机械加工制造过程能耗优化方法研究

机械加工制造过程能耗优化方法研究

辛德玉1林智勇1谢仕洪2

1大庆油田有限责任公司第六采油厂机修大队加工车间；2大庆油田有限责任公司第五采油厂生产维修大队加工车间；

摘要：随着我国进入产业升级的历史转折点和工业集约化程度的提高，在我国越来越能体会到现代化工业为我们带来的便利。然而在享受便利的同时，我们也应当看到，现代化工业的发展对能源和资源的消耗的增长速度也在迅速增加。由于现在的能源来源依然是以化石能源为主的，具有不可再生性的传统能源，因此如何在工业生产过程中尽可能的节约能源的消耗，就成了一个非常值得关注的问题。具体到机械加工制造领域，学界对如何将单台机床所消耗的功率降低下来的研究较少，因此本文将着重对其进行讨论。

关键词：低碳制造；机床；多目标优化

引言：在我国工业由粗放型生产模式转化为集约型生产模式的过程中，节能减排越来越受到重视，如何在生产过程中更好的降低能耗、节约成本，受到了越来越多的工业部门的重视，尤其是作为耗能大户的制造业，对节约能源的需求更加的突出。本文将就机械生产中的节能问题，进行讨论。

一、机械加工过程中能耗现状

根据我国国家统计局的统计数据表明，我国的工业能耗占到全国能源总消耗的71%，其中制造业的能源消耗量达到了工业能耗总量的80%以上，因此我们可以看到，制造业已经成为我国国内的能源消费市场上消费最多的部门。这一现状为我国的能源消费领域和环境保护领域带来了巨大的压力。在制造业领域，机械加工工艺过程是一项使用十分广泛的重要的生产过程。而作为机械加工工艺的载体的机床，不管是单台还是多台，几乎所有和机械加工相关的工艺都要在机床上完成。因此对机床的设计能耗进行优化，使其可以以更低的功耗进行工作，就成了一个很有意义的研究方向。

二、降低加工过程中功耗的思路

在实际生产过程中，减少机床在生产过程中的能耗的思路主要又两条：一是根据原材料或者半成品的具体状况选择合适的机床对其进行加工，避免出现代加工材料与机床不匹配的情况发生；二是根据生产的需要，在对材料进行加工的间隙，将机床关机或者缩短其待机时间。

在现在的机械加工制造过程中，对其能耗优化的研究相对较少，这主要是由于在机械零件的设计过程中的技术设计过程中，只考虑是否在技术上可行，并不涉及对制造资源的考虑。然而在实际的生产过程中，机床设备不仅在将原材料或半成品加工为成品的过程会消耗能量，而且在设备开机启动或者等待加工的过程中也会消耗掉可观的能量。所以在加工过程中选择合适的机床对其进行加工，或者通过改进工序流程减少机床待机时间等方式可以降低制造业生产过程中的能量损耗。

优化流程面临的问题。在解决工艺流程中的能耗优化问题的过程时，主要需要解决以下三个问题：如何对生产过程中涉及到的机床进行量化分析，如何建立生产过程中的数学模型，如何在设计流程的过程中兼顾其他设计目标。

三、相关领域的研究现状

（一）辅助工艺规划系统

目前，行业内部许多设计部门开始使用计算机辅助工艺规划系统（CAPP）来辅助工艺流程的设计。使用了CAPP的企业或部门一般会根据自身的条件来选择合适自己的加工方式和合理的工艺流程。然而由于制造业涉及范围极为广泛，不同企业之间的差异十分明显，机床及其配件的信号过于庞杂，设备缺乏统一的制造源标准，所以对工艺规划提出了一定的挑战。目前国内外对制造资源建模进行了广泛而深入的研究，目前已经将研究对象由过去的适用面较窄地单一信息化应用系统，扩展为现在的支持产品全生命周期的，可以面对多对象的信息化应用系统。为了使系统在获取信息的时候更加的快捷便利，制造资源模型内容的完整性和统一性就显得十分必要。目前制造资源模型的研究方法，主要是基于数据分析为主，以数据库作为表达工具来构造模型。基于源模型的建模方法、基于本体的建模方法、面对对象的建模方法和基于STEP的建模方法为目前所采用的主要的研究方式。

（二）加工过程能耗研究

作为机床加工对象的工件，在加工过程中，通过与机床上刀具相互作用，也会消耗掉相当的能量。因此目前在建立机械加工工艺过程能耗模型时，主要从机床和工件两个方向入手对其进行设计。因此，从工件的角度来看，如何减少刀具与其作用时消耗的能量就成了研究的重点领域。从机床的角度来看，加工过程中能量的流动转化和机床零部件的运动方式是两个重点研究方向。

四、制造过程中的能耗优化研究的现状

目前，关于机械加工制造过程中的能耗优化，主要从两个方面入手：首先是从工艺优化方面入手。在生产过程启动之前，就将生产零件或者设备所需要工艺路线、工艺方法、工艺设备和机床、加工参数等项目提前进行合理的设计规划。在规划过程中对生产成本、能耗问题、环保问题等进行综合分析，最终设计出符合各方面要求的标准化生产流程。其次还要在生产调度的角度入手。对于成规模的大型生产企业而言，其制造加工生产能力基本恒定，单纯地优化生产工艺路线对于减少能耗而言，效果有限。生产调度可以更加合理地安排加工任务，通过调整工件在加工过程中的开始时间、加工顺序，在满足一定约束条件下对性能指标进行优化，这些都能起到一定的降低能耗的作用。

五、工艺规划与生产调度的集成

作为制造系统中的两个重要的子系统，工艺规划和生产调度在传统的生产模式中，由于其在设计过程中所需要考虑的设计原则和设计目标的侧重点差异很大，因此在传统的流程设计中这两个子系统是相互独立的。而当前的研究方向则是，将这两个子系统进行一定程度的集成，在工艺规划阶段，就将后续的生产过程中的资源调度问题加以考虑，这对于改善设计工艺的可行性、提高资源和能源的利用率有着重要的意义。

作为装有程序控制系统的自动化机床，数控机床具有高加工精度、加工质量稳定、加工精度高、适用于加工复杂零件等优点，因此其在现代化企业中得到了广泛的使用。因此通过优化数控机床的加工流程也可以在一定程度上降低能量的损耗，达到节能减排的作用。

结束语：

针对当前能耗优化的特点和不足，本文提出了从生产调度和工艺规划集成这一角度入手，对机械加工过程中的能量损耗问题进行研究。并对国内外相关领域的研究现状进行了一定程度的介绍。最后，提出了一些当前较为可行的研究思路和研究方法。

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