（机械制造及其自动化专业论文）基于资源环境属性的制造过程绿色评价支持系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 绿色制造是可持续发展战略思想和循环经济模式在现代制造业中的体现，是解决制造 业资源消耗和环境污染问题的根本方法和关键途径之一。制造过程是制造业资源消耗和环 境影响的核心环节，开展制造过程资源环境属性评价研究对优化改善制造业的绿色性具有 重要意义。本文针对制造过程中资源消耗高、浪费大、环境排放严重等问题展开研究工作， 重点对资源环境属性分析评价和应用支持软件等进行较为深入、系统的研究。 ( 1 ) 通过分析制造过程资源环境属性特点，建立制造过程资源环境属性评价指标体 系，不同的工艺类别所构建的指标体系不相同。 ( 2 ) 在制造过程资源环境属性评价指标体系的基础上，研究评价指标的量化方式， 结合评价方法的选取，提出一种制造过程资源环境属性的评价框架模型。 ( 3 ) 通过需求分析明确系统应具备的功能，构建评价支持系统的体系结构。对常用 加工制造工艺资源环境属性，制造过程绿色评价，制造过程资源优化选择，制造过程资源 数据库，用户管理五个模块的具体内容和功能进行设计，并就各模块的功能及数据联系设 计系统工作流程。 ( 4 ) 开发基于资源环境属性的制造过程绿色评价支持系统，结合实施案例对各模块 的功能及系统工作流程进行介绍。 关键词：绿色制造；制造过程；资源环境属性；评价支持系统 a b s t r a c t g r e e nm a n u f a c t u r i n ge m b o d i e st h es t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dt h ec i r c u l a r e c o n o m yp a t t e r ni nt h em o d e r nm a n u f a c t u r i n g ，i t so n eo f t h ee s s e n t i a lw a yt os o l v er e s o u r c e s c o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e mi nm a n u f a c t u r i n g a s t h ek e yl i n ko f e n v i r o n m e n t a li m p a c ta n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o ni nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，i t 8i m p o r t a n tt o c a r r yo u tt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e se v a l u a t i o nr e s e a r c h o ni m p r o v i n ga n do p t i m i z i n gg r e e nd e g r e eo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i nv i e wo ft h es e r i o u s r e s o u r c e sc o n s u m p t i o n ，w a s t e ，e n v i r o n m e n t a le m i s s i o ni nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e r s t u d yo na n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e s ，a p p l i c a t i o ns u p p o r t s o f t w a r et h o r o u g h l ya n ds y s t e m a t i c a l l y ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c so fa t t r i b u t ed a t a ，t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e si se s t a b l i s h e d ，i n d i c a t o rs y s t e m i sc o n s t r u c t e db y d i f f e r e n tt e c h n o l o g yc a t e g o r yi sn o tt h es a m e ( 2 ) b a s e do nt h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e s c o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e