呂黎曙 鄧朝暉,2 劉 濤 萬林林,2

1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭，4112012.難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭，411201

0 引言

隨著社會的持續(xù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗和環(huán)境影響問題日益嚴(yán)重。據(jù)美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室中國能源研究室數(shù)據(jù)，制造業(yè)消耗的能源和產(chǎn)生的碳排放約占全中國總能耗和總碳排放的70%左右，其中，機(jī)械加工作為制造業(yè)中最主要、最重要的實(shí)現(xiàn)方式，消耗占比巨大[1-2]。

作為機(jī)械加工的關(guān)鍵工序，磨削加工的能量效率低、磨削溫度高，磨削液的使用和砂輪的定期修整也消耗大量的電能和資源，是高資源消耗、高耗能和高排放的加工方式[3]。因此，在清潔生產(chǎn)的新型模式下，構(gòu)建磨削的能量消耗、碳排放的定量計算模型，探究磨削工藝的節(jié)能減排優(yōu)化方法尤其值得關(guān)注，這也成為解決生產(chǎn)加工中日益嚴(yán)重的資源和環(huán)境問題的關(guān)鍵因素。

建立一個準(zhǔn)確的能耗與碳排放量化模型是開展節(jié)能減排的基礎(chǔ)，現(xiàn)有機(jī)床能量建模的研究重點(diǎn)是從基于材料去除率、加工參數(shù)擬合、機(jī)床整機(jī)或工藝單元[4-5]的能耗模型等方面展開，碳排放建模則多從靜態(tài)(通過整個生命周期評估來量化碳足跡)[6]和動態(tài)(生產(chǎn)加工系統(tǒng)碳排放換算)[7]的角度開展。

工藝參數(shù)和工藝路線直接影響整個工藝方案設(shè)計過程中生產(chǎn)資源的消耗以及環(huán)境的排放，國內(nèi)外學(xué)者針對工藝方案的多目標(biāo)優(yōu)化開展了深入的研究。RAMEZANIAN等[8]提出了以最大完工時間最小化和總能源消耗最小化作為環(huán)境可持續(xù)性衡量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化模型。ZHOU等[9]提出了一種考慮碳排放的銑削加工參數(shù)與刀具軌跡的集成優(yōu)化方法。李聰波等[10-11]構(gòu)建了面向高效節(jié)能的數(shù)控滾齒加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型以及面向高效低碳的機(jī)械加工工藝路線多目標(biāo)優(yōu)化模型。倪恒欣等[12]建立了面向最小加工能耗和最優(yōu)加工質(zhì)量的高速干切滾齒工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型。

上述模型及優(yōu)化方法多面向車削、銑削等加工方式，針對磨削加工的研究較少。同時，目前雖然已在工藝路線(工藝層面)和工藝參數(shù)優(yōu)化(工序?qū)用?方面開展了大量研究，但是都僅從單一層面來考慮節(jié)能減排問題，使得磨削過程的節(jié)能減排效果有限。

考慮目前磨削加工存在的資源與能量消耗問題及清潔生產(chǎn)模式的發(fā)展趨勢，本文對磨削工藝方案的多級多目標(biāo)優(yōu)化模型展開研究。首先從清潔生產(chǎn)“三流”(物料流、能量流、環(huán)境排放流)的角度建立面向清潔生產(chǎn)的磨削能耗與碳排放模型。其次從工藝和工序?qū)用娼⒘艘阅ハ髂芎?、磨削碳排放和磨削時間為目標(biāo)的多層多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出了基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)法組合賦權(quán)的改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。最后以某軸承套圈的磨削工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，依據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的節(jié)能減排策略。

