0 引言

    隨著全球范圍內(nèi)環(huán)境意識的不斷增強，特別是歐盟WEEE和RoHS兩項環(huán)保指令付諸實施后，我國制造企業(yè)面臨日益嚴(yán)峻的國際綠色貿(mào)易壁壘。此外，ISO14000環(huán)境管理體系認(rèn)證、OHSAS職業(yè)安全衛(wèi)生管理體系認(rèn)證以及環(huán)境標(biāo)志等一系列與環(huán)境相關(guān)的認(rèn)證，也已逐漸成為國際市場的基本準(zhǔn)入條件。面對國內(nèi)外嚴(yán)峻的資源環(huán)境問題挑戰(zhàn)，降低制造過程的資源消耗、減少環(huán)境污染已成為我國制造業(yè)發(fā)展過程中亟待解決的熱點問題。綠色制造系統(tǒng)工程的應(yīng)用實施是制造企業(yè)生存發(fā)展和提高核心競爭力的必由之路。

    近十年來，國內(nèi)外專家學(xué)者就綠色制造和企業(yè)生產(chǎn)過程的環(huán)境影響問題進(jìn)行過諸多研究。劉飛等國內(nèi)學(xué)者揭示了綠色制造的集成特性，論述了綠色制造的理論體系。張華在綠色制造理論基礎(chǔ)上提出了機械產(chǎn)品物料資源消耗的分析模型。在優(yōu)化方法方面，江志剛等提出了工藝參數(shù)優(yōu)化模型的混合基因算法。張琪給出了一種元胞自動機的人工生命優(yōu)化方法。顧云麗發(fā)展了一種結(jié)合人工生命系統(tǒng)和粒子群算法的混合算法，并用Rosenbrock函數(shù)加以驗證。在基于綠色制造的車間規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度研究領(lǐng)域，何彥等提出了車間生產(chǎn)雙目標(biāo)節(jié)能規(guī)劃模型。美國工程院院士Floudas教授利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法對工藝調(diào)度問題進(jìn)行求解，Janak和他共同提出的響應(yīng)規(guī)劃方法對大批量制造車間進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度。同一時期，Gutuwski提出了制造工藝環(huán)境載荷的測量方法。Jurisevic和Anselmo則對射流加工和干切削等新工藝進(jìn)行了研究。

    以上研究工作多是圍繞產(chǎn)品制造過程或車間生產(chǎn)調(diào)度的某一具體問題或單項技術(shù)展開，而對基于系統(tǒng)工程學(xué)的綠色制造集成技術(shù)缺乏系統(tǒng)的研究。遵循綠色規(guī)劃和優(yōu)化運行的原則，本文針對通用機械的制造車間系統(tǒng)提出了一種綜合的綠色制造系統(tǒng)工程方法，通過求解系統(tǒng)模型的優(yōu)化變量來控制制造系統(tǒng)的資源環(huán)境影響因素，并在實際生產(chǎn)過程中通過技術(shù)集成加以實現(xiàn)。

1 通用機械加工車間及其—般生產(chǎn)流程

    以某國有大型火電閥門生產(chǎn)企業(yè)的機械加工車間作為研究對象。該車間屬通用機械的機制加工車間，加工裝備按生產(chǎn)區(qū)域和機群布置。該車間大多數(shù)機械產(chǎn)品的工藝流程如圖1所示。為了構(gòu)建在綠色規(guī)劃原則下運行的車間系統(tǒng)，必須全面考慮影響通用機械一般生產(chǎn)過程的資源環(huán)境因素，包括物流強度、材料利用率、貯存和運輸、機械加工裝備布局以及環(huán)境影響評估等。在此基礎(chǔ)上建立通用機械加工車間及其生產(chǎn)過程的系統(tǒng)模型。