s ，t h eq u a n t i f i c a t i o nw a yo fe v a l u a t i n gi n d i c a t o r si s s t u d i e d c o m b i n e dw i t ht h es e l e c t i o no fe v a l u a t i o nm e t h o d ，o n e e v a l u a t i o nm o d e lo f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e si sp r o p o s e d ( 3 ) t h r o u g hd e m a n da n a l y s i s ，f u n c t i o n so f t h es y s t e ma led e t e r m i n e da n da r c h i t e c t u r e o ft h ee v a l u a t i o ns u p p o r ts y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h es p e c i f i cc o n t e n ta n df u n c t i o no f r e s o u r c e a n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n so fc o m m o nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，g r e e n e v a l u a t i o no f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e s o u r c e so p t i m i z a t i o ns e l e c t i o no fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e s o u r c e s d a t a b a s eo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，u s e rm a n a g e m e n tm o d u l ea l ed e s i g n e d ，t h es y s t e mw o r k f l o w i sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er u c t i o na n dd a t ar e l a t i o no fe a c hm o d u l e ( 4 ) t h es u p p o r ts y s t e mf o rg r e e ne v a l u a t i o ni nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sb a s e do nr e s o u r c e a n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n si sd e v e l o p e d ，c o m b i n e dw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fc a s e ，t h e f u n c t i o n so fe a c hm o d u l ea n ds y s t e mw o r k f l o wa r ei n t r o d u c e d k e y w o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；r e s o u r c e s a n de n v i r o n m e n t a l a t t r i b u t e s ；e v a l u a t i o ns u p p o r ts y s t e m 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 资源、环境、人口是当代人类社会面临的三大主要问题，特别是环境问题，其恶化程 度与日俱增，对人类社会的生存与发展造成严重威胁【l 】。制造业作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，与上述的三个问题密切相关。 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。制造业的功能是通过制造系统来实现的，在制造系统中资源消耗转变为产品，同 时产生废弃物( 废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源) 并成为制造业 环境污染的主要根源。由于制造系统量大面广，因而对环境的总体影响很大。