（机械制造及其自动化专业论文）绿色工艺规划方法及应用支持系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 ab s t r a c t a b s t r a c t 、 . g r e e n m a n u f a c t u r i n g ( g m ) i s a s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t m o d e o f m o d e r n e n t e r p r i s e , w h i c h t a k e s o n n o t a b l e s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e f i t s , a n d w i l l b e c o m e a n i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c o f m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y i n t h e 2 1 c e n t u r y . s i n c e g m i s a n e w c o n c e p t , t h e r e l e v a n t r e s e a r c h e s s t i l l r e s t o n t h e d i s c u s s i o n o f c o n c e p t s a n d d i s c i p l i n e s , a n d m a n y a p r o b l e m s n e e d s t o l u c u b r a t e . g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g ( g p p ) i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f g m , w h i c h h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e i n r e d u c i n g t h e r e s o u r c e c o n s u m p t i o n a n d w a s t e d i s c h a r g e i n t h e m a n u f a c t u r e p r o c e s s e s . p r e s e n t l y , t h e r e s e a r c h e s o f g r e e n p r o c e s s a r e m a i n l y l o c a t e d i n s o m e s p e c i a l t e c h n i q u e s , s u c h a s d r y c u t t i n g t e c h n i q u e , a n d l a c k o f g e n e r a l m e t h o d s o f g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g a n d e s s e n t i a l i n f o r m a t i o n d a t a b a s e s u p p o r t i n g g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g . w i t h t h e s u p p o r t o f n a t i o n a l 8 6 3 p l a n f u n d , t h i s p r o j e c t w i l l l u c u b r a t e t h e g e n e r a l m e t h o d s i n g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g . g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g i s d e e m e d t o b e a s e r i a l s o f d e c i s i o n p r o b l e m s , a n d k n o w l e d g e b a s e a n d d a t a b a s e o f t h e r e s o u r c e a n d e n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m e c h a n i c a l p r o c e s s e s a r e b u i l t p r i m a r i l y . i n t h e e x o r d i u m , t h e s t a