    圖1 通用機械生產(chǎn)的一般流程

2 面向資源環(huán)境屬性的車間制造系統(tǒng)優(yōu)化

    通過控制和優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，工藝要素、裝備以及生產(chǎn)運行調(diào)度被應(yīng)用于通用機械的工藝設(shè)計和實物制造，以此構(gòu)建滿足綠色制造系統(tǒng)工程要求的車間系統(tǒng)模型。目標(biāo)函數(shù)fc、fy、fe分別是能耗、物耗和環(huán)境影響指標(biāo)。約束函數(shù)gt、gq、ge、gf分別是生產(chǎn)周期、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本和產(chǎn)品性能。生產(chǎn)運行參數(shù)也可作為約束條件加以考慮。比如技術(shù)條件gp、車間規(guī)劃gt和生產(chǎn)調(diào)度gs。該系統(tǒng)模型如式(1)所示：

    其中X=(x1，x2，…，xn)，i=1，2，…，n表示系統(tǒng)優(yōu)化變量，其作為離散變量描述有關(guān)的生產(chǎn)影響因素，這些因素通常是通用機械生產(chǎn)過程參數(shù)，比如產(chǎn)能、機加工工藝參數(shù)、廠房設(shè)計參數(shù)、機床刀具切削液型號規(guī)格等。It，Iq，Ic，If，Ip，It，Is表示相應(yīng)約束的性能指標(biāo)向量，包括機械性能指標(biāo)、精度粗糙度、運輸距離、物流強度、生產(chǎn)任務(wù)以及其他技術(shù)限制。

    在車間系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)中，每一個約束尤其是涉及技術(shù)和裝備限制的約束、物流強度或車間布局、生產(chǎn)調(diào)度方式，都可由一組反映生產(chǎn)過程內(nèi)在空間、時間關(guān)聯(lián)的函數(shù)表達(dá)。比如能耗作為目標(biāo)之一，由能耗與機床空閑時間、空工步時間之間的數(shù)量關(guān)系表達(dá)�？展げ綍r間與能耗間的關(guān)系可用公式(2)表達(dá)。

    同理，機床空閑時間可由公式(3)表示。

    調(diào)度函數(shù)要求車間中同時工作的機床數(shù)量最小，以使車間系統(tǒng)的總工時最短從而達(dá)到節(jié)能目的。其數(shù)學(xué)表達(dá)如公式(4)所示。

    公式(5)描述了車間機床的數(shù)量約束。

    優(yōu)化求解則是基于遺傳算法和元胞自動機的人工生命算法(GA-CA)，該算法在求解大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化問題中具有較高的計算精度和較好的收斂性能。假定人工生命個體是多維向量X，由一組系統(tǒng)優(yōu)化變量組成，并在歐幾里得幾何空間中構(gòu)造一個鄰域C，如式(6)所示。

    其中，D表示種群空間的邊界。它可被定義為常數(shù)以表示迭代步數(shù)或進(jìn)化代數(shù)。xi表示人工生命體在種群空間的當(dāng)前狀態(tài)或位置。

    元胞自動機的種群空間簡化為2D平面，并被劃分網(wǎng)格。GA-CA算法用Moore模型的人工生命進(jìn)化操作代替了遺傳算法中單點染色體交叉的進(jìn)化規(guī)則。GA-CA算法的實質(zhì)是操作種群空間2D矩陣中的單個染色體。元胞自動機的迭代操作如圖2所示，生的元胞為黑，賦值1，死的元胞為白，賦值0。GA-CA算法的其他計算步驟和遺傳算法相同。

    圖2 GA-CA算法中元胞自動機生命進(jìn)化規(guī)則

3 生產(chǎn)過程仿真和資源環(huán)境屬性評估

    根據(jù)系統(tǒng)模型解得的生產(chǎn)運行參數(shù)，可以利用Flexsim進(jìn)行生產(chǎn)過程仿真，如圖3所示。比較優(yōu)化前后的生產(chǎn)運行仿真數(shù)據(jù)，可以在物流強度和生產(chǎn)節(jié)奏方面看到明顯的優(yōu)化效果，如圖4所示。