有鉴于此， 如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前环境问题的一个重要研究方向。于是一个新 的概念绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 由此产生，并被认为是现代企业的必由之路。 绿色制造是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【2 】【3 1 。该定义体现出一个基本观点， 即制造系统中导致环境污染的根本原因是资源消耗和废弃物的产生，因而该绿色制造的定 义提出了资源和环境两者不可分割的关系。 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，在国际上引起了广泛的重视【4 】。美国制造工程师学会( 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 ) ) 【5 】，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一的网 上主题报告。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【6 】【1 7 1 。加拿大w i n d s o r 大学建立了环境意识设计 和制造实验室( e c d ml a b ) 和基于w w w 的网上信息库，出版国际环境意识设计与制造杂 志，对环境意识制造中的环境性设计、生命周期分析等进行了深入研究【8 】。许多企业也进 行了大量研究，如1 9 9 6 年在美国s m e 学会召开的绿色制造研究圆桌会议上，来自企业界的 代表就占大多数。美国a t & t 公司还在企业技术学报上发表了许多有关绿色制造的研究论 文【9 1 。 1 2 论文的国内外研究现状 制造过程的资源环境属性分析与评价作为实施绿色制造的关键技术之一已经引起国 内外学术界的广泛重视，并出现了一些评价方法及评价软件。产品生命周期评价 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( l i f e c y d e a s s e s s m e n t ，l c a ) 是一种被广泛研究的产品全生命周期环境影响评价方法，其中 包括零件制造过程的评价，但由于l c a 评价过程复杂、周期长、成本很高，至今应用范 围仍有限【m 】。美国伯克利加州大学的a a m u n o z 等【1 1 】提出了一种切削加工过程环境影响评 价方法，评价内容包括工件材料的消耗、能量消耗、刀具消耗、切削液消耗、切削液的散 失和毒性等，给出了各项指标与切削参数相关的量化分析方法，是一篇重要的理论文献。 a c k c h o i ，h k a e b e m i c k 等【1 2 j 提出了一种制造工艺环境影响建模方法，该方法采用输入 一处理一输出( i n p u t - - p r o c e s s - - - o u t ，i p o ) 图对工艺过程的资源消耗和环境排放进行描述， 为制造工艺过程的环境影响的描述提供了一种较好的方法。密歇根技术大学的j o l l 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【l3 1 。b e n n e t t 等 研究产品工艺路线的选择，以减少机械加工系统的废物流和能量消耗【1 4 】。t g u t o w s k i 等【1 5 】 对铝和钢这两种不同的材料在不同机床上进行加工的能量消耗进行了对比分析，指出同一 材料加工过程的能量消耗受机床类型的影响，通过选择合适的加工机床，可以显著减少加 工过程的能量消耗。h x u e 等【l6 】构建了一种基于单工艺物料输入输出的制造系统物料集成 输入输出模型，通过降低单个工艺对环境的影响( 例如，减少排放，废物的产生，和材料 的使用) 来提高整个制造系统的绿色性。新加坡南洋技术大学机械产品工程学院的s h y e o 和a k n e w 1 7 】针对电火花加工，在综合考虑了时间、能量、质量和物质损耗等情况下，提 出了多目标综合决策体系，使制造过程中物质消耗等达到最佳的搭配，并在实际应用中取 得了较好的效果。 曹华军，刘飞【1 8 】等提出一种基于工艺i p o 过程模型和列昂波特相互作用矩阵的制造 过程环境影响评价方法，通过对各工艺过程的环境影响评价结果进行综合评价和纵横向对 比分析，为制造过程环境友好性改善提供数据参考。王静等【1 9 】定性地分析了机械加工过 程中粉尘、切屑和切削液等对人体和环境的危害，并提出了若干降低废弃物危害的对策。 东南大学曹杰、易红【2 0 】等通过对绿色产品制造工艺决策的因素进行定量和定性相结合的 分析和对绿色制造工艺决策体系的研究，从资源利用属性、能源利用属性、环境负担和经 济性等方面建立了绿色制造工艺评价体系的层次结构模型，并应用层次分析确定绿色制造 工艺决策的权重和应用有限方案多目标决策逼近理想解法对决策工艺方案进行排序，最后 确定绿色产品制造工艺的最优解。