（机械制造及其自动化专业论文）面向绿色制造的工艺规划技术研究.pdf

中文摘要 摘要 绿色制造是制造科学、环境科学和管理科学深层次交叉而形成的国际重要科 学前沿领域，是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。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”涉及问题的多学科 复杂性以及本身提出和研究历史较短，现有研究不少仍停留在概念研究、认识研 究、一般理论和方法的探讨阶段，许多问题还有待于深入。 制造过程是产品全生命周期直接消耗资源、产生环境污染排放物和造成职业 健康与安全问题的主要环节之一。面向绿色制造的工艺规划是优化和改善零件制 造过程环境友好性的重要技术途径之一。本论文结合国家8 6 3 项目“面向绿色制造 的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研究( 资助号2 0 0 1 a a 4 1 2 2 0 0 ) ”、重庆 市科委攻关项目“面向绿色制造的网络化滚切加工工艺参数数据库系统开发( 资助 号：6 9 0 1 3 7 ) ”、机械传动与制造工程湖北省重点实验室开放基金项目“基于工艺 i p o 模型的制造过程环境影响评价方法研究”、以及重庆机床厂滚齿工艺生产实践， 对面向绿色制造的工艺规划的概念、内涵以及若干关键技术展开了研究。 首先，在介绍了工艺规划基本概念、工艺过程资源消耗与环境影响状况以及 绿色制造特征的基础上，讨论了面向绿色制造的工艺规划内涵和体系结构，并总 结了面向绿色制造的工艺规划的主要技术内容。 然后指出工艺规划实际上是一系列的工艺决策过程，包括工艺路线、工艺方 法、工艺尺寸、工艺装备( 机床、夹具、量具、刀具等) 、切削液、切削用量等等 的决策。基于这样的一个认识，建立了面向绿色制造的工艺规划决策支持理论模 型和决策支持应用模型集合，并提出了一种基予决策模型集的面向绿色制造工艺 规划方法。 机床设备是零部件加工的主体，对零件的能量消耗、辅助物料( 如刀具、切 削液等) 的消耗、噪声、安全卫生、切屑的回收、废液的产生等的影响很大。第 四章研究了工艺规划中面向绿色卷4 造的机床设备优化配置问题，包括面向绿色制 造的单工件机床设备选择模型和多工件多机床节能降噪型调度安排方法。 对工艺过程的资源消耗与环境影响进行有效的分析和评价是面向绿色制造的 工艺规划的一个重要前提。第五章研究了切削加工过程的资源消耗与环境影响量 化分析问题，并提出了一种基于工艺i p o 过程模型和列昂波特相互作用矩阵的零 件制造过程资源消耗与环境影响评价方法及其技术框架。 最后介绍了面向绿色制造的工艺规划应用支持系统，该软件己取德国家软 牛 著作权，可应用于机械加工行业，辅助工艺人员在工艺规划中对工艺过程的原材 重庆大学博士学位论文 料消耗、辅助原材料、能量消耗和环境排放物等进行分析、优化和评价，从而改 善零件加工过程的绿色性。 关键词：绿色制造，工艺规划，机床设备，资源，环境 i i 英文摘要 a b s t r a c t g r e e nm a n u f a c t u r i n gi sa ni n t e r n a t i o n a lc n t t i n g - e d g ea r e af o r m e db yt h ed e e p l y c r o s s i n g o fm a n u f a c t u r i n gs c i e n c e , e n v i r o n m e n ts c i e n c ea n dm a n a g e m e n ts c i e n c e g r e e nm a n u f a c t u r i n ge m b o d i e sh u m a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yi nm o d e m m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a n di sc o n s i d e r e da so n eo f t h ek e ya p p r o a c h e st os o l v i n gt h e e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np r o b l e m i n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb yc o n t r o l l i n g f r o m p o l l u t i o ns o u r c e a l t h o u g ht h ep r e s e n tr e s e a r c h e so ng r e e nm a n u f a c t u r i n gd e v e l o pv e r y f a s t ，t h e r eb y e s t i l lal o to f p r o b l e m sn e e d g od e e p m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s am a i ns t a g ei nt h ep r o d u c tl