導(dǎo)語：機械加工制造能耗優(yōu)化方法一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】機械加工是指將各種資源轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品或服務(wù)的過程，在此過程中，機床設(shè)備是重要的耗能制造資源。為了減少資源浪費，保證全球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要在機械加工過程中進行能耗優(yōu)化。論文研究機械加工過程中的能耗優(yōu)化，為相關(guān)工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】機械加工；優(yōu)化；節(jié)能減排

1機床設(shè)備資源的狀態(tài)建模與量化評估

1.1機床設(shè)備資源狀態(tài)建模。本文所提到的制造資源指參與到整個生產(chǎn)周期的物理元素，根據(jù)資源的操作權(quán)限和合作層次，一般將其分為車間層、生產(chǎn)單元層以及設(shè)備層。而一般的工藝設(shè)備需要組合在機床上才能進行機械加工，所以重點探討機床設(shè)備。機床設(shè)備的管理由車間層來完成，負責(zé)記錄機床的工作時間、故障時間及加工零件數(shù)等內(nèi)容。這些狀態(tài)信息一般由設(shè)備層采集，將其提供給生產(chǎn)單元層以及車間層等較高管理層進行信息整合。數(shù)控機床的狀態(tài)采集利用自動化的辦法將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，方便不同部門使用。1.2機床設(shè)備狀態(tài)的量化評估。機床設(shè)備的量化評估一般是為了約束工藝規(guī)劃時的資源配置，使資源決策更加合理，進而使設(shè)計工藝的可執(zhí)行性得到提高。根據(jù)制造資源建模分析得出，由于使用目的的不用，得到的機床設(shè)備信息也不盡相同。

2機械加工制造過程能耗的定量分析

機械加工制造過程中的優(yōu)化基礎(chǔ)便是能耗的定量分析和計算。機床是重要的機械耗能資源，對于機床的能耗分析一般是其在時間維上的分析，機床的能耗可以根據(jù)有無加工任務(wù)分為加工時間段的能耗和非加工時間段的能耗。而加工時間，是指零件在機床上從開始加工到結(jié)束加工的時間。在加工開始初期階段，操作人員會進行零件的安裝和刀具的安裝等操作，在這一過程中，只要機床沒有關(guān)機，就會產(chǎn)生能耗。以往在進行能耗優(yōu)化時主要針對的是單臺設(shè)備的優(yōu)化，而從生產(chǎn)調(diào)度方面優(yōu)化時，往往針對機床在非加工時間段的總能耗，進而分析得出，機床加工的可優(yōu)化能耗是機床待機能耗。

3面向低碳制造的工藝規(guī)劃研究

為了供生產(chǎn)現(xiàn)場可以選擇更多的零件工藝路線，提出非線性工藝規(guī)劃，不同的工藝路線所產(chǎn)生的能耗也不同。非線性工藝在零件進行加工之前就能生成不同的線路，均可滿足零件的加工制造需求。在生產(chǎn)現(xiàn)場根據(jù)最優(yōu)產(chǎn)能，選擇合適的工藝路線來加工零件，不僅提高了生產(chǎn)車間對生產(chǎn)任務(wù)的響應(yīng)性，還提高了生產(chǎn)加工的靈活性。因此，非線性規(guī)劃有利于集成工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度。工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度的集成研究一般是零件生成各種工藝方案，在進行各方權(quán)衡后，使零件有最優(yōu)的工藝路線和機床設(shè)備，這樣做不僅改善了加工條件，還減少了在機械加工過程中的能量損耗，減小制造周期。實現(xiàn)工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度的集成方法有很多，本文采用的非線性工藝規(guī)劃模型在數(shù)學(xué)表達上實際是一個普通的混合整數(shù)規(guī)劃模型，已經(jīng)有很多成熟的求解辦法，如分支定界法、拉格朗日松弛法等解法。雖然這些求解方法能得到精確的最優(yōu)解，但一旦問題規(guī)模增加，這些傳統(tǒng)的算法就有些捉襟見肘。因此，出現(xiàn)了很多的智能算法，如遺傳算法、粒子群算法等，通過放棄尋找最優(yōu)解，轉(zhuǎn)而獲得滿足實際應(yīng)用的最優(yōu)解。