张华，王西彬等【2 l 】针对产品的制造过程提出了绿色制 造过程评价的数据包络分析( d e a ) 方法，把制造过程中的每个具体行为视为d e a 方法中的 一个决策单元( d m u ) ，有效反映在工艺装备与生产对象不变的情况下特定制造过程的绿色 度持续性变化的过程。魏彩乔等【2 2 】利用v b 语言和m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 为平台开发了一套 零件制造工艺的绿色度评价系统，可以对零件制造工艺的绿色度进行不同方法( 定量评价、 模糊层次评价、基于粗糙集的综合评价) 的评价。邢西哲，李凌等【2 3 】针对现有的绿色制造 评价理论和方法总结和概括了绿色制造评价存在的一些未解决的公开性技术问题，如产品 系统绿色评价的定量化方法，绿色制造评价的网络化应用理论与技术，绿色产品数据库和 知识库技术，绿色制造的不确定性分析及其方法，绿色制造的企业应用集成等。张亚平等 2 4 1 基于关系数据库和面向对象程序设计理论建立了生命周期评价数据库系统；通过综合 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 分析生命周期评价数据，根据生命周期评价数据的数据类型，将数据氛围产品评价数据、 产品档案数据、基础材料数据和影响评价基础数据，相应的设计了4 个数据库；并运用关 系数据库理论分别对4 个数据库建立了物理结构模型。 1 - 3 论文的研究意义 制造过程是制造企业直接消耗资源和产生环境影响以及职业健康与安全的主要环节 之一，实现制造过程的绿色化具有重要意义。目前关于制造过程资源环境属性评价方面取 得了一定的研究成果，但基于理论研究的偏多，仍然缺乏实用性强、能对制造过程有效进 行资源环境属性分析的软件系统，难以找出企业制造过程中资源消耗和环境影响严重的关 键因素和工艺，不能有效提高制造过程的绿色性。因此，改善和提高企业制造过程的绿色 性，需要针对性的对制造过程资源环境特性进行全面的分析评价。这包括两个方面的内容： 一方面是在保证产品基本功能的前提下，从节省能源、保护环境和保护劳动者健康等方面 来建立制造过程资源环境属性的评价模型，并使之具有客观性、可调性、科学性和可操纵 性；另一方面要收集有效合理的制造过程资源环境属性数据来支撑绿色性评价。本文针对 制造过程中的资源消耗、环境排放特点进行了研究，建立了制造过程资源环境属性指标体 系，并结合制造过程资源环境属性数据特点，对相应数据的收集和量化方法进行了研究， 选用相关的评价方法对制造过程资源环境属性进行评价。基于上述研究，开发了基于资源 环境属性的制造过程绿色评价支持系统。该系统作为企业生产过程中节约物料、能源和减 少环境排放的重要支持工具，对企业绿色制造技术的实施有积极意义。 1 4 论文的课题来源和主要研究内容 本文的研究工作来源于以下项目的支持： 1 面向绿色制造的制造企业生产过程多目标集成决策模型及方法研究国家自然科 学基金( 课题编号：7 0 5 7 1 0 6 0 ) ，2 0 0 6 1 2 0 0 8 1 2 2 制造企业生产过程绿色规划与优化运行技术国家科技支撑计划( 课题编号： 2 0 0 6 b a f 0 2 a 0 3 ) ，2 0 0 6 1 l 2 0 0 9 1 2 围绕研究目标，论文主要进行以下几方面内容的研究： ( 1 ) 第一章介绍绿色制造的定义和概念，国内外绿色制造研究现状，分析现阶段制造 过程绿色评价存在的不足，指出缺乏适合在实际生产中对制造过程绿色度评价的方法和工 具，为论文的研究指明方向。 ( 2 ) 第二章对评价支持系统的评价指标进行研究，建立相应的指标体系，进一步对评 价指标的量化及权重分配进行研究，结合综合评价方法的选取，建立评价支持系统的评价 框架模型。 ( 3 ) 第三章对整个评价支持系统的需求分析进行研究，在需求分析的基础上对系统的 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 应具备的功能进行分析，结合制造过程资源环境属性评价指标体系及评价框架模型对评价 支持系统进行总体设计，包括系统各模块设计和系统工作流程设计等。 ( 4 ) 第四章对基于资源环境属性的制造过程绿色评价支持系统进行介绍。介绍系统开 发所采用的工具，并以具体产品的制造过程为例对系统评价流程进行阐述。 ( 5 ) 第五章总结全文，并指出后续工作。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 2 1 概述 第二章评价支持系统的理论基础 制造过程是指从原材料投入生产开始，直到成品检验合格入库为止所经历的全部过 程，本文所研究的评价支持系统主要是对这个过程涉及到的资源环境属性数据进行综合分 析评价。制造过程是由一系列的工序环节组成，每个工序环节就是一个工艺过程，因此对 产品制造过程资源环境影响进行分析需要对制造过程的每个工艺过程进行分析。由于制造 过程涉及的工艺种类较多，不同工艺之间存在差异性，这就要求针对不同的工艺建立符合 工艺特点的评价指标体系。制造过程的资源环境属性数据主要包括物料消耗、能量消耗、 废弃物产生、环境影响等因素，本文以切削加工为例对其资源环境属性进行了分析。 