機械加工制造能耗優化方法

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【摘要】機械加工是指將各種資源轉變為產品或服務的過程，在此過程中，機床設備是重要的耗能制造資源。為了減少資源浪費，保證全球生態系統的穩定性，需要在機械加工過程中進行能耗優化。論文研究機械加工過程中的能耗優化，為相關工程提供參考。

【關鍵詞】機械加工；優化；節能減排

1機床設備資源的狀態建模與量化評估

1.1機床設備資源狀態建模。本文所提到的制造資源指參與到整個生產周期的物理元素，根據資源的操作權限和合作層次，一般將其分為車間層、生產單元層以及設備層。而一般的工藝設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備。機床設備的管理由車間層來完成，負責記錄機床的工作時間、故障時間及加工零件數等內容。這些狀態信息一般由設備層采集，將其提供給生產單元層以及車間層等較高管理層進行信息整合。數控機床的狀態采集利用自動化的辦法將數據存儲于數據庫中，方便不同部門使用。1.2機床設備狀態的量化評估。機床設備的量化評估一般是為了約束工藝規劃時的資源配置，使資源決策更加合理，進而使設計工藝的可執行性得到提高。根據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化基礎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有無加工任務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，只要機床沒有關機，就會產生能耗。以往在進行能耗優化時主要針對的是單臺設備的優化，而從生產調度方面優化時，往往針對機床在非加工時間段的總能耗，進而分析得出，機床加工的可優化能耗是機床待機能耗。

3面向低碳制造的工藝規劃研究

為了供生產現場可以選擇更多的零件工藝路線，提出非線性工藝規劃，不同的工藝路線所產生的能耗也不同。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。在生產現場根據最優產能，選擇合適的工藝路線來加工零件，不僅提高了生產車間對生產任務的響應性，還提高了生產加工的靈活性。因此，非線性規劃有利于集成工藝規劃和生產調度。工藝規劃與生產調度的集成研究一般是零件生成各種工藝方案，在進行各方權衡后，使零件有最優的工藝路線和機床設備，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。實現工藝規劃與生產調度的集成方法有很多，本文采用的非線性工藝規劃模型在數學表達上實際是一個普通的混合整數規劃模型，已經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解，但一旦問題規模增加，這些傳統的算法就有些捉襟見肘。因此，出現了很多的智能算法，如遺傳算法、粒子群算法等，通過放棄尋找最優解，轉而獲得滿足實際應用的最優解。

4機械加工過程能耗優化實例分析

4.1典型機械產品零件及其可選方案。某企業具有良好的數字化、信息化基礎，且實施過數控增效等一系列數字化工程項目，車間內部已經有較多的數控機床來提高機械加工工序的數控化率，可以協同各部門完成多品種、小批量的生產，進行數據信息的采集和存儲。現有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化設計時，先結合毛坯和設計信息分析出設計特征和約束，建立初始AOS樹，接著根據工藝特征的精度和要求，采用特征映射技術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劃AOS樹。通過AOS樹中的節點遍歷，可以找到相應的工藝活動以及約束關系，再將工藝特征相似的工藝活動歸為同一步工藝，例如，同一機床設備、同一工件夾裝狀態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容。然后根據得到的內容進行機床、刀具、切削液等的編制，確定好合理的加工路徑進行加工。除了數控機床上的機械加工時間由數控程序決定，普通機床的加工不僅要考慮到工件的質量、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加工機械設備狀態的量化評估。根據機床設備狀態評價指標可知需要獲得機床設備的自身狀態、生產車間的狀態以及所屬生產單元的狀態[1]。由于機床設備的性質不同，指標量化值無法直接比較，所以采用了模糊數來評價。首先根據指標體系在第1層進行初級模糊評判，然后看第2層有沒有相關聯的單個指標，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，應該建立包括企業高管、車間主任、設計師以及工人在內的評判小組。根據計算得出的指標權重，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。首先應建立機床動素功率模型，一般有3種方法；(1)查看相關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動素的功率；（3）將模型跟實驗數據結合分析，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進行測量獲得。因為機械加工工藝活動是由數控指令決定的，所以從相關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的演化規則確定各機床包含的執行動素，建立起工藝活動與動素之間的映射關系。4.4不同機械加工活動能耗優化方式對比。在實際生產運輸中，體積、重量已知的工件采用固定的運輸方式，所以從當前機床設備到目的機床設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備之間的距離，這樣可以計算出不同零件在不同機床設備之間的運輸時間。當機械加工的工藝路線確定時，集成問題主要體現在車間機床的調度問題上，但如果機床也確定，那這種問題將成為傳統車間的調度問題。4.5集成模型求解分析。在求解多目標優化問題時應先確定目標的權重，如果企業當前的生產安排，零件具有確定的加工工藝流程以及相應的工藝路線，而且機床的分配也固定，那就應該考慮所有零件進行加工時機床的工作狀態、所需要的加工時間以及能量優化的目標能不能達成。而能耗作為獨立的優化目標，在進行工藝規劃與生產調度集成時可以改善車間的現狀。

5結語

本文針對機械零件加工過程中的能量優化問題進行了分析，從機床設備的狀態量化分析到加工過程中的能耗計算，對工藝規劃與生產調度進行了集成研究，不僅有利于相關企業進行能耗優化時采用，還能達到節能減排的目的，保護地球環境。

【參考文獻】

【1】李育鋒.機械加工車間多能耗特征建模及任務節能優化配置方法研究[D].重慶:重慶大學,2015.

作者:周秉偉 單位:河南化工技師學院