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面向绿色制造的工艺参数优化数学模型 来源:数控机床网　作者:数控车床　栏目:行业动态　 1 引言 资源利用与环境行为问题是当今世界倍受重视的研究课题，而制造系统(包括机械制造系统等)的资源利用与环境行为优化是其中的重 要组成部分。长期以来，人们对机械制造系统的研究较多集中于生产成本、生产率、产品质量等方面，而对合理利用资源及保护环境 关注甚少。近年来，随着人们对节约地球资源、改善环境质量、保护人类健康等问题的日益重视，机械制造系统已不再是仅用成本、 效率、质量等传统指标即可描述的了。基于以上考虑，本文通过对机械制造中的典型加工工艺进行优化分析，建立了以切削用量ap、 n、f(或Vf、af)和切削液为设计变量，以质量等为约束条件，以生产率、成本、资源消耗和环境污染为目标函数的面向绿色制造的工 艺参数优化数学模型，并给出了应用实例。  2 优化数学模型的建立 确定设计变量  在加工过程中，被加工工件的材料、加工要求、机床与刀具等一经确定，切削用量及切削液的选择就成为影响目标函数的关键，故将 切削用量和切削液作为设计变量，即切削用量n=x1，(f 或Vf、af)=x2，ap=x3，切削液为x4，则  X=[x1，x2，x3，x4]T=[n，(f或Vf，af)，ap，切削液]T 确定目标函数  为提高生产率，以单件工时tw最短为第一个目标函数f1(X)，即  f1(X)=mintw=min(tm+tct+tot) 式中：tm——该工序的切削时间(min)(计算公式见机械工业出版社1994出版的艾兴、肖诗纲所著《切削用量简明手册(第三版)》)  tct——换刀时间(min)(包括卸刀、装刀及对刀时间)  tot——除换刀外的其它辅助时间(min)  为提高经济性，以单件工序成本C 最低为第二个目标函数f2 (X)，即  f2(X)=minC=min(tmM+tctMtm/T+tmCt/T+totM) 式中：M——该工序单位时间内所分担的工厂开支(元/min)  Ct——在刀具耐用度期间与刀具有关的费用(包括磨刀费及刀具折旧费)(元)  T——刀具耐用度(min)  为合理利用资源，确定以下目标函数：  为减小切削加工所需功率，降低对电力资源的消耗，以切除单位体积金属Zw所消耗的功率Pi最小为第三个目标函数f3(X)，即  f3(X)=min(Pi/Zw)=min[(Pu+aPc)/ Zw] 式中：Pu——机床的空载功率(kW)(车床的Pu与n的关系见机械工业出版社1995出版的刘飞、徐宗俊等所著《机械加工系统能量特性及 其应用》)  a——功率平衡方程系数，a=1.15～1.25  Pc——加工过程中机床的切削功率(kW)(计算公式见机械工业出版社1994出版的艾兴、肖诗纲所著《切削用量简明手册(第三版)》)  Zw——单位时间内的金属切除量(mm3/min)  为减小切削加工中的刀具磨损，降低对刀具资源的消耗，以加工时间内刀具磨损速率WR 最小为第四个目标函数f4(X)，即  式中：WRA——刀具的机械磨损速率(计算公式见1995年11月的Journal of Materials Proce ing Technology上A A Munoz和P  Sheng所著《An analytical a roach for determining the environmental impact of machining proce es》)WRD ——刀具的热化学磨损速率(计算公式见文献同WRA)  减少切削液消耗 加工过程中所需切削液包括覆盖在切屑和工件上的切削液(m切屑、m工件)、汽化进入环境中的切削液(m汽化)及可 循环使用的切削液( m循环)，即切削液总量m=m切屑+m工件+m汽化+m循环，因m循环可循环使用，故减小式中前三部分之和(m切屑+m 工件+m汽化)(计算公式见文献同WRA)即可降低对切削液资源的消耗，故以(m切屑+m工件+m汽化)最小为第五个目标函数f5(X)，即  f5(X)=min(m切屑+m工件+m汽化) 为减少环境污染，保护工人健康，确定以下目标函数：  降低机床噪声 机床噪声主要为机械结构产生的噪声(尤其是齿轮、电机、轴承等产生的噪声)。噪声大小与其频率有关，故以噪声频 率最小为第六个目标函数f6(X)(相关计算见天津科学技术出版社1984出版的张策所著《机床噪声——原理及控制》)，即  f6(X)=min(nz/60+C) 式中：z——主轴齿轮齿数  C——固有频率  减少切削液污染 附着在工件及切屑上的切削液会污染