t e - o f - a r t s o f g r e e n m anu f a c t u r i n g a n d g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g a r e a n a l y z e d . i n c h a p t e r t w o , t h e c o n c e p t o f g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g i s d i s c u s s e d , a n d t h e d e c i s i o n o b j e c t s y s t e m a n d d e c i s i o n m o d e a r e i n t r o d u c e d t o o . i n c h a p t e r t h r e e , b a s e d o n t h e d e c i s i o n g o a l s y s t e m , t h e i n d e x s y s t e m o f t h e r e s o u r c e a n d e n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m e c h a n i c a l p r o c e s s e s i s e s t a b l i s h e d , a n d t h e n t h e r e s o u r c e and e n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m a c h i n i n g p r o c e s s s y s t e m a r e a n a l y z e d i n d e t a i l . i n c h a p t e r f o u r and f i v e , b a s e d t h e d e c i s i o n g o a l s y s t e m a n d t h e k n o w l e d g e b a s e a n d d a t a b a s e o f t h e r e s o u r c e a n d e n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f m e c h a n i c a l p r o c e s s e s , a s e l e c t m e t h o d o f g r e e n p r o c e s s s o r t s and a o p t i m u m m e t h o d o f g r e e n p r o c e s s p a r a m e t e r s a r e p r e s e n t e d . i n t h e l a s t c h a p t e r , a n a p p l i c a t i o n s u p p o r t i n g s y s t e m f o r g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g i s d e v e l o p e d . k e y w o r d s ; g r e e n m a n u f a c t u r i n g ., g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g , r e s o u r c e ; e n v i r o n m e n t ; a p p l i c a t i o n s u p p o r t i n g s y s t e m 重庆大学硕士学位论文 1绪论 1 绪论 1 . 1 .课题的研究意义及来源 1 . 1 . 1课题的研究意义 人类社会正在步入2 1 世纪。回首即将过去的2 0 世纪，制造业己 成为 创造人类财富的支柱产业， 是人类社会物质文明和精神文明的基础; 但是， 另一方面， 制造业在将制造资 源转变为产品的 制造过程中以 及产品的使用 和处理过程中， 消耗掉了 大量人类社会有限的资 源并对环境造成严重污染。 有鉴于此， 如何使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是 2 1 世纪制造业面临解决的 重大问 题。 为此2 1 世纪的 制造业实 施绿色制造已 势 在必行。 绿色制 造是一 个综 合考 虑环境影响 和资 源效率的 现代 制造模式， 其目 标是使得产品从设计、 制造、 包装、 运输、 使用到报废处理的整个产品生 命周期中，对环境的影响( 负作用) 为零或者极小，资源消耗尽可能小，并 使企业经济效益和社会效益协调优化。 绿色制造及其相关技术的研究具有重要的意义: ( 1 )绿色制造的研究属国际 技术前沿 绿色制造是近年来国际上的研究 研究热点之一。 