4機械加工過程能耗優(yōu)化實例分析

4.1典型機械產(chǎn)品零件及其可選方案。某企業(yè)具有良好的數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)，且實施過數(shù)控增效等一系列數(shù)字化工程項目，車間內(nèi)部已經(jīng)有較多的數(shù)控機床來提高機械加工工序的數(shù)控化率，可以協(xié)同各部門完成多品種、小批量的生產(chǎn)，進行數(shù)據(jù)信息的采集和存儲。現(xiàn)有3個A型零件、2個B型零件、2個C型零件屬于同一加工批次的不同零件。對這3類零件進行非線性工藝優(yōu)化設(shè)計時，先結(jié)合毛坯和設(shè)計信息分析出設(shè)計特征和約束，建立初始AOS樹，接著根據(jù)工藝特征的精度和要求，采用特征映射技術(shù)獲取適合各工藝特征的加工方法，建立工藝特征的AOS樹，最后將這2種AOS樹整合起來，便獲得零件的非線性工藝規(guī)劃AOS樹。通過AOS樹中的節(jié)點遍歷，可以找到相應(yīng)的工藝活動以及約束關(guān)系，再將工藝特征相似的工藝活動歸為同一步工藝，例如，同一機床設(shè)備、同一工件夾裝狀態(tài)下刀具跟切削余量相同的工藝活動。為了減少誤差，一次夾裝就可以完成多道工序，將不同的工藝特征可歸到同一工序進行加工，進而得到零件的工藝路線和加工內(nèi)容。然后根據(jù)得到的內(nèi)容進行機床、刀具、切削液等的編制，確定好合理的加工路徑進行加工。除了數(shù)控機床上的機械加工時間由數(shù)控程序決定，普通機床的加工不僅要考慮到工件的質(zhì)量、夾具的選擇等，還要考慮到工人的熟練水平和休息停機時間。4.2加工機械設(shè)備狀態(tài)的量化評估。根據(jù)機床設(shè)備狀態(tài)評價指標可知需要獲得機床設(shè)備的自身狀態(tài)、生產(chǎn)車間的狀態(tài)以及所屬生產(chǎn)單元的狀態(tài)[1]。由于機床設(shè)備的性質(zhì)不同，指標量化值無法直接比較，所以采用了模糊數(shù)來評價。首先根據(jù)指標體系在第1層進行初級模糊評判，然后看第2層有沒有相關(guān)聯(lián)的單個指標，開始進行第2層的模糊綜合評判，分析整合得到綜合評判值。對于這2層指標的評判，采用層次分析法，應(yīng)該建立包括企業(yè)高管、車間主任、設(shè)計師以及工人在內(nèi)的評判小組。根據(jù)計算得出的指標權(quán)重，分析整個車間運行過程對能耗有沒有足夠的重視。4.3機械加工過程中零件的能耗計算。首先應(yīng)建立機床動素功率模型，一般有3種方法；(1)查看相關(guān)機械加工手冊或者機床使用說明；（2）實驗測量，通過功率采集裝置來獲得相關(guān)動素的功率；（3）將模型跟實驗數(shù)據(jù)結(jié)合分析，首先進行理論分析，然后在實驗過程中對模型中的一些參數(shù)進行測量獲得。因為機械加工工藝活動是由數(shù)控指令決定的，所以從相關(guān)指令中獲得機械加工的工藝活動，進而在各種活動中選擇對應(yīng)的演化規(guī)則確定各機床包含的執(zhí)行動素，建立起工藝活動與動素之間的映射關(guān)系。4.4不同機械加工活動能耗優(yōu)化方式對比。在實際生產(chǎn)運輸中，體積、重量已知的工件采用固定的運輸方式，所以從當前機床設(shè)備到目的機床設(shè)備的運輸距離就成為影響運輸時間的主要因素。車間機床的布局決定了機床設(shè)備之間的距離，這樣可以計算出不同零件在不同機床設(shè)備之間的運輸時間。當機械加工的工藝路線確定時，集成問題主要體現(xiàn)在車間機床的調(diào)度問題上，但如果機床也確定，那這種問題將成為傳統(tǒng)車間的調(diào)度問題。4.5集成模型求解分析。在求解多目標優(yōu)化問題時應(yīng)先確定目標的權(quán)重，如果企業(yè)當前的生產(chǎn)安排，零件具有確定的加工工藝流程以及相應(yīng)的工藝路線，而且機床的分配也固定，那就應(yīng)該考慮所有零件進行加工時機床的工作狀態(tài)、所需要的加工時間以及能量優(yōu)化的目標能不能達成。而能耗作為獨立的優(yōu)化目標，在進行工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度集成時可以改善車間的現(xiàn)狀。

5結(jié)語

本文針對機械零件加工過程中的能量優(yōu)化問題進行了分析，從機床設(shè)備的狀態(tài)量化分析到加工過程中的能耗計算，對工藝規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度進行了集成研究，不僅有利于相關(guān)企業(yè)進行能耗優(yōu)化時采用，還能達到節(jié)能減排的目的，保護地球環(huán)境。

【參考文獻】

【1】李育鋒.機械加工車間多能耗特征建模及任務(wù)節(jié)能優(yōu)化配置方法研究[D].重慶:重慶大學(xué),2015.

作者:周秉偉 單位:河南化工技師學(xué)院