i f e c y c l e ，w h i c hd i r e c t l y c o n s u m e sr e s o u r c e sa n dr e l e a s e se n v i r o n m e n t a lw a s t e s p r o c e s sp l a n n i n gi su s e dt o a n a l y z ea n dp l a np r o c e s s e s ，s e t u p s ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，e t cf o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s i ti n f l u e n c e st h ep r o d u c t i v i t y , q u a l i t y , c o s t ，r e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a l i m p a c to f p r o d u c tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s p r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g i sa k e ya p p r o a c ht oo p t i m i z i n ga n di m p r o v i n gt h ee n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep r o c e s sp l a n n i n g f o r g r e e nm a n u f a c t u r i n g a n ds o m eo fi t s k e y t e c h n o l o g i e s a r ed i s c u s s e d f i r s t l y , b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h eb a s i cc o n c e p t so fp r o c e s sp l a n n i n g , t h e s i t u a t i o no f r e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c ti np r o c e s s e s ，a n dt h et r a i t s o fg r e e nm a n u f a c t u r i n g ，t h ec o n n o t a t i o na n ds y s t e ms t r u c t u r eo f p r o c e s sp l a n n i n gf o r g r e e nm a n u f a c t u r i n ga r ed i s c u s s e d , a n dt h et e c h n o l o g yc o n t e n t so f p r o c e s sp l a n n i n gf o r g r e e nm a n u f a c t u r i n ga r ep r e s e n t e d t o o i ti sp o i n t e do u ti nc h a p t e r3t h a tp r o c e s sp l a n n i n ga c t u a l l yi sm a d e u p o fs e r i a l so f d e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s s e s t h ed e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e m s i n c l u d e p r o c e s sr o u t e ， p r o c e s sm e t h o d ，p r o c e s sd i m e n s i o n ，p r o c e s ss e t u p s ，c u t t i n gf l u i da n dp r o c e s sp a r a m e t e r , e t c a n dt h ed e c i s i o n - m a k i n g t h e o r ym o d e la n da p p l i c a t i o nm o d e ls e ta r ce s t a b l i s h e dt o s u p p o r tp r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g ap r o e e s sp l a n n i n gm e t h o d f o r g r e e n m a n u f a c t u r i n g b a s e do n d e c i s i o n - m a k i n g m o d e ls e ta r ea l s op r e s e n t e d m a c