1 9 9 6 年， 美国 制造工 程师 学 会 ( s iv e ) 发 表了 关 于 绿 色 制 造的 兰 皮 书 g re e n m a n u f a c t u ri n g ) ， 提 出 绿色带 储的 概念， 并 对其内 涵和作用等问 题 进行了 较系统的 介绍，1 9 9 8 年s m e 又在国际 互联网 上发表了 “ 绿色制造的 发展趋势” 的网上主 题报告。 特别是 近年来， 国 际 标 准化组 织i s o提出 了 关 于 环 境管理的i s 0 1 4 0 0 1 系 列 标准， 如 i s o 1 4 0 0 1 i s 0 1 4 0 4 0 后， 推动着绿 色制造的 研究更加活跃。 各国 政 府特别是美国、 英国、 加拿大、 德国、日 本等 发 达国 家政 府纷 纷投 资 支持绿色制造的研究。可以 不夸张地说， 绿色带 1 ia研究形成的强 大绿色 浪潮，正在全球兴起。 ( 2 ) 绿色制造是人类社会可持续发展的 必然需求， 具有重大社会效益 可持续发展的思 想具 有极为丰富的内 涵， 它将生 态环境与 经济发 展联 结为一个互为因果的有机整体， 认为经济发展要考虑到自 然生态环境的 长 期承载能 力， 使环境 和资 源既 能满足经 济发 展的 需要， 又 使其作为 人类生 存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要，从而形成了一种综合性的 发展战略。绿色制造是人类社会可持续发展的一个组成部分， 而且是一个 重庆大学硕士学位论文 1绪论 极其重要的组成部分，因而绿色制造的 研究具有重大的社会效益。 ( 3 )绿色制造也将是2 1 世纪企业取得显著经济效益的机遇 实施绿色制造， 最大限 度的提高资 源利用率， 减少资源消耗， 从而直 接降低成本;同时，实施绿色制造减少或消除环境污染， 可减少或避免因 环境问 题引 起的罚 款;并且， 绿色制造环境将全面改善或美化企业员工的 工作环境， 有助于 提高员工的主观能动性和工作效益。 特别是未来的市 场 是绿色产品的市场， 实施绿色制造，开发绿色产品， 是赢得市场竟争的有 效手段。因此绿色制造对企业是一种机遇。 ( 4 )国际环境管理标准的提出，更增添了企业对绿色制造的需求 i s 0 1 4 0 0 1 和i s 0 1 4 0 4 0 分别于1 9 9 6 年和1 9 9 7 年提出了， 在国际上引 起了 很大的震动。实 施绿色制造己 是大势所趋。 本课题的 研究可为今后大 量企业实施绿色制造在工艺技术方面部分重要技术支撑，因而具有广阔应 用前景。 ( 5 ) 绿色制造的实施将为我国企业消除国际绿色贸易壁垒提供有力支 撑 近年来， 许多国 家要求进口 产品 要进行绿色 性认定， 要有“ 绿色标志” 特别是有些发达国 家以 保护本国 环境为由， 制定了 极为苛刻的产品 环境指 标来限制国际 产品 特别是发展中国 家产品 进入本国市 场，即设置“ 绿色贸 易壁垒” 。 本课题通讨古撑产品制造过程的清洁化， 将为我国企业提高产品 绿色性提供支撑手段。 ( 6 ) 绿色制造的实施将推动一大批新兴产业的形成 绿色制造的实 施将导致一大批新兴产业形成。除了目 前大家已 注意到 的 环保装备制造产业和废弃物回收处理的 服务 产业外， 另有两大类产业值 得特别注意: 绿色产品制造产业 制造业不断 研究、设计和开发各种绿色产品以 取代传统的资源消耗和 环境影响 较大的 产品， 将使这方面的 产业持续兴旺发展。 实施绿色制造的软件产业 企业实施绿色制造， 需要大量实施工具和软件产品， 如计算机辅助绿 色设计系统、 绿色工艺规划系统、 绿色制造的决策支撑系统、i s 0 1 4 0 0 0 国 际 认证的支撑系统等， 将会推动一类新兴软件产业的形成。 因此绿色制造是具有重要社会效益和经济效益得国际技术前沿，具有 非常重要的 研究意义和应用前景。 绿色制造的 研究内 容体系涉及产品 整个 生命周期的所有问 题，主要是 “ 五绿”问 题的集成，即绿色设计、绿色材 重庆大学硕士学位论文 1绪论 料、 绿色工艺、绿色包装、绿色处理问 题的 集成.因 此绿色工艺技术是绿 色制造研究和实施的重要内容之一。本论文以“ 绿色工艺规划方法及应用 支持系统研究” 为研究课题， 对绿色工艺规划的 决策模型、工艺 种类选择 法、工艺参数优化方法以 及常用机械工艺资源环境特性等进行了 研究， 并 在此基础上开发了 一套绿色工艺 规划应用支持原型系统， 研究结论可以 为 绿色工艺的规划和实施提供一系列的共性技术或方法。 1 . 1 . 2课题的来源 本文的主要研究内 容来源于国 家8 6 3 / c i ms 项目 : “ 绿色制造的工艺规 划方法及 其实 用技术研究” ( 课题编号: 8 6 3 - 5 1 1 - 7 0 8 - 0 0 4 ) ， 该 项目2 0 0 ( ) 年 1 0 月 通过国 家8 6 3 专家组的验收， 本人在课题主要研究人员中 排名第二. 1 . 2 国内 外研究现状及评述 绿色制造( g r e e n m a n u f a c t u r i n g ) 是近年来在国际上出现的一个新概 念。 