2 2 评价指标研究 2 2 1 评价指标体系的构建 根据国家标准j b 厂r 5 9 9 2 9 2 “工艺方法类别划分及其代码 ，将制造工艺划分为铸造、 压力加工、焊接、切削加工、特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装以及其他等9 大类。 每个工艺大类又可以进一步划分为中类和小类，如切削加工包括刃具加工、磨削和钳加工 三个工艺中类，刃具加工又可以分为车削、铣削、刨削、插削等工艺小类，即使工艺小类 在实际应用中也可以划分为很多种工艺类型。具体划分如图所示。 图2 1 制造工艺分类 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 工艺过程的资源属性包括原材料消耗、辅助材料消耗和能源消耗，环境属性包括固体 废弃物、液体废弃物、气体废弃物、其他污染等，另外还需要考虑工艺过程对职工安全与 健康的影响等。 选取制造过程中常用的切削加工工艺，对其所需评价的指标进行分析。 ( 1 ) 原材料消耗指标【2 5 】 原材料消耗是切削加工中物能资源的重要组成部分。其特性主要需探讨的参数是：原 材料的利用率【，( u t i l i z a t i o nr a t e ) 、损耗率l ( 1 0 s i n gr a t e ) 和废弃物w ( w a s t e ) ，制造过程原材料的 消耗流程如图2 4 所示， 瓿兰蓼一输入【：二二 废弃物 图2 2 原材料消耗流程图 输出 图中，r i 、r o 、分别代表工件进入制造过程的重量、经加工后的工件重量和加工 过程中产生的废弃原材料质量。由于原材料消耗的废弃物以切屑和废件的形式存在，通 常都能得到有效的回收，因此需要考虑回收对原材料利用率的影响。 设每年加工的零件以件，可以回收切屑和废件q 公斤，折算人民币心元。如果工件 原材料每千克的价格为口元，则通过回收切屑和废件，每个零件可以节省的工件原材料q 为： 级= m s ，z ) ( 2 1 ) 通过回收切屑和废件对工件原材料利用率的影响为： a u = q 彤 ( 2 2 ) 综上，考虑切屑回收的影响，原材料利用率u ，损耗率、废弃物矿为： u = ( r o + q 卅) r ( 2 3 ) l = ( r i r o - q ) 彤 ( 2 4 ) 矿= r i r o q 卅 ( 2 5 ) 原材料消耗主要取决于加工工艺方法、加工路线和加工余量的选择。影响加工余量的 因素主要有：上工序留下的微观不平度和缺陷层的深度、上工序的尺寸公差和热处理变形 等。 ( 2 ) 辅助材料消耗 切削加工中辅助材料的消耗主要包括刀具、切削液、夹具和量具等消耗。 1 ) 刀具消耗指标 刀具用来完成零件多余金属部分的切除，涉及刀具的消耗。其消耗分为两部分，一是 刀具的磨损；另一部分是刀具报废后剩下的那一部分【2 6 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 实际加工中刀具换用次数频繁，单工艺过程的刀具消耗很难统计。评价支持系统数据 采集方式是在一段连续生产的时间内统计刀具的消耗，通过查看工人刀具领用清单，可获 得刀具的月消耗量( 把月) 。 2 ) 切削液消耗指标 切削液在制造中具有冷却、润滑、清洗、防锈等作用，对于减小切削力、改善表面加 工质量、提高刀具寿命具有重要意义，因而得到广泛的应用。在生产中切削液的消耗可以 分为四部分：( d 粘附在切屑上被带走他。与切削液的密度、切削液的表面张力以 及切屑的表面积等因素有关。这部分切削液得不到有效的回收。( d 粘附在工件上被带走 m 。所。与切削液的密度、切削液的表面张力以及工件的表面积等因素有关。这部分 切削液通常将在下道工序中被清洗而得不到回收。( d 因切削热作用被蒸发形成烟雾或因 飞溅而散失到空气中他。他与切削液的闪点、切削温度等因素有关。切削烟雾和飞 溅到空气中的切削液在非封闭加工系统中也基本上得不到回收。( d 剩下的切削液被收集 而重新循环使用肌，。循环使用的切削液在经过一段时间的重复使用后，也将因污染等 原因而失效，其寿命与切削液的化学稳定性以及切削液的净化管理工作等有关f 2 7 】。 综上所述，切削液的消耗可以表示如下 m e = 他+ 掰+ 他+ ( 2 6 ) ， 切削液在加工中是循环使用，在单工艺过程中的消耗很难统计，评价支持系统对切削 液指标的评价采取定性的方式采集，具体量化方式见后文。本文给出来的切削液消耗定量 方法可做为参考，进一步研究。 3 ) 夹具消耗指标 夹具在制造过程中主要是将工件定位，以保证产品的加工精度、提高劳动生产率、降 低对工人的技术要求和减轻劳动强度、扩大机床的工作范围。它主要可分为通用夹具和专 用夹具两大类。 通用夹具是指与通用机床配套，作为通用机床附件的标准化夹具。如车床上的三爪、 四爪夹盘，铣床上的平口虎钳、分度头、回转工作台，平面磨床上的电磁吸盘等等。这些 通用夹具的适用性很强，对充分发挥机床的技术性能、扩大机床的使用范围有很大作用， 由于是和机床配套的，所以通用夹具的消耗可以用机床折旧的方式来量化。 专用夹具是指根据零件的某加工工序的要求专门设计的夹具，它的设计制造周期较 长、成本较高，在产品变更时无法使用。但是，对那些品种比较固定、批量较大的产品， 专用夹具仍是最主要的夹具类型。 