h i n et o o li st h ee x e c u t o ro f p r o c e s s e s w h i c hh a si a r g ei m p a c to nt h ee n e r g y c o n s u m p t i o n , s e c o n d a r y m a t e r i a lc o n s u m p t i o n ，n o i s e ，s e c u r i t y , r e c y c l i n go f s c r a p s ，a n d w a s t ee m i s s i o n s i nc h a p t e r4 ，t h eo p t i m i z i n go fm a c h i n et o o lc o n f i g u r a t i o nf o rg r e e n m a n u f a c t u r i n gi np r o c e s sp l a n n i n gi sd i s c u s s e d t h em a c h i n et o o ls e l e c t i o nm o d e lo f s i n g l ep a r t a n dm u l t i p l em a c h i n et o o l si se s t a b l i s h e d a n e n e r g ys a v i n g & n o i s e i i i 重庆大学博士学位论文 r e d u c t i o ns c h e d u l i n gm e t h o di s p r e s e n t e d t o c o n f i g u r em u l t i p l e m a c h i n et o o l st o m u l t i p l ep a r t s o n eo ft h ei m p e r a t i v e p r o b l e m si nt h ep r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g i s t om a k eaq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o na n de v a l u a t i o no ft h er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n d e n v i r o n m e n t a li m p a c td u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s i nc h a p t e r5 ，t h er e s o u r c e c o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c to fm a c h i n i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d b a s e do n p r o c e s si p o ( i n p u t - p r o c e s s o u t p u t ) m o d e l s ，am e t h o dt oa n a l y z e a n de v a l u a t et h e r e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c ti nm a n u f a c t u r i n gi sp r e s e n t e d ，a n di t s t e c h n i c a lf r a m e w o r ki ss e t u pt o o i n c h a p t e r6 ，a s o f t w a r et o o ln a m e d 弘g r e e nm a n u f a c t u r i n go r i e n t e d p r o c e s s p l a n n i n ga p p l i c a t i o ns u p p o r t i n gs y s t e m ( g m p p a s s ) i si n t r o d u c e d ，w h i c hi sd e v e l o p e d o nb a s i so ft h ef r u i t si nt h ed i s s e r t a t i o n t h es o f t w a r ew a sc e r t i f i c a t e db yn a t i o n a l i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo f f i c e , a n do b t a i n e dt h ec o p yr i g h ti nj u n e2 0 0 3 i tc a nb eu s e dt o a i dt e c h n o l o g i s t st o a n a l y z et h er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c