又 称环境意识制 造 ( e n v i r o n m e n t a l l y c o n s c i o u s m a n u f a c t u r i n g ) . 面向 环境的 制造 ( m a n u f a c t u r i n g f o r e n v i r o n m e n t ) 等。 绿色制 造有关内 容的研究可追溯到8 0 年代， 但比 较系统的提出绿色制造的概念、 内涵和主 要内 容的文献是美国制造工程师学会于 1 9 % 年发表的关于绿色制造的专 门 蓝 皮 书 g r e e n m a n u f a c tu r in g ) 12 1 . 1 9 9 8 年s m e 又 在 国 际 互 联 网 上 发 表了 绿色制造的发 展 趋势的网 上主题 报告 p 1 ， 对绿色制造研究的重要 性和 有关问 题又作了 进一步的强调和介绍。 绿色制造及其相关问 题的 研究 近年来非常活跃。 特别是在美国、 加拿 大、西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。 在美国，从一些国家重点实验室到国家研究中心，从东部海岸的麻省 理工学院到 西部 海岸的b e r k e le y 加州 大学， 大量的 研究 工作正在 进行。 如 b e r k e l e y加 州 大 学 不 仅 设 立了 关 于 环 境 意 识 设 计 和 制 造的 研 究 机构， 而 且 还 在 国 际 互 联 网 上 建 立 了 可 系 统 查 询 的 绿 色 制 造 专 门 网 页g r e e n m f g l 1 。 卡 奈基美隆大学的 绿 色设计 研究 所从 事绿色设计、 管理、 制造、 法 规制定 等 的 研究和教育工作， 并与政府、 企业、 基金会等广泛合作。不少企业还以 企业行为投入了大量研究， 如1 9 %年美国s m e 学会关于绿色制造研究的 圆桌会议的大多数骨干是来自 企业界的负责人或代表。 美国a t 随 后， m a r ti n - v e g a博 士又 提出 未 来的“ 十 大关键技术” ， 其 中“ 废弃物最小化加工工艺”又是其中之一。 加拿大w in d s o r 大学建立了 环境意识设计和制造实 验室 ( e c d m la b ) 和基于ww w的网上信息库。 对环境意识制造中的环境性设计、 生命周期 分 析( l i f e c y c le a n a ly s is ， l c a ) 等 进 行 了 深 入 的 研 究 t7 8 e c d m la b 1 9 9 5 年开发了 一 套有关 环 境性设 计的 设 计软 件 e d i t ( e n v ir o n m e n t a l d e s i gn i n d u s t ri a l t e m p l a t e ) . 在欧洲， 国 际生产工学会c i r p 近几年每年均有不少论文对环境意识制 造多 生 命 周 期 工 程等 与 绿 色 制 造 本 质 一 致的 问 题进 行了 研究 1 。 英国c f s d ( t h e c e n t r e f o r s u s t a i n a b l e d e s i g n) 对 生 态 设 计、 可 持 续 性 产 品 设 计 等 进 行了 集中 研究， 并开展了 有关的 教育工作， 发行了t h e j o u rn a l o f s u s t a i n a b le p r o d u c t d e s i gn杂志。 总之，绿色制造的研究正在国际上迅速开展。 特别是近年来，国际标 准 化组 织i s o 发 布了 有 关 环 境 管 理 体 系的i s 0 1 4 0 0 0 系 列 标 准， 如1 4 0 0 1 1 ) , 1 4 0 4 0 1 】 等 后， 推 动 着 绿 色 制 造的 研究 更 加 活 跃 和 迅 速 发 展。 在我国， 近年来在绿色制造及相关问 题方面也进行了 大量的研究，国 家自 然科学基金和国家8 6 3 / c i ms主题均支持了一定数量的绿色制造方面 的研究课题，已 取得了 不少研究成果。国 家 8 6 3 / c i ms主题还在中国现代 集成制造系统网络 ( c i ms n e t )开辟了 绿色制造专题，对国内外绿色制造 研 究 情 况 进 行了 综 合 介 绍 ( h tt p :/ /w w w .c im s .e d u .c n ) 。 国 内 不 少 高 校 和 研 究 院所对绿色制造的理论体系、专题技术等都进行了大量的研究。国 家环保 局于1 9 %年1 月 批准成 立了国 家环保总 局华夏环 境管 理体系审核中 心， 专 门 负责i s 0 1 4 0 0 0系 列 标准的 在我国 的 实 施、 培训 工作以 及同国际 有关 机 构的交流。并建立了专门的网站中国环境管理体系认证信息网. i s 0 1 4 0 0 0 环境管 理体 系 标 准引 起了 我国 众多 企 业的 重 视， 根 据最新统计， 截至1 9 9 9 年9 月2 日 ， 厦门a b b 开 关 有限 公司、 上 海高 桥巴 斯夫分散体 有限 公司、 青岛 海尔电 冰箱 股份 有限 公司 等1 1 7 家企 业获得i s 0 1 4 0 0 0 标准 认证。 