专用夹具的成本较高，其成本主要包括设计费用和制造费用两大部分。 c 毒用夹具= c 设计+ c 岛造 ( 2 7 ) 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 由于夹具具有一定的使用寿命，所以，一批加工零件某工序上的夹具费用为 q 用夹具消耗= 镪工时间 ( 2 8 ) 式中，c + 专用夹兵为专用夹具单位时间上的消耗，碾具使用寿命为此夹具的使用寿命，工时问为 此零件的加工时间。 夹具在加工过程中式非消耗类物品，可多次使用，在单工艺过程中的消耗很难统计。 评价支持系统系统对夹具消耗指标的评价采取定性的方式采集，具体量化方式见后文。本 文给出来的夹具消耗定量方法可做为参考，进一步研究。 ( 3 ) 能量消耗指标【2 8 】 切削加工的能量消耗主要是电能。若在某一零件的制造过程中能量输入为e ，通过加 工系统它将转化为加工能量e 、系统广义储能取、系统损耗能量e ，三部分。其中加工能 量e 是生产过程的有效能；系统广义储能e 。是生产过程贮存能量和释放能量的代数和； 系统损耗能量e 包括电机和机械传动系统中的各种能量损耗。制造过程的能量流可用图 2 5 来描述。 能量 箱入 加工 能量 系! 宽厂糸统撷 义储能耗能量 图2 3 制造过程的能量流图 如需要加工一批零件，则可得到该批零件的能量消耗成本为 c 矗量消耗= e r e , ( 2 9 )o能量消耗一、。， 式中，c 电能的单位时间价格； t 加工该批零件所需的时间； e 单位时间内加工该批零件需要输入的能量。 ( 4 ) 固体废弃物指标 切削加工中产生的固体废弃物包括废件、切屑、报废刀具等。通常，在加工过程中产 生的切屑和废件，可以得到比较充分的回收，熔炼重用，对环境的影响比较小。但如果安 全措施没做好，很容易造成工伤事故，如铁屑飞溅打伤工人；切屑散落在地板上刺穿工人 脚板等。由于其种类繁多，很难量化。现阶段可先将固体废弃物分类，确定各类废弃物的 量，用经济指标( 元单位重量) 来对每类废弃物进行粗略的量化和评价。对某一具体产 品的实际生产过程来说，若包含多种固体废弃物，可采用线性加权来综合最后的评价【2 9 1 。 本文以切削加工为例，其固体废弃物主要是铁屑量，可直接收集统计数据，定量分析， 具体的量化方式见后文。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 5 ) 液体废弃物指标和气体废弃物指标 切削加工中产生的液体废弃物主要包括废切削液，它不但对人体造成危害，而且在废 液的处理过程中还将造成生态环境的危害。有的机床由于老化，产生漏油现象，也会构成 液体污染。切削加工中产生的气体废弃物包括有毒气体、粉尘、烟尘、窒息性气体、燃煤 废气、燃油废气等。对人体和环境的影响很大。 这两类废弃物对人体皮肤、呼吸器官等的危害比较大。另外，在此两类废弃物中常 常含有硫、氯、磷等化合物，直接排放会对环境造成较大危害。 这两类指标在单工艺过程中的影响不好确定，如有毒气体的成分、浓度等危害情况数 据需要专业的设备进行测量得出，限于技术水平，评价支持系统对这两类指标评价采取定 性的方式，具体量化方式见后文。 ( 6 ) 其他指标 此类污染主要指工艺过程产生的物理性污染，如噪声、振动、高温、辐射等。由于切 削加工中只涉及到噪声污染，下面具体对噪声的特性加以分析。 工艺过程中的噪声主要源于电机、运动部件的间隙、旋转运动部件的动不平衡、以及 零部件的松动、刀具和工件之间的摩擦振动等。噪声的危害主要表现在损害听觉和干扰日 常生活，影响的范围包括车间内部环境和车间周边环境。世界各国的声学界和医学界都公 认，用a 声级和以a 声级为基础的等效声级来评价各类噪声的危害和干扰，都得到了很好的 结果【3 0 l 。等效连续a 声级可表示如下 * = l o l g tf 1 0 。j ”d t ( 2 1 0 ) 式中，乞在时间t 内的等效连续a 声级d b ( a ) ； r 连续取样的总时间m i n ； ( f ) 时刻f 时的瞬时a 声级d b ( a ) 。 在实际测量中常采取等时间间隔取样，如每隔5 s 读一个数，因此上述公式常用离散取 和的形式 乞- - l o l g ( 专l o o i l i ) ( 2 1 1 ) f = l 式中，厶第f 次读取的a 声级招( 彳) ； 以取样总数。 ( 7 ) 职业健康与安全危害指标 职业健康与安全危害是影响工作场所内员工( 包括临时工、合同工) 、外来人员和其 它人员安全与健康的条件和因素，可以采用以下指标进行评价。 职工伤亡事故次数； 接触粉尘、毒物和噪声等职业危害的人数； 患有职业病的人数。 综合以上分析，建立切削加工工艺的制造过程资源环境属性的评价指标体系如图2 6 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 所示。 图2 4 切削加工制造过程资源环境属性评价指标体系 以制造过程中常用的切削加工工艺为例，对其资源环境属性做了详细的分析，确定了 切削加工工艺的资源环境属性评价指标：原材料消耗指标，辅助材料消耗指标，能耗指标， 气体废弃物指标，液体废弃物指标，固体废弃物指标，其它污染( 噪声、辐射等，这里只 考虑噪声) ，职业健康与安全危害等8 个一类指标，每个一类指标包含不同的二类指标。