to f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，a n dm a k ep r o c e s sp l a n n i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g s o m e p r o c e s sd a t a o nr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c to r e p r o v i d e d t o o k e yw o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s sp l a n n i n g , m a c h i n et o o l ，r e s o u r c e ； e n v i r o n m e n t 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题背景 1 1 1 可持续发展的提出及其本质特征 从宇宙、地球、人类的三个宏观层次进行思考，人类改造自然的生产与社会活 动及改造自然的目的相对于“存在”而言是如此的渺小。人类是地球上的一种生物， 其生存依赖于地球上的资源和环境状况，甚至这种依赖是如此的脆弱，倘若地球的 表面温度上升或下降1 0 0 摄氏度，又如大气中的氧气含量降低1 0 个百分点等都足以 让人类毁灭。而地球的存在则完全不依赖于人类的活动，它在人类以先就已经存在， 在人类以后也同样存在。如果把人类放置茫茫的宇宙进行对比，人类，甚至人类与 地球的存在与否都是一个不值得考虑的问题。因此人类改造自然的目的不应是为了 满足自己的欲望，更不会地球和自然有问题需要我们进行修正，改造自然的目的应 该是为了人类更好、更长期的存在。人类不仅仅只有一个地球，而是仅仅有一个正 适合人类生存的地球环境。因此人类科学技术发展的目的不应该是仅仅为了创造科 学奇迹，创造财富以满足人类的诸般“原罪”的欲望，而是在于科学技术是否更有利 于人类的长期生存，更有利于人类适应和维持我们赖以生存的地球环境临界状态。 长期以来，人类的工业化生产以消耗非再生资源、过度消耗再生资源和破坏生 态环境为代价，缔造出万花筒般的缤纷世界，物质得到了极大的丰富。如果以现在 人类的物质财富和科学技术回头对比5 0 0 0 年的人类世界，人们足以为自己的聪明才 智和改造自然的壮举感到无比的自豪，但可叹的是世界并不因此而变得更加美好、 更加适合于人类的居住和生存，人类不同种族之间也并没有因此而更加和平。考虑 战争、难民、贫富差距、疾病、恐怖活动、人权、资源耗竭、人口激增、环境恶化 等等问题，设想让全球的公民对这个世界的美好生活进行一次公投，不知结果如何? 我们发展的代价实在是太大了，以至于我们难以继续以此而感到自豪，甚至应该反 省这种发展的正确性和必要性。 事实上，早在2 0 世纪7 0 年代全世界各国家都开始认识到传统发展模式给人类 带来的生存危机感，先后召开了“联合国人类环境会议”、联合国环境与发展会议” 和“可持续发展世界首脑会议”。这三次联合国会议一般被认为是国际可持续发展进 程中具有里程碑性质的重要会议。 “联合国人类环境会议”于1 9 7 2 年在瑞典斯德哥尔摩召开。当时人类面临着 环境日益恶化、贫困日益加剧等一系列突出问题，国际社会迫切需要共同采取一些 行动来解决这些问题。这次会议就是在这样的国际背景下由联合国主持召开的。通 重庆大学博士学位论文 过广泛的讨论，会议通过了重要文件人类环境行动计划”。这次会议之后，联 合国根据需要迅速成立了联合国环境规划署( u n i t e dn a t i o n se n v i r o n m e n t p r o g r a m m e ) 。 1 9 9 2 年联合国在巴西召开了“联合国环境与发展会议”。这次会议是根据当时 的环境与发展形势需要，同时为了纪念联合国人类环境会议2 0 周年而召开的。会议 通过了 2 1 世纪议程等重要文件。根据形势需要，联合国在这次会议之后成立了 “联合国可持续发展委员会( c o m m i s s i o n o i ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ) ”。 “可持续发展世界首脑会议”于2 0 0 2 年在南非召开。这次会议的主要目的是 回顾 2 1 世纪议程的执行情况、取得的进展和存在的问题，并制定一项新的可持 续发展行动计划，同时也是为了纪念“联合国环境与发展会议”召开1 0 周年。经过长 时间的讨论和复杂谈判，会议通过了可持续发展世界首脑会议实旌计划这一重 要文件。 可见，可持续发展己成为人类时代特征和主旋律。我们国家对此作出了积极的 反映，江泽民同志在十六大报告中指出走新型工业化道路，大力实施科教兴国战略 和可持续发展战略。实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。信息 化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业 化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人 力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。” 