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摘要：制造业在将资源转变为产品或服务的过程中消耗了大量能量。机械加工作为制造业的主要生产过程，机床是机械加工制造过程的重要耗能制造资源。为应对全球气候变暖，提高制造业发展的可持续性，针对机械产品零件的机械加工制造过程能耗进行优化对于节约能源，实现低碳制造具有重要意义。本文从工艺规划与生产调度两方面出发研究机械加工制造过程能耗优化现状，为相关的研究工作提供了参考。
关键词：机械制造；能耗优化；生产工艺
现有的机械加工制造过程能耗优化研究主要从工艺规划和生产调度两方面开展进行：
（1）工艺规划方面
由于工艺规划一般在工件进入生产现场进行加工之前进行，工艺规划涉及的工艺路线、工艺方法、机床和工艺装备、切削液、加工参数等内容决定了机械加工工艺过程对环境的影响，所以从早期的绿色制造研究开始，人们便开始关注工艺过程的环境友好性，进行面向绿色制造的工艺规划研究。Munoz等提出了针对机械加工工藝过程环境影响进行评价的分析模型，对切削过程能耗、刀具磨损、切削液消耗、切削液的毒性等内容进行了定量分析，有利于进行面向绿色制造的工艺规划决策研究。Srinivasan等提出了面向环境意识制造的基于特征的工艺规划体系，它包括基于特征之间关系的宏规划和针对单个特征的微规划两个阶段，其中宏规划主要进行加工顺序的安排和加工特征的聚类分析，微规划主要针对单个特征进行加工能耗、加工时间、废物流、质量参数等内容的预测和设定Singh等提出了一种用于评估产品配置及其环境影响的环境意识工艺规划系统方法，能够在产品配置设计时通过选取环境绩效指标处理不同的产品特性及其环境影响。国内的重庆大学和武汉科技大学，在国家自然科学基金和国家863计划资助下，深入开展了面向绿色制造的工艺规划研究，研究内容包括：面向绿色制造的工艺方法选择模型研究，面向绿色制造的机床设备选择模型研究，面向绿色制造的刀具选择模型研究，面向绿色制造的切削液选择模型研究，面向绿色制造的工艺路线决策模型研究，面向绿色制造的工艺规划支持系统研究，以及工艺过程的资源环境特性分析与评价方法研究等。
由于低碳制造突出了从全生命周期对碳排放进行量化和减少的特点，所以从工艺规划方面进行机械加工制造过程能耗优化研究离不开机械加工工艺过程能耗建模研究的支持。Srinivasan等提出的两阶段工艺规划体系在从工艺规划方面进行机械加工制造过程能耗优化研究中也得到了广泛的认可，但是目前对宏规划阶段的研究极少，例如李聪波等为实现机械加工工艺路线的低碳优化决策，引入特征元和加工元概念表示机械零部件特征，建立以工艺路线最短总加工时间和最低总碳排放为优化目标的机械加工工艺路线多目标优化模型，并应用改进的NSGA-II算法对优化模型进行寻优求解。与宏规划阶段的研究相比，微规划的研究开展较多并主要集中在加工参数的优化方面。
（2）生产调度方面
对于制造企业，其机械加工制造资源和制造能力通常相对稳定。从工艺规划的角度考虑，为各机械加工工序选用节能的机床设备，优化机械加工工艺路线和工艺参数等方法固然能够直接减少机械加工工艺过程能耗，进而减少整个机械产品零件的机械加工制造过程能耗，然而效果有限。因为机械加工制造过程涉及很多制造资源，产生的能耗不只包含机床执行机械加工工艺时的能耗，也包括机床无加工任务待机时的能耗、运输设备在车间内进行工件流转运输过程中的能耗等内容。与依靠替换或升级改进硬件设备相比，从生产组织管理上开展能耗优化在操作上和成本上更加可行，目前研究主要集中在生产组织管理中的生产调度方面。
生产调度的目标是合理安排加工任务，包括将工件合理的安排到各加工设备和合理安排各加工设备上工件的加工顺序及开始时间，在约束条件满足的情况下优化一些性能指标。目前，从生产调度方面开展的机械加工制造过程能耗优化研究主要集中在单机调度、并行机调度以及流水车间调度这三类生产调度问题。