其 中一类指标属于工艺过程的共性指标，构成因子层i ，二类指标与具体的工艺类型有关， 构成因子层i i 。 2 2 2 评价指标的量化 建立了评价指标体系，要对各指标进行评价，还需要对各指标进行量化。但是要对各 评价指标进行完全量化是非常困难的，困难因素有： ( 1 ) 缺乏权威和实用的资源消耗与环境排放评价标准，没有一个统一参照尺度； ( 2 ) 很多指标的数据难以采集或者存在模糊性、不准确性，甚至本身就是一个定性的 指标，如操作安全性的评价。有些指标即使能够测量，但由于时间周期、成本等问题变得 不太现实，如切削液的排放浓度和毒性等。 因此，从效率和实用的角度，对某些难以量化的指标采用半定量的评价方法比较合适。 为了避免半定量评价方法脱离实际，而退化为一种完全定性的主观方法，需要采用一些方 法进行规范化，做到评价过程的有据可循【3 l 】。可以从以下两点进行考虑： 1 ) 在清单分析表中设有“影响状况描述”和“评分”两栏，而不是仅仅设有“评分 栏。“影响状况描述 详细记录现场事实描述或数据，取得第一手资料。评价人员由绿色 制造方面专家和现场工艺人员组成，数据采集过程是一种调查过程，强调由绿色制造专家 利用清单分析表协同工艺人员一起描述生产过程的资源消耗状况、环境排放和安全性问 题。 2 )由于资源消耗和环境影响程度具有模糊的性质，为了便于计算必须对其进行量化 处理，可采用1 0 分制f 3 2 】评分方法，并将之区分为不同的等级。 下面以切削工艺为例，来说明其评分规则的建立。 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 ( 1 ) 原材料消耗：定量分析，根据数据统计规律，获得工序原材料消耗参考平均值， 再用原材料实际消耗值与原材料消耗参考平均值比较，依据其差值的大小范围按1 0 分制 打分如表2 1 。 表2 1 原材料消耗评分表 012356891 0 评分值iiili4ill7iil ( 2 ) 辅助原材料消耗卜刀具一因子i i 采集方法：定量分析，根据数据统计规律， 获得工序刀具消耗参考平均值，再用刀具实际消耗值与刀具消耗参考平均值比较，依据其 差值的大小范围按1 0 分制打分，如表2 2 。 表2 2 刀具消耗评分表 012356891 0评分值 illii4lii7ill ( 3 ) 辅助原材料消耗2 一切削液因子i i 采集方法：没有使用：为了统一评分标 准，仍按l o 分制评分，如表2 3 。 表2 3 切削液消耗评分表 l 是否使用切削液 使用不使用 i 评分值 82 ( 3 ) 辅助原材料消耗3 工装因子i i 采集方法：采用定性分析，根据是否使用 打分；为了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 4 。 表2 4 工装消耗评分表 l 工装 使用复杂专用夹具使用简单专用夹具使用通用夹具不使用i i i 评分值 8 651 l ( 4 ) 能耗一因子i i 采集方法：根据数据统计规律，获得能耗参考平均值，再用能 耗实际值与能耗参考平均值比较，依据其差值的大小范围按1 0 分制打分，如表2 5 。 表2 5能耗评分表 01235689l o评分值 iiil4il 7 i ( 5 ) 气体废弃物- _ - 油雾一因子i i 采集方法：；采用定性分析，含硫化物粉尘；为了 统一评分标准，仍按l o 分制评分，如表2 6 。 表2 6 油雾排放评分表 i 油雾排放状况 排放且影响严重排放且影响一般排放且影响很小无油雾 l评分值 8631 l 注：油雾排放且影响严重一一指油雾非常浓烈，影响可见度，并有影响身体健康的硫 化物等物质：油雾排放且影响一般指油雾多，但不影响可见度，并有少许影响身体健 康的硫化物等物质；油雾排放且影响很小一一指油雾少，根本不影响可见度，无影响身体 健康的硫化物等物质产生。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 气体废弃物刺激性气味因子i i 采集方法：有一定刺激性；采用定性分析， 根据刺激性气味程度打分；为了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 7 表2 7 刺激性气味评分表 l 刺激性气味程度有且刺激严重有且刺激一般有且刺激微弱无刺激i 评分值 864 ( 7 ) 气体废弃物一粉尘因子i i 采集方法：采用定性分析，根据粉尘状况打分；为 了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 8 。 表2 8 粉尘状况评分表 i 粉尘状况粉尘严重粉尘较多粉尘较少无粉尘 l l 评分值86 4 l ( 8 ) 液体废弃物切削废液一因子采集方法：采用定性分析，根据是否存在切削废液 打分；为了统一评分标准，仍按l o 分制评分，如表2 9 。 