可持续发展的战略构想，既从经济增长、社会进步和环境安全的功利性目标出 发，也从哲学观念更新和人类文明进步的理性化目标出发，几乎是全方位地涵盖了 “人口、资源、环境、发展”的辩证关系，并将此类关系在不同时段或不同区域的差 异，包含在整个时代演化的共同趋势之中。作为国家的一个基本发展战略，它必然 具有十分坚实的理论基础和知识内涵。面对实现其战略目标( 或战略目标组) 所规定 的内容，各个国家和地区，都要根据自己的国情和具体条件，去规定实施战略目标 的方案和规划，从而组成一个完善的战略体系，在理论上和实证上去寻求实施过程 的“满意解”。 从可持续发展的基础概念出发，所拟定的战略体系具有三个最为明显的特征【”。 其一：它必须能表达衡量一个国家或区域的“发展度”，即能够判别一个国家或 区域是否在真正地发展、是否在健康地发展、以及是否在保证生活质量和生存空间 的前提下不断地发展、总之，它必须澄清一个容易混淆的观念，即认为可持续发展 似乎不强调经济增长和财富积累，有种甚至把可持续发展视同停止向自然取得资源， 以维持生态环境的质量，这显然是与可持续发展理论的本质背道而驰的。 其二，是衡量一个国家或区域的协调度”，即要求定量地诊断或在同一尺度下 去比较能否维持环境与发展之间的平衡、能否维持效率与公正之间的平衡? 能否维持 2 1 绪论 市场发育与政府调控之间的平衡、能否维持当代与后代之间在利益分配上的平衡? 这一战略目标的特征与区域的“发展度7 有所重，如果说发展度更加强调量的概念郧 财富规模的扩大，协调度则更加强调内在的效率和质的概念，即强调合理地优化调 控财富的来源、财富的积聚、财富的分配以及财富在满足全人类需求中的行为规范。 其三，是衡量一个国家或区域的“持续度”，即判断一个国家或区域在发展上的 长期合理性。这里所指的“长期”，近者可能包含五代或十代人的时间，远者直至整 个人类的未来。持续度更加注重从“时间维”上去把握发展度和协调度。换言之，战 略目标特征中的发展度和协调度，不应是在时段内的发展速度和发展质量。它们必 须建立在充分长时间维上的调控机理之中。 1 1 2 制造业的可持续发展模式绿色制造及其研究意义 制造业是将可用资源( 包括能源) 通过制造过程，转化为可供人们使用和利用 的工业品或生活消费品的产业。它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、化 工、食品、军工等等。制造业已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【2 。制造能力也是人类区别于其他生物的一个重要特征。 随着时代的变迁，制造业模式也在改变：即以产品为中心的制造、以客户为中 心的制造。以产品为中心的制造以产品的批量生产，满足人类生活必需为主要特征； 以客户为中心的制造以产品的多样化，满足人类个体个性化生活需要为特征。这两 种制造模式目前正存在于我们的现实世界指导着广大企业的生产和经营。但从哲学 角度，这两种制造模式实际上解决的是如何满足人类日常生活的问题。事实上，现 代制造业在将制造资源转变为零件制造过程中以及产品的使用和处理过程中，同时 也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。由于制造业的量大面 广，因而对环境的总体影响很大，即人类生存的问题开始被触击。于是一嵇新的、 考虑人类存在问题的制造业可持续发展模式绿色制造( 也称为可持续制造) 被 正式提出。制造模式及满足特征变迁如图1 1 所示。 辫吣黼桃厂 i以客户为步缸的制造模式 卜7 仝产 l以产品为中心的制逢摸式 【- 一一 = = = = = s 人类的存在 、 类个体个性 e = = = = 2 化需求 = = 共生活必需 时代 图1 1 制造模式及满足特征变迁 f i g 。1 1d e v e l o p m e r i to f m 如u f a c 砥gm o d e 强d i t sc h a r a c t e r i s t i c s 绿色制造3 】【5 堤一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是 重庆大学博士学位论文 使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境 负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。各国专 家的研究普遍认为，绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法，是实旋环境 污染源头控制的关键途径。绿色制造以人与自然的协调为基本出发点，实质上是人 类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。 绿色制造的研究具有重要意义，是我国国民经济和制造业发展的迫切需要，主 要表现为： 绿色制造是国家新型工业化道路发展战略的需要 江泽民同志在十六大报告中指出“走新型工业化道路，大力实施科教兴国战略和 可持续发展战略。实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。