以 上可见，国内外对绿色制造及其相关问 题进行了 和正在进行大量研 究。 绿色制造的 研究虽然已 在国内 外 特别是国际上迅速开展， 但是由 于“ 绿 色 制造” 本身提出 和研究 历史 较短， 现有的 研究 大多 停留 在概念 研究、 认 识研究、一般面上谈观点和方法的阶段，许多问 题还有待于深入，如如何 重庆大学硕士学位论文 i绪论 减少或消除 产品 加工过程中的 废物流及其环境影响问 题，即绿色工艺 规划 问 题是绿色制造实施中急需 解决的重要问 题之一， 有待深入研究和解决。 近年 来国内 外在这方面 进 行了 一 定的 研究. 如 伯克 利大学 环境意识设 计与 制 造联 盟 对绿 色 工 艺 规 划 也 进 行了 大 量的 研究 (it. 1 ， 并 提出 了 一 种基 于 特 征的绿色工艺规划方法。 密歇根技术大学的j o h n w . s u t h e r l a n d 教授对环 境意识 机床系统和加工过 程中的 废物流进行了 研究1 j-, 6 。 新加坡南洋理工 大学 p . s . s r e e j i t h等人 对被称为 绿色加工技 术的 干切削 加工技术 进行了 研究(48 7 。国内 在这方面也 进行了 一些 研究cm . 7 2. 划 。 但目 前的 研究 还存在不 足，大多数研究局限于某一方面技术的研究， 缺乏对绿色工艺规划共性技 术和方法的系统研究;缺乏可支持绿色工艺规划参考和查询的工艺数据库 和方法库。 1 . 3论文研究的主要内 容 作者基于以 上国内 外绿色制造及绿色工艺规划方面研究的不足作了 一 些 研究， 本文 研究的主 要内 容包括: 1 ) 绿色工艺规划决策目 标体系及决策模型的 研究 论 述了 绿 色工 艺 规 划 的 概 念， 介 绍了 综 合 考 虑t ( 时 间 ) 、 q( 质量) 、 c ( 成本) 、 r( 资 源) 、 e ( 环 境 ) 等问 题的 绿色工艺规 划决 策目 标体系和决 策 模型。 2 ) 常用机械制造工艺的资源环境特性研究 根据绿色工艺规划的目 标体系和决策模型， 建立了 机械制造工艺资源环 境特性分析的指标体系， 并对切削 加工工艺 系统的资 源环境特性进行了 较 为系统的分析和研究。 3 ) 绿色工艺 规划中的 工艺 种类选择方法的 研究。 基于绿色工艺 规划的目 标体系和常用机械制造工艺资源环境特性分析 的 数据和知识， 对绿色工艺规划中的工艺种类选择方法进行研究， 提出 绿 色工艺种类选择应遵循五项原则， 建立起绿色工艺种类的评价指标体系和 评价矩阵模型。 评价模型 采用理想点法的模糊处理技术， 对工艺种类的 选 择进行量化分析和计算，并以 某一零件毛坯成形工艺种类的选择为例进行 说明。 4 ) 绿色工艺规划中的工艺参数优化方法的 研究 对工艺参数进行优化是改善工艺方法的资源环境特性的重要途径，论 重庆大学硕士学位论文i绪论 文将从绿色制造的角 度， 建立以生 产率最高、 成本最低、资源消耗与环境 污染最小为目 标函 数的 优化数学模型， 该模型以 切削用量和切削液为设计 变量，以 切削加工过程中 各种约束条件为基础。 5 ) 绿色工艺规划应用支持原型系统的开发 在以 上研究结论的 基础上， 并综合课题组的 其他研究成果，开发一 种 绿色工艺 规划应用支持原型系统， 系统包括三个模块:常用机械制造工艺 资源环境特性数据库知识 库、 绿色工艺规划方法库、 辅助绿色工艺评价与 决策。 重庆大学硕士学位论文 2绿色工艺规划决策目 标体系及决策棋型研究 2绿色工艺规划的决策目 标体系及 决策模型研究 2 . 1绿色工艺规划的 概念 产品 制造加 工过程， 实际上是一 个复 杂的 输入输出 过程， 能源， 输出废物和产品的过程，如下图所示。 物料、 能 源 一j孪s 产品 废弃物 ( 浪费资源、污染环境) 图2 . 1 产品的制造加工过程 f i g u r e 2 . 1 m a n u f a c t u r e p r o c e s s o f . p r o d u c t 长期以 来，由 于环境意识薄弱、 技术水平落后等原因，造成我国 韦 1 造业 原 材料和能 源的 浪费 现象非常严重， 废弃物也得不到有效的处理而造成环境 污染， 工人生 产环境的 安全和健康保 护措施也得不到保障。 随着生 产力的 发 展和人们环保的重视，以上问题越来越受到社会的关注和重视。 绿色工艺规划是一种充分考虑制造加工过程的 环境影响和资源消耗问 题的现代工艺规划方法， 通过对制造加工工艺方法和过程的优化选择和w 11 设计， 制定出的绿色工艺方案， 从而提高原材料和能源的利用率， 减少废弃 物的产生。 因 此绿 色工艺规划技术是解决产品 制造加工 过程资 源消耗和环境 问 题的专门 方法。 2 . 2绿色工艺规划决策目标体系的建立 对机械加工工艺而言， 工艺规 戈 i 的 主要内 容包括工艺方法的 选择、 工艺 设备的 选择、 工艺参数的优化以 及工艺方 案的选择等。