    圖3 通用機械生產(chǎn)過程的Flexsim仿真

    圖4 優(yōu)化前后生產(chǎn)過程的Flexsim仿真數(shù)據(jù)對比

    隨后對通用機械生產(chǎn)過程的資源環(huán)境屬性進(jìn)行評估，并根據(jù)工藝設(shè)計階段的綠色性指標(biāo)評估進(jìn)一步優(yōu)化工藝要素。為此專門設(shè)計一套車間制造系統(tǒng)資源環(huán)境屬性評估系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對通用機械產(chǎn)品的綠色工藝設(shè)計與生產(chǎn)過程的資源環(huán)境屬性評估。其系統(tǒng)架構(gòu)基于B/S和SQL server，開發(fā)環(huán)境基于Java+JSP+Struts+Spring+Hibernate，技術(shù)框架如圖5所示。

    圖5 資源環(huán)境屬性綜合評價系統(tǒng)的技術(shù)框架

4 實物制造過程中的技術(shù)集成

    為了在實物制造過程中應(yīng)用優(yōu)化的生產(chǎn)運行參數(shù)，通用機械產(chǎn)品的工藝設(shè)計和車間生產(chǎn)的各個工藝環(huán)節(jié)中都應(yīng)用了不同程度的技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新。綠色制造系統(tǒng)工程的方法要求圍繞通用機械產(chǎn)品的全生命周期去設(shè)計和生產(chǎn)，因此SEGM方法的應(yīng)用技術(shù)路線始終堅持對車間產(chǎn)品全生命周期的生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，如圖6所示。

    圖6 SEGM集成創(chuàng)新的技術(shù)路線

    遵循以集成創(chuàng)新為主，部分技術(shù)原始創(chuàng)新的技術(shù)路線，對通用機械產(chǎn)品的工藝設(shè)計、毛坯準(zhǔn)備、生產(chǎn)制造、焊接熱處理、裝配測試、成品庫存運輸?shù)壬�產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行綠色制造系統(tǒng)工程改造，研究開發(fā)了制造企業(yè)生產(chǎn)過程資源環(huán)境屬性綜合評價系統(tǒng)、加工設(shè)備生產(chǎn)運行過程的能耗監(jiān)控系統(tǒng)、少無切削液噴霧技術(shù)及切削過程監(jiān)測與評價等集成應(yīng)用系統(tǒng)，在工藝、裝備、物流等各方面實現(xiàn)了加工車間的節(jié)能減排，為通用機械加工車間的綠色制造系統(tǒng)工程實施提供了關(guān)鍵技術(shù)和整體方案。例如少無切削液噴霧技術(shù)及切削過程監(jiān)測與評價技術(shù)就被應(yīng)用于典型零件的CNC加工中。兩種少無切削液霧化裝置的原型系統(tǒng)如圖7所示。

    圖7 切削液超聲波霧化和氣體噴射霧化原型裝置

5 案例和效益分析

    通過分析某大型國有火電閥門生產(chǎn)企業(yè)的主要產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，其2004-2009年企業(yè)生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)統(tǒng)計年報顯示各類截止閥產(chǎn)品產(chǎn)量最大。在實物生產(chǎn)中，其物能資源利用率較低，環(huán)境排放影響顯著，是生產(chǎn)模式亟待改善的典型產(chǎn)品。以J61Y-20 DN40截止閥為例，利用資源環(huán)境屬性綜合評價系統(tǒng)對其閥體零件TA103 B進(jìn)行綠色工藝評估和工藝要素優(yōu)化，如圖8所示。作為綠色優(yōu)化結(jié)果，閥體TA103 B的工藝設(shè)計如表1所示。