信息化 是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化 促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力 资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”绿色制造是一个企业经济效益和社会效 益协调优化为目标，综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，因此推进绿色 制造的研究和推广应用是国家新型工业化道路发展战略的需要。 推广应用绿色制造技术，是突破绿色贸易壁垒”，改善和促进出口贸易，拉 动相关产业发展的需要。 随着中国加入w t o ，世界经济的一体化，传统的非关税壁垒被逐步削减，绿 色贸易壁垒以鲜明的时代特征正日益成为国际贸易发展的主要关卡。绿色贸易壁垒 包括环境进1 2 i 附加税、绿色技术标准、绿色环境标准、绿色市场准入制度、消费者 的绿色消费意识等方面的内容。将环保措施纳入国际贸易的规则和目标，是环境保 护发展的大趋势，但同时也客观上导致了绿色贸易壁垒的存在。我国是世界上最大 的发展中国家，在发达国家建立的绿色壁垒面前，已经付出了较大的代价。联合国 的一份统计资料表明，我国每年有7 4 亿美元的出1 2 1 商品受绿色壁垒的不利影响。许 多专家纷纷提出突破“绿色贸易壁垒”的措施，如积极实旄i s 0 1 4 0 0 0 和环境标志认 证、积极参与国际环境公约和国际多边协定中环境条款的谈判以及要加强环境经济 政策的研究和制定等。同时，专家们也普遍认为，提高科技和生产力水平是突破绿 色贸易壁垒的基本措施之一。推广应用绿色制造技术将实现我国企业出口产品技术 革新，提高出口产品的环境意识水平，有助于突破“绿色贸易壁垒”，从而改善和促 进出口贸易，拉动相关产业发展。 绿色制造是全球日益兴起的绿色产品消费趋势的需要 随着政府立法和公众环保意识的逐渐增强，绿色消费已经渐渐成为人们的共识， 绿色产品日趋受到欢迎。国际经济专家的分析普遍认为，到2 0 1 0 年，绿色产品将成 为世界主要商品市场的主导产品。这使得绿色制造已经成为世界范围内的研究热点。 4 1 绪论 不少著名企业都将绿色产品作为未来竞争的重要筹码，不惜投入大量财力、人力、 物力进行研究。t 9 9 3 年，美国各大汽车公司就绪成回收联盟，在密话掇建立车辆拆 卸中心，专门研究车辆的回收拆卸技术；柯达公司研制了名为“相迷救星”的新型相 机，8 7 的重量可回收；由美国m c c 等著名电器公司发起的“电子产品和环境”年度 研讨会已经成为i e e e 最有影响的学术会议之一。 绿色制造是2 1 世纪国际制造业的重要发展趋势 绿色制造是可持续发展战略思想在制造业中的体现，致力于改善人类技术革新 和生产力发展与自然环境的协调关系，符合时代可持续发展的主题。美国政府已经 意识到绿色锚造将成为下一轮技术创新高潮，并可能引起新的产业革命，于 1 9 9 9 2 0 0 1 年，在美国国家自然科学基金和国家能源部的资助下，美国世界技术评 估中心( w t e c ) 成立了专门的“环境友好制造( 即绿色制造) ”技术评估委员会， 对欧洲、日本有关企业、研究机构、高校在绿色制造方面的技术研发、企业实施和 政策法规等的现状进行了实地调查和分析，并与美国的情况进行对比分析，指出美 国在多方面已经落后的事实，提出绿色制造发展的战略措施和亟待攻关的关键技术 】。制造与技术新闻期刊在一篇题为“g r e e n m a n u f a c t u r i n g i s a s t r a t e g i c p r i o r i t y ( 绿 色靠4 造是优先发展战略) ”的头条报道中指出：在不久的将来，无论从工程还是商 务与市场的角度，绿色制造都将成为工业界最大的战略挑战之一【”。目前已有很多 跨国企业都纷纷在不同程度上开始推行绿色制造战略，开发绿色产品，如德国的预 门子公司、日本的丰田和日立公司、美国的福特集团等。 综上所述，无论从国民经济的宏观角度还是从公司企业经营的实际需要，绿色 制造战略的实施都以势在必行。 1 2 绿色制造及铺造过程环境改善技术研究现状 1 2 1 绿色制造的国内外研究现状 绿色制造的国外研究现状 绿色制造( o r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l yc 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 re n v i r o n m e n t , m f e ) 等。绿色制造 是制造科学、环境科学和管理科学深层次交叉而形成的国际重要科学前沿领域，在 国际上弓l 起了广泛的重视。美国卷4 造工程师学会( s m e ) 1 9 9 6 年发表了关于绿色制 造的蓝皮书g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ) 口 ，提出绿色制造的概念，并对其内涵和作用等 问题进行了较系统介绍，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”的网上主题报告吼美国机械工程学会a s m e 也在网上公布了不少研究论文【9 】d 美国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 重庆大学博士学位论文 国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页c g d m 【lo 】。