以 上内 容实际上是根 据 加工 要求和目 标 而 进行 的 一 系 列决 策过 程。 在 传统 工艺 规 戈 或决 策中， 人 们追求的目 标变量主要可归 类为三个: 时间t 、 质量q 和成本c 。 其中 时间 包括两方面含义: 一是指产品加工时间: 二是指生产率。 质量在工艺规划中 主要指加工质量。 成本包括材料成本、 设施和设备成本、劳动力成本、 能源 !庆大学硕士学位论文2绿色工艺规划决策目 标体系及决策模型研究 成本、维护和培训成本、其它杂项成本等。 对绿色工艺 颊 咙 目 而言， 只考虑上述三个目 标显然是不够的， 而应该把环 境影响e 和资源消耗r 作为重要因素加以 考虑。因 此， 绿色工 艺ya 浅 习 的决策 目 标变量一共有5 个， 如图1 所示。 0 个 c 杏 图2 . 2 绿色工艺 规划 的 决 策目 标体系 f i g u r e 2 . 2 d e c i s i o n o b j e c t s y s t e m o f g r e e n p r o c e s s p l a n n i n g 图2 . 2 中 各目 标变 量旁 边的箭头表示追求的目 标变量的 变化方向， 即时 间 希望越小越好， 质量希望越高越好， 成本希望越低越好，资源消耗希望越 少越好，环境影响希望越小 越好。 绿色工艺规划中的环境影响主要包括以 下几方面: ( 1 )生态环境影响:主要指制造加工过程可能 刘生态环境造成的影响， 如制造加工过程中 产生的废气、 废液、 废物等对环境的影响。 ( 2 ) 健康影响: 制 造加工 过程可能对劳动者t, 哑健 康造成的 损害。 ( 3 )不安全性: 制 造加工过程因 各种原因 产生的 不安全性。 资源消耗主要包括以 下几个 方面: ( 1 )资 源 种类: 可再生 资 源 还 是不 可再 生 资 源， 稀有资 源 还是富 有 资源等。 ( 2 )资 源特性: 重点是可加工特性、可利用特性和对环境的影响特 性等。 ( 3 )资 源消 耗状况: 物能资 源的消 耗量、 利用率、 损耗率、 回收率 等。 以 上5 个目 标之间存在着密切的 联系，它们共同 构成了 绿色工艺规划目 标体系。 绿色工艺ya 伐 i 中 任何一个决策问 题都与上述5 个目 标变量中的某些 重庆大学硕士学位论文 2绿色工艺规划决策目 标体系及决策旗型研究 或全部有关。 由 于 各目 标本 身 包 括 复 杂的 组 成 部分， 如 环 境问 题包 括生态 环境 污染、 职业健康、不安全性等. 可将以 上各目 标看成是由 各组成部分组成的向 量， 如e ( e , , e 2 ,. ., e , ) ， 因 此 绿 色 工 艺 规划 个目 标 的 组 成 可以 用 一 个向 量 组 表 示 : t ( 1t 2 , . . , t , ) q ( r v 9 2 , . . . , 9 q ) qc, , c 2 , . . ., c c ) r ( rr 2 . . . . r , ) e ( e , , e 2 , . . . , e , ) 2 . 3绿色工艺规划的 决策模型 2 . 3 . 1 绿色工艺规划决策问 题的变量描述 在工艺颊 伐 决策问 题中， 工艺方案优化往往是从若干可能的 工艺方案中 选出 其中 最优或相 对较优的 方 案; 工艺参数优化一般是 针对所 选定的 制造加 工工艺， 仿 该布 m加工过程的有关工艺参数， 使得加工过程实现优化运 行， 如切削加工过程的切削用量优化就是此种情形。 对工艺方案优化问 题，其变量可用一个n 维向 量来描述，即: x = x ， ， x z ， ， x 。 t 其 中 ， 。 为 可 能 的 加 工 方 案 数 ; x , ( i = 1 ,2 , . . . , n ) 代 表 第 ， 并有 式 ( 2 . 1 ) 个加工方案， 0 一一不采用第i 个方案 1 一 一采用第i 个方案 !月11 一一 月口 x 对工艺参数优化问 题，其变量也可用一个n 维向量来描述，即 x = 1 x l ， x 2 ， . . . ， x . t 式 ( 2 . 2 ) 其中， n 为所选定的制造加工工艺涉及的某个工艺参数的备选方案数量; x , ( i = 1 , 2 , - , n ) 代 表该 工艺 参 数的 第i 个方 案。 因此， 无论是工艺方案优化问 题，还是工艺参数优化问 题，其涉及的所 有变量均可用一个n 维向 量来表示。 2 . 3 . 2绿色工艺规划决策问 题的目 标函数及其优化描述 重庆大学硕士学位论文 2绿色工艺规划决策目 标体系及决策模型研究 目 标函数: 优化描述: t ( x ) , q ( x ) , c ( x) , r ( x ) , e ( x) m in t ( x ) , m a x q ( x ) , m in c ( x ) , m in r ( x ) , m in e ( x ) 。 o p t im u m t ( x ) , q ( x ) , c ( x ) , r ( x ) , e ( x ) 2 . 3 . 3绿色工艺规划的决策模型的 建立 综上所述， 可建立绿色工艺规划的决策模型 ( 1 ) 如下所示。 2 . 3 . 