1 面向清潔生產(chǎn)的磨削能耗與碳排放建模分析

1.1 磨削工藝問題分析

清潔生產(chǎn)是對生產(chǎn)過程與產(chǎn)品采取整體預(yù)防的環(huán)境策略，就磨削過程來說，應(yīng)該考慮整個磨削過程輸入輸出的資源環(huán)境消耗情況。磨削過程涉及的輸入包括材料(原材料、磨削液等輔助材料)和能源(電力、煤、天然氣等)，輸出包括能量資源(電能、熱能)和排放物(氣體、廢屑和廢液)。因此，綜合考慮磨削的輸入輸出，可從“三流”(物料流消耗M、能量流消耗E、環(huán)境排放流消耗W)的角度來進(jìn)行分析。磨削過程物料的消耗包括各類物料j(j=1,2,…,j0)，如原材料、磨削液、砂輪、夾具等；能量的消耗主要在于各類能源k(k=1,2,…,k0)，如電能消耗；環(huán)境排放包括各類污染物l(l=1,2,…,l0)，如廢液和廢屑等[13]，如圖1所示。

圖1 磨削過程“三流”分析Fig.1 “Three flows” analysis of grinding process

磨削時產(chǎn)生的能量消耗主要來自于電能的變化，因此能耗的建模從能量流的角度來展開。磨削過程中一般不直接產(chǎn)生碳排放，實(shí)際上是計算由于磨削系統(tǒng)運(yùn)行的材料、能源和其他排放而間接引起的碳排放，因此磨削過程碳排放的建模從物料、能量、環(huán)境排放三方面的輸入輸出角度來展開。

1.2 能耗模型

從數(shù)控磨床磨削狀態(tài)和能量流動情況來看，磨削過程能耗可以分解成兩大模塊，主要包括用于去除材料的能耗Eload和其他能耗Eothers(啟動階段能耗Estart、待機(jī)階段能耗Estandby、空載階段能耗Eno-load、關(guān)機(jī)階段能耗Eclose)，如圖2所示。

圖2 磨床磨削能量特性Fig.2 Energy characteristics of grinding machine

圖2中，關(guān)機(jī)階段能耗由于僅是能量的瞬時突變，一般不予考慮。磨削過程的總能耗

(1)

式中，Pstart、Pstandby、Pno-load、Pload分別為啟動階段、待機(jī)階段、空載階段及負(fù)載階段的功率；tstart、tstandby、tno-load、tload分別為對應(yīng)階段的時間。

1.2.1用于去除材料的能量消耗

負(fù)載階段所產(chǎn)生的能耗是磨削過程中最重要的能耗，主要指磨床磨削負(fù)載階段砂輪與工件材料接觸并去除材料所消耗的能量。

負(fù)載階段的能耗主要包括由材料去除部分的產(chǎn)生的磨削功率Pg以及附加載荷損耗功率Ploss所產(chǎn)生的能量消耗，可表示為

(2)

材料去除部分的磨削功率是機(jī)床輸出的有效功率，它與切向磨削力有關(guān)，包含磨削變形引起的切向力Ftc和摩擦引起的切向力Fts。附加載荷損耗功率一般較難計算與測量，通常認(rèn)為附加載荷損耗功率與用于材料去除的磨削功率近似成正比(約為0.1～0.2倍)關(guān)系[14]，計算公式為

(3)

式中，F(xiàn)gtc為單顆磨粒磨削變形引起的切向力；Fgts為單顆磨粒摩擦引起的切向力；vs為磨削線速度；Ns為磨削弧區(qū)的磨?？倲?shù)。

1.2.2其他能量消耗

其他能量消耗包含啟動階段能耗、待機(jī)階段能耗、空載階段能耗。

啟動狀態(tài)能耗是機(jī)床開啟后維持其自身穩(wěn)定運(yùn)行所消耗的能量，該值與磨床的基本啟動功率和基本啟動時間有關(guān)?；締庸β视蓴?shù)控系統(tǒng)功率PC、液壓系統(tǒng)功率Ph等組成。基本啟動時間tstart由磨床自身特點(diǎn)和數(shù)控程序決定。

待機(jī)狀態(tài)能耗是磨床啟動后，所有其他輔助系統(tǒng)開啟所消耗的能量，包括潤滑裝置系統(tǒng)能耗Elub、照明裝置系統(tǒng)能耗Elight、排屑裝置系統(tǒng)能耗Echip、換刀裝置系統(tǒng)Etool、冷卻裝置系統(tǒng)能耗Ecool等[15]。同時也包含啟動階段的數(shù)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)在此階段產(chǎn)生的能耗。待機(jī)狀態(tài)的能耗由每個單獨(dú)的組件組成，輔助設(shè)備通過引入開關(guān)函數(shù)來定義其工作狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時間tstandby同樣由選定磨床和數(shù)控程序來確定。