国际生产工程学会 c i r p 近几年有大量论文对环境意识制造和生命周期工程等与绿色制造本质一致的 问题进行了广泛研究【1 2 j 【1 3 】。国际电子电器工程师协会( e e ) 和日本生态设计 ( e c o d e s i g n ) 协会联合发起，在松下、s o n y 、i b m 、丰田等多家跨国公司赞助下， i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n e n v i r o n m e n t a l l y c o n s c i o u s d e s i g n a n di n v e r s e m a n u f a c t u r i n g 国际研讨会迄今己成功举办了3 届，对环境意识制造和逆向制造技术 展开了讨论。2 0 0 1 年4 月国际技术研究学会( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr e s e a r c h i n s t i t u t e ，r r p d ) 世界技术部( w o r l dt e c h n o l o g yd i v i s i o nw t e c ) 召集了一批美国绿色 案4 造方面的专家，对美国、欧洲、日本共5 0 多家企业金属和塑料加工过程、汽车和 电子产品进行了调研，对绿色制造的需求、研究、应用现状进行了全面的分析，并 完成了“环境友好制造最终报告”( e n v i r o n m e n t a l l yb e n i g nm a n u f a c t u r i n g ) 1 6 】，指出材 料与制造业的环境友好性迫切需要改善。欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国 公司都制定了绿色蒂8 造实施目标和措施，开展节能、降耗、产品生命周期评估( l c a ) 、 环境审核、绿色产品开发等具体工作，如日本本田公司2 0 0 1 年曾提出“到2 0 0 3 年将 全面实施绿色制造”的口号【6 。特别是，近年来随着i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系系列标 准、o h s a s l 8 0 0 0 职业健康与安全卫生标准系列、绿色产品标志认证等的颁布，企 业环境管理和绿色制造的研究更加活跃。截至2 0 0 2 年底，已有n 8 个国家4 9 4 6 2 家企业已经获得i s 0 1 4 0 0 1 环境管理体系认证。2 0 0 2 年度，由于中国政府和企业的 积极参与，有1 7 1 8 家企业获得认证，列全球第2 位，仅次于日本。 绿色制造的国内研究现状 绿色制造自提出以来受到了国内各单位的高度重视，并展开了大量的研究。目 前包括重庆大学、清华大学、中国工程院、上海交通大学、合肥工业大学、华中科 技大学等在内的许多单位都进行了这方面的研究。国家8 6 3 和国家自然科学基金也 支持了大量绿色制造方面的课题，有力的推动了该领域的研究工作。在近年来的研 究工作中，已形成了一批专门从事绿色制造研究的科研队伍，发表了大量的研究论 文，出版了多本绿色制造方面的专著，有关技术手册也收录了绿色设计与制造方面 的技术。国家8 6 3 现代集成制造系统网络c i m s n e t 已将绿色制造列为技术专题之 一，跟踪报道绿色制造的研究动态。 重庆大学的刘飞教授一直从事绿色制造一般理论方法5 】 1 4 ”5 1 1 司以及与面向绿 色制造工艺方面直接相关的机械加工能量特性【1 7 1 、制造系统物能资源节约【1 8 】，工艺 要素规划1 9 j 【2 0 】【2 l 】、工艺过程规划【捌、以及工艺评价与决策等方面的研究。在国家 8 6 3 c i m s 于1 9 9 9 年资助下，课题“绿色制造工艺规划方法及实用技术研究”对九个 工艺大类中的若干典型工艺的资源环境特性进行了研究，并初步建立了绿色制造工 艺数据库知识库的原型系统，目前正在开展的8 6 3 c i m s 项目面向绿色制造的工艺 6 1 绪论 规划关键使能技术及应用支持系统研究”，在对工艺规划的关键使能技术进行研究的 基础上，开发了一套面向绿色制造的工艺规划应用支持系统，辅助工艺人员进行绿 色工艺的决策和评价。 清华大学于2 0 0 1 年在国家、学校和企业多方支柱下，建立了清华至卓绿色制造 研发中心【2 3 1 ，主要从机电产品绿色设计，线路板的回收，产品全生命周期评估 ( l c a ) ，以及机电产品的拆卸回收处理等 2 4 】 2 5 】 2 司方面进行了绿色制造的研究，并 开发了一个绿色网站，用于介绍国内外的研究成果，最新动态，提供绿色制造技术 咨询，开展绿色制造技术应用，从而提高全民的绿色环保意识。 中国工程院早在2 0 0 0 年就提出了设立绿色再制造工程及其在我国应用的前 景咨询项目的报告，报告中指出再制造是一项系统工程，它对国家经济的可持续 发展、产生的社会和经济效益以及就业等问题都将会做出重大贡献，这一项目的提 出受到国务院有关领导的重视，“再制造”被列入了有关部门“十五”期间前瞻、优先发 展的技术领域【2 ”。 