机械加工制造能耗优化方法

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【摘要】机械加工是指将各种资源转变为产品或服务的过程，在此过程中，机床设备是重要的耗能制造资源。为了减少资源浪费，保证全球生态系统的稳定性，需要在机械加工过程中进行能耗优化。论文研究机械加工过程中的能耗优化，为相关工程提供参考。

【关键词】机械加工；优化；节能减排

1机床设备资源的状态建模与量化评估

1.1机床设备资源状态建模。本文所提到的制造资源指参与到整个生产周期的物理元素，根据资源的操作权限和合作层次，一般将其分为车间层、生产单元层以及设备层。而一般的工艺设备需要组合在机床上才能进行机械加工，所以重点探讨机床设备。机床设备的管理由车间层来完成，负责记录机床的工作时间、故障时间及加工零件数等内容。这些状态信息一般由设备层采集，将其提供给生产单元层以及车间层等较高管理层进行信息整合。数控机床的状态采集利用自动化的办法将数据存储于数据库中，方便不同部门使用。1.2机床设备状态的量化评估。机床设备的量化评估一般是为了约束工艺规划时的资源配置，使资源决策更加合理，进而使设计工艺的可执行性得到提高。根据制造资源建模分析得出，由于使用目的的不用，得到的机床设备信息也不尽相同。

2机械加工制造过程能耗的定量分析

机械加工制造过程中的优化基础便是能耗的定量分析和计算。机床是重要的机械耗能资源，对于机床的能耗分析一般是其在时间维上的分析，机床的能耗可以根据有无加工任务分为加工时间段的能耗和非加工时间段的能耗。而加工时间，是指零件在机床上从开始加工到结束加工的时间。在加工开始初期阶段，操作人员会进行零件的安装和刀具的安装等操作，在这一过程中，只要机床没有关机，就会产生能耗。以往在进行能耗优化时主要针对的是单台设备的优化，而从生产调度方面优化时，往往针对机床在非加工时间段的总能耗，进而分析得出，机床加工的可优化能耗是机床待机能耗。

3面向低碳制造的工艺规划研究

为了供生产现场可以选择更多的零件工艺路线，提出非线性工艺规划，不同的工艺路线所产生的能耗也不同。非线性工艺在零件进行加工之前就能生成不同的线路，均可满足零件的加工制造需求。在生产现场根据最优产能，选择合适的工艺路线来加工零件，不仅提高了生产车间对生产任务的响应性，还提高了生产加工的灵活性。因此，非线性规划有利于集成工艺规划和生产调度。工艺规划与生产调度的集成研究一般是零件生成各种工艺方案，在进行各方权衡后，使零件有最优的工艺路线和机床设备，这样做不仅改善了加工条件，还减少了在机械加工过程中的能量损耗，减小制造周期。实现工艺规划与生产调度的集成方法有很多，本文采用的非线性工艺规划模型在数学表达上实际是一个普通的混合整数规划模型，已经有很多成熟的求解办法，如分支定界法、拉格朗日松弛法等解法。虽然这些求解方法能得到精确的最优解，但一旦问题规模增加，这些传统的算法就有些捉襟见肘。因此，出现了很多的智能算法，如遗传算法、粒子群算法等，通过放弃寻找最优解，转而获得满足实际应用的最优解。

4机械加工过程能耗优化实例分析

4.1典型机械产品零件及其可选方案。某企业具有良好的数字化、信息化基础，且实施过数控增效等一系列数字化工程项目，车间内部已经有较多的数控机床来提高机械加工工序的数控化率，可以协同各部门完成多品种、小批量的生产，进行数据信息的采集和存储。现有3个A型零件、2个B型零件、2个C型零件属于同一加工批次的不同零件。对这3类零件进行非线性工艺优化设计时，先结合毛坯和设计信息分析出设计特征和约束，建立初始AOS树，接着根据工艺特征的精度和要求，采用特征映射技术获取适合各工艺特征的加工方法，建立工艺特征的AOS树，最后将这2种AOS树整合起来，便获得零件的非线性工艺规划AOS树。通过AOS树中的节点遍历，可以找到相应的工艺活动以及约束关系，再将工艺特征相似的工艺活动归为同一步工艺，例如，同一机床设备、同一工件夹装状态下刀具跟切削余量相同的工艺活动。为了减少误差，一次夹装就可以完成多道工序，将不同的工艺特征可归到同一工序进行加工，进而得到零件的工艺路线和加工内容。然后根据得到的内容进行机床、刀具、切削液等的编制，确定好合理的加工路径进行加工。除了数控机床上的机械加工时间由数控程序决定，普通机床的加工不仅要考虑到工件的质量、夹具的选择等，还要考虑到工人的熟练水平和休息停机时间。4.2加工机械设备状态的量化评估。根据机床设备状态评价指标可知需要获得机床设备的自身状态、生产车间的状态以及所属生产单元的状态[1]。由于机床设备的性质不同，指标量化值无法直接比较，所以采用了模糊数来评价。首先根据指标体系在第1层进行初级模糊评判，然后看第2层有没有相关联的单个指标，开始进行第2层的模糊综合评判，分析整合得到综合评判值。对于这2层指标的评判，采用层次分析法，应该建立包括企业高管、车间主任、设计师以及工人在内的评判小组。根据计算得出的指标权重，分析整个车间运行过程对能耗有没有足够的重视。4.3机械加工过程中零件的能耗计算。首先应建立机床动素功率模型，一般有3种方法；(1)查看相关机械加工手册或者机床使用说明；（2）实验测量，通过功率采集装置来获得相关动素的功率；（3）将模型跟实验数据结合分析，首先进行理论分析，然后在实验过程中对模型中的一些参数进行测量获得。因为机械加工工艺活动是由数控指令决定的，所以从相关指令中获得机械加工的工艺活动，进而在各种活动中选择对应的演化规则确定各机床包含的执行动素，建立起工艺活动与动素之间的映射关系。4.4不同机械加工活动能耗优化方式对比。在实际生产运输中，体积、重量已知的工件采用固定的运输方式，所以从当前机床设备到目的机床设备的运输距离就成为影响运输时间的主要因素。车间机床的布局决定了机床设备之间的距离，这样可以计算出不同零件在不同机床设备之间的运输时间。当机械加工的工艺路线确定时，集成问题主要体现在车间机床的调度问题上，但如果机床也确定，那这种问题将成为传统车间的调度问题。4.5集成模型求解分析。在求解多目标优化问题时应先确定目标的权重，如果企业当前的生产安排，零件具有确定的加工工艺流程以及相应的工艺路线，而且机床的分配也固定，那就应该考虑所有零件进行加工时机床的工作状态、所需要的加工时间以及能量优化的目标能不能达成。而能耗作为独立的优化目标，在进行工艺规划与生产调度集成时可以改善车间的现状。

5结语

本文针对机械零件加工过程中的能量优化问题进行了分析，从机床设备的状态量化分析到加工过程中的能耗计算，对工艺规划与生产调度进行了集成研究，不仅有利于相关企业进行能耗优化时采用，还能达到节能减排的目的，保护地球环境。

【参考文献】

【1】李育锋.机械加工车间多能耗特征建模及任务节能优化配置方法研究[D].重庆:重庆大学,2015.

作者:周秉伟 单位:河南化工技师学院