在单机调度问题研究方面：Mouzon等指出关闭空闲状态的非瓶颈机床设备可以节能，并针对单机调度问题制定了一些调度规则，构建了能够结合调度规则预测加工任务到来时间的神经网络，以及以减少能耗和总完工时间为目标的多目标数学规划模型，Mouzon在其后续研究中又提出了一种同时考虑能耗和总延迟时间的多目标能耗优化框架，Shrouf等针对单机生产调度问题提出了一种在能源价格持续变化情境下减少能耗成本的数学模型，可实现机床在用电高峰时段能耗的减少，进而节约成本和减轻用电高峰的能量需求压力。
在并行机调度问题研究方面：何彦建立了以能耗和完工时间为优化目标的节能型调度应用模型，并使用禁忌搜索算法实现了模型的求解，由于机床的CPU频率影响机床的加工速度，较高的机床加工速度尽管会缩短加工时间，但也可能产生更多的能耗，所以Fang等提出了以交货拖期惩罚和能耗为优化目标，以工件的机床指派、各机床的工件加工顺序和加工速度为优化变量的整数线性规划模型，并通过设计两种启发式算法和应用粒子群优化算法获得了模型的近似解。
在流水车间调度问题研究方面：Fang等针对流水车间调度问题提出了一个综合考虑完工时间、峰值功率负载以及碳足迹目标的数学规划模型；Bruzzone等提出了一个柔性流水车间环境下，改进商业的高级生产计划与排产系统生成的作业调度方案的方法，该方法基于混合整数规划模型，能够在分配给各机床的加工任务以及任务加工次序不变的情况下实现节能以及车间峰值功率的降低；Dai等针对柔性流水车间调度问题建立了一个旨在减少制造系统完工时间和能耗的能效模型，并采用改进的遗传模拟退火算法实现了模型的求解。杨海东等考虑串行生产线中机器功率、空闲时间等因素对生产能耗的影响，建立了以高效低碳为目标的置换流水车间低碳调度模型，并提出了采用启发式规则和差分进化操作的遗传算法对模型进行求解。赵燕伟等为解决具备加工装配一体化的流水车间节能调度问题，建立了以加工机器能耗最小为优化目标的加工装配式流水车间节能调度模型，并采用混合差分算法实现了模型的求解。
参考文献：
[1]狄瑞坤.机械制造工程[M].杭州：浙江大学出版社，2011.
[2]李凯岭.机械制造工艺学[M]北京：清华大学出版社，2014.
[3]刘飞.机械加工系统能量效率研究的内容体系及发展趋势[J].机械工程学报，2013，49（19）：87-94.
作者简介：凌青，身份证号：320902198501123037.
关键词：机械制造；能耗优化；生产工艺
现有的机械加工制造过程能耗优化研究主要从工艺规划和生产调度两方面开展进行：
（1）工艺规划方面
由于工艺规划一般在工件进入生产现场进行加工之前进行，工艺规划涉及的工艺路线、工艺方法、机床和工艺装备、切削液、加工参数等内容决定了机械加工工艺过程对环境的影响，所以从早期的绿色制造研究开始，人们便开始关注工艺过程的环境友好性，进行面向绿色制造的工艺规划研究。Munoz等提出了针对机械加工工藝过程环境影响进行评价的分析模型，对切削过程能耗、刀具磨损、切削液消耗、切削液的毒性等内容进行了定量分析，有利于进行面向绿色制造的工艺规划决策研究。Srinivasan等提出了面向环境意识制造的基于特征的工艺规划体系，它包括基于特征之间关系的宏规划和针对单个特征的微规划两个阶段，其中宏规划主要进行加工顺序的安排和加工特征的聚类分析，微规划主要针对单个特征进行加工能耗、加工时间、废物流、质量参数等内容的预测和设定Singh等提出了一种用于评估产品配置及其环境影响的环境意识工艺规划系统方法，能够在产品配置设计时通过选取环境绩效指标处理不同的产品特性及其环境影响。国内的重庆大学和武汉科技大学，在国家自然科学基金和国家863计划资助下，深入开展了面向绿色制造的工艺规划研究，研究内容包括：面向绿色制造的工艺方法选择模型研究，面向绿色制造的机床设备选择模型研究，面向绿色制造的刀具选择模型研究，面向绿色制造的切削液选择模型研究，面向绿色制造的工艺路线决策模型研究，面向绿色制造的工艺规划支持系统研究，以及工艺过程的资源环境特性分析与评价方法研究等。
