程聯(lián)斌

(山西省機電設(shè)計研究院，山西 太原 030009)

0 引言

機械加工過程作為機械制造行業(yè)的一個重要生產(chǎn)過程，其主要功能是使用機床對毛坯零件進行加工，通過改變其形狀、尺寸以及表面質(zhì)量來獲得合格零件。機床作為機械加工任務(wù)的執(zhí)行者，是機械制造行業(yè)的核心設(shè)備。近年來，隨著全球能源短缺、環(huán)境污染問題的日益嚴重，“節(jié)能減排”的生產(chǎn)理念越來越得到重視，機械制造行業(yè)的節(jié)能減排生產(chǎn)也尤為重要。盡管，在機械加工過程中不直接發(fā)生碳的排放，但是其能耗會間接引起碳的排放。據(jù)統(tǒng)計，我國機床擁有量和使用量居世界第一，其能耗勢必非常大[1]。因此，實現(xiàn)機械加工過程中能耗的優(yōu)化，對降低能耗、減少環(huán)境污染具有重大意義。

1 總體節(jié)能思路與現(xiàn)狀分析

1.1 節(jié)能思路的總體分析

一個合格零件的加工需要多臺機床及相關(guān)輔助設(shè)備共同完成，因此在加工過程中需要對多方資源進行統(tǒng)一部署、籌劃并合理分配，才能在獲得最佳產(chǎn)品質(zhì)量的同時達到最佳加工效果。機床是機械加工過程中主要的耗能設(shè)備，通過減少機床在機械加工過程中的耗能可達到節(jié)能生產(chǎn)的目的。目前，可通過如下兩種途徑實現(xiàn)機床節(jié)能生產(chǎn)：①根據(jù)半成品的類型及加工零件的類別選擇最佳的機床，避免出現(xiàn)“大材小用”的現(xiàn)象；②當機床不參與加工過程時應(yīng)盡量將機床關(guān)閉或者減少其待機時長[2]。與上述兩種節(jié)能思路相對應(yīng)的管理辦法為優(yōu)化機械加工過程中的工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度。

1.1.1 工藝規(guī)劃的定義

所謂工藝規(guī)劃指的是根據(jù)所加工毛坯及待加工零件來制定最佳的加工方法和加工參數(shù)。根據(jù)所處階段的先后可將工藝規(guī)劃分為技術(shù)分析階段和資源分析階段，如圖1所示。

如圖1所示，技術(shù)分析階段主要是根據(jù)待加工零件的特征確定最佳的加工方法；資源分析階段基于加工方法為其配置最佳的加工設(shè)備組合，并完成最終的工藝規(guī)劃。

圖1 機械加工工藝規(guī)劃流程

1.1.2 生產(chǎn)調(diào)度的定義

所謂生產(chǎn)調(diào)度指的是根據(jù)機械零件的加工進度對現(xiàn)場所有參與加工機床的開機時機、加工時間以及待機時長進行統(tǒng)一規(guī)劃(提升作業(yè)工人加工熟練度、減少工藝運輸時長等)，達到縮短機床待機時間、減少機床耗能的目的[3]。

生產(chǎn)調(diào)度包括單機調(diào)度、并行機調(diào)度、加工車間調(diào)度、流水車調(diào)度以及開放車調(diào)度等。

1.2 現(xiàn)狀分析

盡管有些機械加工企業(yè)已經(jīng)意識到可通過優(yōu)化工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度的策略來實現(xiàn)降耗的目的。但是，在實際執(zhí)行中往往是從工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度的獨立角度開展機械加工過程中降耗的研究，導(dǎo)致最終的節(jié)能、降耗效果也是有限的。

因此，為實現(xiàn)最大的節(jié)能效果，需將工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度集成起來開展能耗優(yōu)化的研究，提高加工過程中生產(chǎn)資源的利用率，縮短零件的制造周期，從全局的角度降低機械加工過程中的能耗。

2 工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度的集成研究

2.1 非線性工藝規(guī)劃

工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度的集成模型包括非線性工藝規(guī)劃、閉環(huán)式工藝規(guī)劃以及分布式工藝規(guī)劃三種模型。目前，非線性工藝規(guī)劃模型的成熟度最高[4]。因此，本耗能優(yōu)化策略采用非線性工藝規(guī)劃的模型開展研究。