表2 9 切削废液评分 i 有无切削废液状况有无 评分值 82 ( 9 ) 液体废弃物一切削液的毒性一因子采集方法：采用定性分析，根据切削液对 环境的影响状况打分；为了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 1 0 表2 1 0 切削液毒性评分表 切削液毒毒性毒性毒性尢毒小利无毒回收无切削 性状况较强一般较弱回收性好液 评分值 865421 ( 1 0 ) 液体废弃物漏油一因子i i 采集方法：采用定性分析，根据漏油状况打分；为 了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 1 l 。 表2 1 l 漏油状况评分表 i 漏油状况 较严重 一般较轻 无漏油 评分值8 64l ( 1 1 ) 固体废弃物一铁屑一因子i i 采集方法：定量分析，根据数据统计规律，获得工 序铁屑量参考平均值，再用工序铁屑量实际值与工序铁屑量参考平均值比较，依据其差值 的大小范围按1 0 分制打分，如表2 1 2 。 表2 1 2 铁屑量评分表 l 与参考平均值的差值( ) 卯51 01 52 02 53 03 54 04 5 5 0 l 评分值 0l23456789l o ( 1 2 ) 其它污染一噪声因子i i 采集方法式：定量分析，根据现场检测噪声数据进行 评分，按1 0 分制打分，如表2 1 2 。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 表2 1 2 噪声评分表 i 噪声值( d b ) 9 59 0 9 58 5 8 98 0 8 4 7 9 i 评分 9753l ( 1 3 ) 职业健康与安全危害一操作安全性因子采集方法：采用定性分析，根据 切屑形状与有无防护措施情况打分；为了统一评分标准，仍按1 0 分制评分，如表2 1 3 。 表2 1 3 操作安全性评分表 切屑种类与蹦脆切屑其他切屑蹦脆切屑其他切屑 有无防护措施无防护无防护有防护有防护 评分值 8642 根据上述评分规则，构建) ( ) 【零件第x 步工序资源环境属性清单分析表，如表2 1 4 所示。 表2 1 4x x 零件第x 步工序资源环境属性清单分析表 资源消耗与环境排放清单 零件图号 x x 工序号 x 因子层i因子层i i影响状况描述得分 原材料消耗4 5 钢量 0 2 7 3 k g 8 刀具4 把月 8 辅助原材料消耗切削液没有使用 2 工装通用夹具。5 能耗电能5 5 k w h 6 油雾含硫化物粉尘 8 气体废弃物刺激性气味有一定刺激性 l 粉尘较少 4 切削废液没有使用 2 液体废弃物切削液的毒性没有使用 l 漏油一般严重 6 固体废弃物铁屑量 0 2 3 4 k g 3 其它污染 噪声9 1 5d b 7 有较多铁屑产 职业健康与安全危害操作安全性 6 生，无防护措施 参与评价的指标、工艺过程、产品制造过程的优劣可通过其得分与绿色度参考值相比 较来判断，绿色度参考值见表2 1 5 。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 究。 表2 1 5 绿色度参考值表 分值9 ，l o7 ，85 ，63 ，41 ，2 描 述极端不利 相当不利 中度不利轻度不利轻微不利 本文所给出的评价指标量化规则在合理性和科学性上还有不足的地方，有待进一步研 2 3 评价方法选取 2 3 1 权重分配方法 由于各个评价指标在各自的评价指标体系中重要程度有所不同，因此，必须通过加权 予以修j 下。权重反映各指标的相对重要程度，指标越重要，其权重就越大：反之，则越小。 权重一般要进行归一化处理，使之介于0 与1 之间，各指标权数之和等于1 。确定指标权 重的方法非常之多，主要有专家调查法( d e l p h i ) 、层次分析法( a h p ) 、二项系数加权法、 环比评分法等。上文提到很多评价指标权重无法通过直接数值计算获得，因此，只能选择 d e l p h i 法或a h p 法。a h p 法和d e l p h i 法是两种比较有代表性的且应用较多、较成功的 确定权重的方法，这两类方法各有特点和优劣，适用于不同的场合。 ( 1 ) 层次分析法( a h p ) 层次分析法( a h p ) 3 3 】是在上世纪7 0 年代首创于美国，它是一种定性与定量相结合 的、系统化、层次化的分析方法。a h p 方法的主要设想是将复杂问题中的各种因素通过 划分相互联系的有序层次，使之条理化，根据某些判断准则就每一层次中元素的相对重要 性赋予定量化的度量，然后依据数学力一法推算出各个元素的相对重要性权重和排序，最 后对结果进行研究、分析与调整。 层次分析法可分为以下几个步骤进行【3 4 】： 建立描述系统功能或特征的内部独立的递阶层次结构。 两两比较结构要素，构造出所有的权重判断矩阵。 解权重矩阵，求出特征根和特征向量，并检验每个矩阵的一致性。若不满足一致 性条件，则要修改判断矩阵，直至满足为止。计算出指标的权重。 建立最底层的评价指标隶属函数，求出隶属度。 对评价对象进行综合评价。 ( 2 ) 专家调查法( d e l p h i 法) 【3 5 j 专家调查法也称德尔菲( d e l p h i ) 法，即以匿名的方式通过多轮征询专家意见，综合汇 总，在不断的反馈和修改中得到比较准确的结果的一种方法。这种方法权重评定比较准确， 但所需要的时