4绿色工艺规划决策模型的 求解 对 于 某 一 工 艺 删决 策 问 题 x = x t x z ， . . . x r 求r = x .* , x ; , 二 ， . tx 满 足 约 束 条 件 : s ( x ) 0 ( u 二 1 ,2 , . . . , 劝 h , ( x ) = 0 ( v 二 1 ，2 ， . . . , p t ( a ,) - t ( a 3 )式 ( 2 .3 ) 2 ) 质 量函 数q ( x ) 由 于该四 个孔的 精度和光洁 度要求均较低， 三种加 工均能 满足要求， 因 而可看作三者加工质量差不多，即 q( a l ) - q( a 2 ) - q( a 3 )式 ( 2 .4 ) 3 ) 成本函数c ( x ) 对本决策问 题有着直接影响的成本要素主要有: 重庆大学硕士学位论文2绿色工艺规划决策目 标体系及决策棋型研究 c , ( x ) 模 具 或t - 装、 夹 具成 本， 并 有c , ( a 2 ) ;c , ( a , ) - c , ( a 3 ) ; c 2 ( x ) 一 - 劝口 工 过程劳 动力成本， 并 有c 2 ( a l ) 七 c 2 ( a 3 ) c 2 ( a 2 ) ; c 3 ( x ) 设 备、 刀具、 能 源消 耗 成 本， 并 有c 3 ( a 3 ) c 3 ( a , ) c 3 ( a 2 ) ; c 4 ( x ) 其它有关 成本。 由c ( x ) = c , ( x ) + c 2 ( x ) + c 3 ( x ) + c 4 ( x ) ， 并综 合分 析 后可 得 c ( a 2 ) c ( a 3 ) c ( a , )式 ( 2 .5 ) 4 ) 资 源消 耗函 数r ( x ) 由 于冲 压加工 产生的 废弃 物 是4 个。 2 5 的 圆 板， 一 般都可以 在本 4 v 或 其它地方利用起来， 即 使回 炉再生， 也比 钻削和 铣削加工产生的 铁屑 容易的 多; 另外冲压加工时间短， 消耗能 源少， 且基本不消耗冷却液资源: 综合考 虑上述因素， 可得 r ( a 2 ) x i i , ( x i i x 2 i x 3 = o o r 1 ) 求x = 1 4 , x z , x 3 l s .t . x , + x , + x ; = i 使 得: o p t i m u m t ( x ) ,q ( x ) ,c ( x ) ,r m ,e m hs t qc r e t i 1 / 2 1 / 2 1 1 / 2 1 / 2 q2 1 一1 1i c21ii1 r 1 2 1i 111 el2 111i 根据前面的分析结果及不等式 ( 2 .3 ) 一 式 ( 2 . 7 ) ，经过进一步的深入分 析， 可构造出 各方案相对于各决策目 标的 判断矩阵如下: 表2 .2 时 间目 标的 优劣比 较表2 .2质t目 标的 优劣比 较 表2 .4 成本目 标的 优劣比 较 t a,a 2a 3 a , 13i a 2 1 / 311 / 3 a 3 i31 曰a, a 2 a 3 a l 1li a 2 11i a3 i11 c a1 a 2a 3 a , 132 a 2 1 / 311 龙 a 3 1 / 221 表2 .s 资 源目 标的 优劣比 较表2 . s 环境目 标的 优劣比 较 r a ia za ; a, 11 / 31 a 313 a 11 忍1 e a1a z蔺 a, 11 月1 a 313 a 11 / 3口 说明， 表2 .2 - 表2 .6 就是各方案 相对于 各目 标的 判断 矩阵。 其中， 优劣 是 指各 方案 对工艺 规 划 所追求目 标 所起的 作 用。 例如由 式 ( 2 .3 ) , t( 茂) t ( a l ) 可知， 方案a z 所需加工时间更长， 而翻门 追求的时间目 标是越短 越好， 因 而方案a比 方案a , 差， 即 相对于时间目 标， 方案a l 优于方案a z ， 重庆大学硕士学位论文 2绿色工艺规划决策目 标体系及决策棋型研究 对应矩阵中a l 相对a 2 的 相对重要度值取3 0 模型求解及决策 本案例中 采用层次分析法求解， 根据层次分 析法的 算法流 程， 作者采用 v c + 十 语言 编制了 相 应的 应用 程 序， 针 对本 例 子运 行该 程序， 得出 此问 题的 层次总抖 游结果， 其中a 1 为0 . 3 3 0 4 9 6 , a 2 为0 . 3 9 2 9 3 1 , a 3 为0 . 2 7 6 5 7 3 , 可知方案a 2 相对最优，因而采用方案a 2 ，即安排在冲床上加工. 2 . 4本章小结 绿色工艺规划是一 种综合考虑制造加工过程环境影响和资源消耗的工 艺规划方法。 绿色工艺规划过程实质是一系列的决策过程， 为此本文论述了 绿 色 工艺 规划的 概念， 并 对其决 策目 标 体系 和决 策 模型 进 行了 介绍。 其中 决 策目 标体系可以 直接应用于 绿色工 艺知 咙 d 的 所有问 题， 而决 策模型则可以 为 具体问题的决策提供思路和方法上的参考。 