非線性工藝規(guī)劃是所有或者部分可替代項工藝規(guī)劃的統(tǒng)稱，其可替代項包括機械加工過程中涉及到的設(shè)備、加工順序以及加工工藝等。基于非線性工藝規(guī)劃能夠確保毛坯零件在進入加工車間之前即可形成所有可能的工藝流程，按照上述工藝流程可獲得滿足要求的零件。機械加工非線性工藝規(guī)劃遵循如下原則：先基準后其他、先主后輔、先粗后精、先面后孔、先內(nèi)后外、刀具集中以及保證位置精度等。

2.2 生產(chǎn)調(diào)度的意義

基于有效的生產(chǎn)調(diào)度，通過生產(chǎn)設(shè)備資源的共享和生產(chǎn)任務(wù)的先后順序可完成對應(yīng)的加工生產(chǎn)任務(wù)。簡單地說，對于一項生產(chǎn)任務(wù)而言，生產(chǎn)調(diào)度就是在滿足加工質(zhì)量要求和其他生產(chǎn)約束條件的基礎(chǔ)上，對各項生產(chǎn)資源進行分配，得到最合適的加工時間和加工順序[5]。

2.3 能耗優(yōu)化策略的實現(xiàn)

基于對機械加工過程中的工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度問題的綜合研究分析，實現(xiàn)工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度集成是實現(xiàn)機械加工節(jié)能、降耗的基礎(chǔ)。本文基于智能算法實現(xiàn)工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度的集成，具體步驟如下：

(1) 根據(jù)待加工工件的特征信息，基于非線性工藝規(guī)劃確定該工件加工生產(chǎn)可供選擇的工藝流程。

(2) 針對待加工工件，以其中一條可供選擇的工藝流程為例，為該加工流程中的各個工序隨機選擇一臺可用的機床。

(3) 根據(jù)待加工工件的工藝流程信息確定該工藝流程下對應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)度。

(4) 基于智能算法對上述形成的生產(chǎn)調(diào)度結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，得出生產(chǎn)調(diào)度的最優(yōu)解。

(5) 根據(jù)所得生產(chǎn)調(diào)度的最優(yōu)解判斷其是否滿足節(jié)能降耗以及產(chǎn)品質(zhì)量等要求，否則將重新從第(2)步選擇工藝流程。

3 能耗優(yōu)化策略的應(yīng)用

為驗證本文所提出的機械加工能耗優(yōu)化策略的可行性和有效性，以某制造企業(yè)中的某批次產(chǎn)品加工生產(chǎn)為例，基于非線性工藝規(guī)劃和智能算法確定該批次零件加工的工藝流程和最佳生產(chǎn)調(diào)度，并對該優(yōu)化策略下的生產(chǎn)加工能耗與采用傳統(tǒng)生產(chǎn)加工模式下的能耗進行對比。本文所研究的最終加工產(chǎn)品如圖2所示。

基于本文機械加工過程能耗優(yōu)化策略所得的加工工藝流程如圖3所示。

經(jīng)對比可知：針對該批次零件采用傳統(tǒng)加工模式下機床待機的總能耗為270 245.9 J,采用優(yōu)化策略下機床待機的總能耗為46 161.9 J，節(jié)約總能耗為224 084 J，總節(jié)能效率為83%。

圖2 產(chǎn)品形狀與尺寸示意圖

f1-軸段外圓面1；f2-軸段外圓面2；f3-1#孔；f4-2#孔

4 總結(jié)

機械加工生產(chǎn)行業(yè)作為國民生產(chǎn)、生活必不可少的行業(yè)，是機械制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在當前節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)概念的大力號召下，實現(xiàn)機械加工過程的降耗是十分有必要的。由于傳統(tǒng)機械加工工藝的制定和設(shè)計僅由獨立的工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度所決定，導(dǎo)致其耗能較大。因此，本文采用非線性工藝規(guī)劃和智能生產(chǎn)調(diào)度相結(jié)合的方式實現(xiàn)機械加工的能耗優(yōu)化。經(jīng)實踐表明，此耗能優(yōu)化策略的節(jié)能效率可達83%。