    圖8 典型產(chǎn)品綠色工藝評估

    表1 J61Y-20 DN40截止閥閥體TA103 B的工藝設(shè)計優(yōu)化

    綠色制造系統(tǒng)工程方法在車間的應(yīng)用，使J61Y-20 DN40截止閥的加工工序減少，制造工藝鏈縮短。例如TA103 B閥體的加工工藝由9道工序減至7道。截止閥主要零件的毛坯由無孔鍛造毛坯改用近凈成形預(yù)制孔模鍛毛坯。加工機床以數(shù)控車床、數(shù)控鏜床等高精度數(shù)控裝備為主。切削液以極壓乳化液為主，在機加工工藝中廣泛使用極壓乳化液噴霧冷卻方式對加工區(qū)域?qū)嵤├鋮s和潤滑，以實現(xiàn)少無切削液加工。裝配作業(yè)中的焊接工藝由原來的手工氬弧焊改進(jìn)為等離子噴焊工藝，施焊設(shè)備以等離子噴焊機床和窄間隙焊接設(shè)備為主。通過對該型截止閥整個生產(chǎn)過程的資源環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，其單件產(chǎn)品生產(chǎn)過程的綠色性技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

    表2 典型產(chǎn)品截止閥J61Y-20 DN40的綠色性指標(biāo)

    SEGM方法不僅用于該車間典型產(chǎn)品的生產(chǎn)而且也用于其他通用機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，例如安全閥、閘閥、堵閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥等。根據(jù)截止到2009年底的年產(chǎn)量和資源消耗數(shù)據(jù)，2004年產(chǎn)量大且穩(wěn)定，該年數(shù)據(jù)作為參照組數(shù)據(jù)。因達(dá)產(chǎn)年生產(chǎn)規(guī)模擴大數(shù)倍，表3中的數(shù)據(jù)以單件產(chǎn)品的平均消耗作為綠色性指標(biāo)的統(tǒng)計基準(zhǔn)。噪音分貝主要是測量車間制造系統(tǒng)的綜合噪音。根據(jù)達(dá)產(chǎn)年車間生產(chǎn)規(guī)模和2010年當(dāng)?shù)毓�業(yè)用資源單價初步估算該企業(yè)加工車間實施綠色制造系統(tǒng)工程的直接經(jīng)濟效益如表4所示。其中材料單價以使用量最大的ZG230-450、ZG20CRMoV、ZGICr18Ni9Ti、12CrIMoV等材料的市場最低售價均值作為計算依據(jù)。數(shù)據(jù)顯示僅在物能利用方面產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益達(dá)449.15萬元。

    表3 車間制造系統(tǒng)通用機械生產(chǎn)過程綠色性技術(shù)指標(biāo)對比

    表4 加工車間實施綠色制造系統(tǒng)工程的直接經(jīng)濟效益

6 結(jié)論

    基于人工生命優(yōu)化的綠色制造系統(tǒng)模型及其優(yōu)化解能夠精確描述通用機械制造系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中所涉及的大量資源環(huán)境因素，并通過系統(tǒng)仿真和技術(shù)集成實現(xiàn)車間制造系統(tǒng)的綠色規(guī)劃和優(yōu)化運行。

    綠色制造系統(tǒng)工程方法應(yīng)用于通用機械生產(chǎn)企業(yè)，其車間制造系統(tǒng)的物能資源利用率得到提高，各類環(huán)境排放得到控制，廢棄物處理成本降低，對環(huán)境的負(fù)面影響下降，企業(yè)取得明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

    綠色制造系統(tǒng)工程方法在企業(yè)中的建設(shè)實施，適用于一批具有代表性的國有大中型機械制造企業(yè)的生產(chǎn)運行模式，在我國機械制造行業(yè)中具有一定推廣價值和應(yīng)用前景，社會效益顯著。

    通用機械加工車間的綠色制造系統(tǒng)工程方法屬于《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》(2007年本)鼓勵項目“資源節(jié)約和綜合利用”類第12條“節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保及資源綜合利用等技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用及設(shè)備制造”的內(nèi)容，符合國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策的要求。

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本文標(biāo)題：通用機械加工車間綠色制造系統(tǒng)工程方法

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