上海交通大学【2 8 】 2 9 】【3 川对产品的绿色设计，绿色回收方面进行了研究，包括面向 产品回收的绿色设计，废旧回收及关键技术的研究，并建立了中国绿色设计数据库： 合肥大学的刘光复教授等主要的研究对象是面向可拆卸性设计和产品的绿色设计 3 1 】 3 2 】 3 3 】；华中科技大学胡成刚教授、谢荣秋教授等对生命周期评价以及绿色制造的 企业行为等开展了研究工1 乍【3 4 】 3 5 3 ；西安交通大学的孙林岩教授等对绿色制造模式及 绿色供应链等进行了一定的研究9 6 1 ”l 。 又如，由世界工程组织联合会和联合国教科文组织共同发起和支持的第二届世 界工程师大会将于2 0 0 4 年在我国上海举办 3 8 】，经国务院批准，会议将由中国科协、 中国工程院和上海市人民政府共同主办。本次会议的主题是“工程师塑造可持续发展 的未来”，其中“生态材料和绿色制造”被列为七大专题之一，并由我国负责该项专题。 会议将邀请联合国秘书长安南、我国国家主要领导人以及世界顶尖工程技术界大师 与会。 我国学术界近年来对绿色制造的研究十分重视。2 0 0 3 年1 2 月举办由2 6 位院士 参加的我国第一次“工程前沿研讨会未来的制造科学与技术”中也将“生物制造 及环境友好、可持续发展的绿色制造技术的发展方向”列入了我国未来制造科学与技 术的六个前沿发展方向之- - 3 9 1 。中国科学院院长路甬祥院士在中国机械工程学会 2 0 0 2 年年会主旨报告中将“坚持发展与环境的统一，实施绿色制造”列为实现与世界 制造强国地位相适应、有中国特色的现代制造的基本理念之一【4 0 。而2 0 0 3 年的中 国机械工程学会年会的主题则是：“全球化、信息化、绿色化提升中国制造业” 4 l 】。 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” 涉及问题的多学科复杂性以及本身提出和研究历史较短，现有研究不少仍停留在概 重庆大学博士学位论文 念研究、认识研究、一般理论和方法的探讨阶段，许多问题还有待于深入，特别是 缺乏能够在实际生产中( 如车间层) 直接应用的实用方法和软件工具。s a m d n 出教 授a n dr t s m i t h 教授曾在美国制造工程师学会( s m e ) 发布的绿色制造蓝皮书 2 】中 指出：“尽管目前有很多有利因素促进绿色制造的实施和推广，如环境和资源方面法 规、i s 0 1 4 0 0 0 国际环境管理体系系列标准、绿色标志认证、公众意识、甚至已经有 很多企业在以绿色环保作为自己的市场竞争优势( 如绿色空调、绿色汽车等) ，但绿 色制造在实际生产中的实施仍不乐观，其主要原因之一是缺乏可以明显改善环境友 好性的实用方法和工具”。迄今为止有关绿色制造方面的实用化方法和软件工具仍很 少有报道。 1 2 2 制造过程环境改善及工艺规划技术研究现状 在绿色制造概念中，产品生命周期得到了外延，传统的产品生命周期包括产品 的设计、制造、装配包装、运输和分销、使用等阶段，而绿色制造提出了产品全生 命周期的概念，进一步考虑了产品原材料采掘、材料制备以及产品报废、回收利用 和处理等过程，构成了一个闭环的生命周期。如图1 2 所示。 设备材l 裂誓 原材料加工 原材料提取 再制造 制造、安装 地球和生物圈 闭路循 。环 霈 ：1 矍：兰乎素著 、商：擀鬻蒿憋物 k 。，垒嚣程和管理的物料 图1 2 产品生命周期 f i g 1 2l i f ec y c l eo f p r o d u c t i ng r e e nm a n u f a c t u r i n g 在产品全生命周期中，制造过程是产品从概念、设计方案到产品的物化过程， 是直接造成资源消耗和环境污染的关键环节之一。制造过程可以划分为流程制造和 离散制造。由于流程制造造成的环境污染更为直接和明显，因此很早就受到了关注， 并形成了专门的学科分支。而由于离散制造的工艺过程分散，单个产品表现出的环 境影响问题不突出，长期以来没有受到重视。但由于离散制造过程的量大面广、全 1 绪论 球环境问题的日益突出以及公民环境意识的逐步增强，其环境问题也开始受到关注。 离散制造涉及的工艺类别繁多，由于专业的局限性和研究工作基础等原因，本论文 的研究主要关注离散制造中的机械制造工艺过程。 制造过程的资源消耗和环境污染问题是绿色制造领域的研究热点问题之，受 到了国内外绿色制造方面专家的广泛关注。一些国际上主要的研究机构及其所开展 研究工作综述如下： 美国n s f a r p a 机床敏捷制造研究所m t a m r i i 4 2 】 4 3 【4 5 】啡】 该研究所曾于1 9 9 5 年设立了环境意识机床系统”的重大研究课题，联合密执根 技术大学( m t u ) 、加利福尼亚大学b e r k e l e y 分校( u c b ) 、内布拉斯加州立大学倒f n ) 、 伊利诺斯州立大学( u 】u c ) 等著名高校开展该方面的研究，并制定了长期的研究目 标和各阶段的短期目标。该课题将机床系统看成一个输入输出系统，系统的输八为 切削速度、进给速度、切削深度以及其他可控参数；目标约束为成本、时间、利润、 表面质量以及尺寸精度等；输出为磨损刀具、切削液、切削热和报废的机床等。并 对与环境意识机床加工系统有关的切削液系统、切屑的形态学、运动学及动力学机 理、切削热的生成和传递机理、机床寿命性能、刀具磨损、健康毒性评价以及非传 统加工系统( 如电化学加工) 的废物流特性等进行了研究。“切削液评价软件原型 ( c f e s t ) ”是其中的研究成果之一。用户通过i n t e r n e t 登陆本软件界面，在界面中 输入有关参数，包括切削液的类型、应用方法、加工参数、现场因素