由于低碳制造突出了从全生命周期对碳排放进行量化和减少的特点，所以从工艺规划方面进行机械加工制造过程能耗优化研究离不开机械加工工艺过程能耗建模研究的支持。Srinivasan等提出的两阶段工艺规划体系在从工艺规划方面进行机械加工制造过程能耗优化研究中也得到了广泛的认可，但是目前对宏规划阶段的研究极少，例如李聪波等为实现机械加工工艺路线的低碳优化决策，引入特征元和加工元概念表示机械零部件特征，建立以工艺路线最短总加工时间和最低总碳排放为优化目标的机械加工工艺路线多目标优化模型，并应用改进的NSGA-II算法对优化模型进行寻优求解。与宏规划阶段的研究相比，微规划的研究开展较多并主要集中在加工参数的优化方面。
（2）生产调度方面
对于制造企业，其机械加工制造资源和制造能力通常相对稳定。从工艺规划的角度考虑，为各机械加工工序选用节能的机床设备，优化机械加工工艺路线和工艺参数等方法固然能够直接减少机械加工工艺过程能耗，进而减少整个机械产品零件的机械加工制造过程能耗，然而效果有限。因为机械加工制造过程涉及很多制造资源，产生的能耗不只包含机床执行机械加工工艺时的能耗，也包括机床无加工任务待机时的能耗、运输设备在车间内进行工件流转运输过程中的能耗等内容。与依靠替换或升级改进硬件设备相比，从生产组织管理上开展能耗优化在操作上和成本上更加可行，目前研究主要集中在生产组织管理中的生产调度方面。
生产调度的目标是合理安排加工任务，包括将工件合理的安排到各加工设备和合理安排各加工设备上工件的加工顺序及开始时间，在约束条件满足的情况下优化一些性能指标。目前，从生产调度方面开展的机械加工制造过程能耗优化研究主要集中在单机调度、并行机调度以及流水车间调度这三类生产调度问题。
在单机调度问题研究方面：Mouzon等指出关闭空闲状态的非瓶颈机床设备可以节能，并针对单机调度问题制定了一些调度规则，构建了能够结合调度规则预测加工任务到来时间的神经网络，以及以减少能耗和总完工时间为目标的多目标数学规划模型，Mouzon在其后续研究中又提出了一种同时考虑能耗和总延迟时间的多目标能耗优化框架，Shrouf等针对单机生产调度问题提出了一种在能源价格持续变化情境下减少能耗成本的数学模型，可实现机床在用电高峰时段能耗的减少，进而节约成本和减轻用电高峰的能量需求压力。
在并行机调度问题研究方面：何彦建立了以能耗和完工时间为优化目标的节能型调度应用模型，并使用禁忌搜索算法实现了模型的求解，由于机床的CPU频率影响机床的加工速度，较高的机床加工速度尽管会缩短加工时间，但也可能产生更多的能耗，所以Fang等提出了以交货拖期惩罚和能耗为优化目标，以工件的机床指派、各机床的工件加工顺序和加工速度为优化变量的整数线性规划模型，并通过设计两种启发式算法和应用粒子群优化算法获得了模型的近似解。
在流水车间调度问题研究方面：Fang等针对流水车间调度问题提出了一个综合考虑完工时间、峰值功率负载以及碳足迹目标的数学规划模型；Bruzzone等提出了一个柔性流水车间环境下，改进商业的高级生产计划与排产系统生成的作业调度方案的方法，该方法基于混合整数规划模型，能够在分配给各机床的加工任务以及任务加工次序不变的情况下实现节能以及车间峰值功率的降低；Dai等针对柔性流水车间调度问题建立了一个旨在减少制造系统完工时间和能耗的能效模型，并采用改进的遗传模拟退火算法实现了模型的求解。杨海东等考虑串行生产线中机器功率、空闲时间等因素对生产能耗的影响，建立了以高效低碳为目标的置换流水车间低碳调度模型，并提出了采用启发式规则和差分进化操作的遗传算法对模型进行求解。赵燕伟等为解决具备加工装配一体化的流水车间节能调度问题，建立了以加工机器能耗最小为优化目标的加工装配式流水车间节能调度模型，并采用混合差分算法实现了模型的求解。
参考文献：
[1]狄瑞坤.机械制造工程[M].杭州：浙江大学出版社，2011.
[2]李凯岭.机械制造工艺学[M]北京：清华大学出版社，2014.
[3]刘飞.机械加工系统能量效率研究的内容体系及发展趋势[J].机械工程学报，2013，49（19）：87-94.
作者简介：凌青，身份证号：320902198501123037.