重庆大学硕士学位论文3常用机械制造工艺的资源环境特性研究 3 常用机械制造工艺的资源环境特性研究 对常用机械制造工艺的资源环境特性进行分析和研究是进行绿工艺 规划的基础。 本章以 机械制造工艺， 特别是切削加工工艺为对象进行了 研究。 3 . 1机械制造工艺的资源环境特性指标体系 资源消耗方面， 主要考虑机械制造工艺加工过程中的物料消耗状况和 能量消耗状况，其指标体系如下: 图3 . 1 机械制造工艺资源消耗指标体系 f ig u r e 3 . 1 r e s o u r c e c o n s u m p t i o n i n d e x s y s t e m o f m e c h a n i c al p r o c e s s 环境影响方面， 主要从废气、 废液、 固 体废弃物以 及噪声等其他排放 物的情况，以及这些排放物对人体和工作环境的影响状况，指标体系如 图3 .2 所示。 一个产品或零件在工厂的制造过程可分为原材料进厂、 毛坯 生产、加工制造、 材料处理、装配调试、成品出厂等阶段。 在各个阶段 中， 涉及到铸造、 锻冲、零件制造、 焊接、热处理、表面处理等制造工 艺。这些制造工艺在加工过程中将排放出大量的废气、废液、废渣、噪 声 等 污 染 物 对 生 态 环 境 和 人 体 造 成 影 响 和 危 害。 文 献 6 2 对 产品 在 制 造 过 程中的工艺流程及其污染物排放状况进行了调查，并绘出 其综合图 ( 如 图3 .3 ) ，可供进行工艺环境影响特性分析时参考. 重庆大学硕士学位论文 3常用机械制造工艺的资源环境特性研究 图3 .2机械制造工艺环境影响 指标体系 f i g u r e 3 .2 e n v i r o n m e n t al i m p a c t i n d e x s y s t e m o f m e c h a n i c a l p ro c e s s 哑声 n o . c o s o z 盯 炉渣 烟尘 碳 氢化物 热 辐射 含尘污水 图3 . 3产品 在制造过程中的 工艺流程及其污染物排放综合图 f i g u r e 3 . 3 s y n t h e t i c a l c h a r t o f p r o c e s s f l o w a n d i t s w a s t e r e l e a s e d u r i n g t h e p r o d u c t m a n u f a c t u r e p r o c e s s e s 重庆大学硕士学位论文 3常用机械制造工艺的资源环境特性研究 根据机械工业标准 ( j b / t 5 9 9 9 2 ) ， 机械制造工艺包括铸造、压力加 工、 焊接、切削加工、 特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装等 9个 大类和9 9 个中 类， 每个中 类又粉分为若干小类， 因此根据以 上指标对所 有工艺的资源环境特性进行分析， 工作量太大，因此笔者所在课题组采 取从 9各大类中分别选取两到三个典型工艺进行分析， 其中笔者负责切 削加工工艺资源环境特性的分析工作， 包括车削、 磨削工艺等工艺方法。 3 . 2切削加工工艺系统的资源环境特性研究 本节从绿色制造的角度，针对机械制造过程中的典型工艺系统一 切削 加工工艺系统的资源消耗和环境影响状况进行了分析，并运用定量 ( 如 数学公式)和定性的方法对其特性进行研究。根据工艺方法分类划分及 其代码标准( j b /t 5 9 9 2 - 9 2 ) ， 切削加工可分为刃具切削、 磨削、 钳加工三 个种类;刃具切削又可分为车削、铣削、刨削、插削、钻削、锉削、拉 削、 刮剃削等小类: 磨削可分为砂轮磨削、砂带磨削、街磨、研磨、 超 精加工等小类:钳加工又可分为划线、 手工锯削等小类。由 于钳加工过 程中消耗的资源比 较少，对环境的影响很小，因此本文中讨论的 切削加 工工艺系统对象主要是指刃具切削和磨削， 其中又偏重刃具切肖 ij 。该切 削加工工艺系统一般由 机床、刀具、 夹具、量具、 切削液、 工件、加工 信息等组成，各个部分为加工出一个符合精度要求的合格零件而组成一 个有机整体。 3 .2 . 1 切削 加工工艺系统资源流及其对 环境的 影响 导致环境影响的根本原因是资源消耗和废弃物的 产生， 因此在对切削 加工工艺系统的资源环境特性进行深入分析之前， 先对切削加工工艺系 统中的资源流及其环境影响进行分析和描述。为了便于分析，本文建立 了 切削加工工艺 系统的 资源流模型， 如图3 .4 所示。 从模型中可以 看出， 切削加工过程中把毛坯、切削液、刀具等作为输入， 经过切削加工后， 输出 合格的 零件，同时 也产生了 报废零件、 切屑、 废切削液等废弃 物。 这些废弃物除了一部分可以得到回收，其它则进入车间环境造成环境污 染。 而另一方面， 在能量的消耗过程中， 部分能量被转化为噪声、震动、 热等物理性污染物， 进入车间 环境， 也将造成环境污染。因 此切削 加工 工艺系统的资源消耗，包括物料消耗和能量消耗。 其中 物料消耗主要是 指原材料 ( 毛坯) 、 切削液、刀具等的消耗，能量消耗主要是指电能的消 耗; 环境影响的源头主要是系