度方面。

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

在單機(jī)調(diào)度問題研究方面：Mouzon等指出關(guān)閉空閑狀態(tài)的非瓶頸機(jī)床設(shè)備可以節(jié)能，并針對(duì)單機(jī)調(diào)度問題制定了一些調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建了能夠結(jié)合調(diào)度規(guī)則預(yù)測(cè)加工任務(wù)到來(lái)時(shí)間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及以減少能耗和總完工時(shí)間為目標(biāo)的多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，Mouzon在其后續(xù)研究中又提出了一種同時(shí)考慮能耗和總延遲時(shí)間的多目標(biāo)能耗優(yōu)化框架，Shrouf等針對(duì)單機(jī)生產(chǎn)調(diào)度問題提出了一種在能源價(jià)格持續(xù)變化情境下減少能耗成本的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床在用電高峰時(shí)段能耗的減少，進(jìn)而節(jié)約成本和減輕用電高峰的能量需求壓力。

在并行機(jī)調(diào)度問題研究方面：何彥建立了以能耗和完工時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)的節(jié)能型調(diào)度應(yīng)用模型，并使用禁忌搜索算法實(shí)現(xiàn)了模型的求解，由于機(jī)床的CPU頻率影響機(jī)床的加工速度，較高的機(jī)床加工速度盡管會(huì)縮短加工時(shí)間，但也可能產(chǎn)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(biāo)，以工件的機(jī)床指派、各機(jī)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(shè)計(jì)兩種啟發(fā)式算法和應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法獲得了模型的近似解。

在流水車間調(diào)度問題研究方面：Fang等針對(duì)流水車間調(diào)度問題提出了一個(gè)綜合考慮完工時(shí)間、峰值功率負(fù)載以及碳足跡目標(biāo)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型；Bruzzone等提出了一個(gè)柔性流水車間環(huán)境下，改進(jìn)商業(yè)的高級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)系統(tǒng)生成的作業(yè)調(diào)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(jī)床的加工任務(wù)以及任務(wù)加工次序不變的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能以及車間峰值功率的降低；Dai等針對(duì)柔性流水車間調(diào)度問題建立了一個(gè)旨在減少制造系統(tǒng)完工時(shí)間和能耗的能效模型，并采用改進(jìn)的遺傳模擬退火算法實(shí)現(xiàn)了模型的求解。楊海東等考慮串行生產(chǎn)線中機(jī)器功率、空閑時(shí)間等因素對(duì)生產(chǎn)能耗的影響，建立了以高效低碳為目標(biāo)的置換流水車間低碳調(diào)度模型，并提出了采用啟發(fā)式規(guī)則和差分進(jìn)化操作的遺傳算法對(duì)模型進(jìn)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(diào)度問題，建立了以加工機(jī)器能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)的加工裝配式流水車間節(jié)能調(diào)度模型，并采用混合差分算法實(shí)現(xiàn)了模型的求解。

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作者簡(jiǎn)介：凌青，身份證號(hào)：320902198501123037.