空載狀態(tài)能耗是機(jī)床輔助系統(tǒng)維穩(wěn)后，開啟砂輪轉(zhuǎn)動系統(tǒng)(主軸電機(jī))以及工件轉(zhuǎn)動系統(tǒng)(工件轉(zhuǎn)動電機(jī))運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所消耗的能量。轉(zhuǎn)動系統(tǒng)常用于主軸的旋轉(zhuǎn)和加工工作，進(jìn)給系統(tǒng)主要完成工件或砂輪的進(jìn)給運(yùn)動。轉(zhuǎn)動功率主要包含空載運(yùn)行克服自身摩擦力所做功的損耗功率Ps-f，以及與砂輪主軸轉(zhuǎn)速ns和工件主軸轉(zhuǎn)速nw有關(guān)的輸出功率Ps-o[16-17]。

基于上述分析，磨削過程中的其他能量消耗可以表示為

(4)

C=PC+Ph+Ps-f+Pf-f

式中，υ(k)為某個輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)；Pk為某個輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行功率；tk為某個輔助系統(tǒng)的運(yùn)行時間；Ps-s、Ps-w分別為砂輪主軸電機(jī)功率和工件轉(zhuǎn)動電機(jī)功率；Pf-f為克服摩擦力和重力的損耗功率；ω、ξ為相關(guān)系數(shù)；Lno-load為空載的行程長度；vw為工件進(jìn)給速度。

1.3 碳排放模型

磨削過程總的碳排放量Cg可以表示為

Cg=C(M,E,W)=Cm+Ce+Cw

(5)

式中,Cm、Ce、Cw為物料流、能量流、環(huán)境排放流所產(chǎn)生的碳排放；fm、fe、fw為對應(yīng)物料流、能量流、環(huán)境排放流所產(chǎn)生的碳排放因子，相關(guān)的碳排放因子可通過查閱文獻(xiàn)獲得[18-19]。

1.3.1物料流碳排放

物料流碳排放的計算公式如下：

(6)

1.3.2能量流碳排放

在磨削加工過程中，需要消耗大量電能。電能本身的使用過程并不產(chǎn)生排放，計算磨削過程消耗電能引起的碳排放實(shí)際上是這部分電能在其生產(chǎn)過程中(即發(fā)電過程)產(chǎn)生的碳排放。磨削過程由電能消耗引起的碳排放計算公式如下：

Ce=Egfe

(7)

1.3.3環(huán)境排放流碳排放

(8)

2 磨削工藝方案多層多目標(biāo)優(yōu)化模型與方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

磨削工藝方案優(yōu)化設(shè)計問題的核心就是針對各種零件特征結(jié)構(gòu)，選擇磨削方法、磨削工具實(shí)現(xiàn)零件的設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸并最終確定所有磨削工藝路線和工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計過程。傳統(tǒng)的磨削加工中多考慮磨削質(zhì)量和磨削效率，但是在清潔生產(chǎn)的前提下磨削過程產(chǎn)生消耗的能耗、碳排放也不容忽視，所以磨削工藝方案的確定過程是一個多目標(biāo)的優(yōu)化問題。

本文以磨削能耗、磨削碳排放以及磨削效率作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，研究工藝層(磨削方法、磨床、砂輪等磨削元素)及工序?qū)?磨削工藝參數(shù))合理選擇的組合優(yōu)化問題，即廣義通用數(shù)學(xué)模型下能耗、碳排放和磨削時間同時優(yōu)化方法，面向低耗低碳高效制造的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以表示為

minf(x)=y(Etotal,Ctotal,Ttotal)

(9)

2.1.1低耗目標(biāo)函數(shù)

整個磨削工藝路線的能耗應(yīng)考慮每道磨削工序i(i=1, 2, …,i0)所產(chǎn)生的能耗，表示為

(10)

2.1.2低碳目標(biāo)函數(shù)

整個磨削工藝產(chǎn)生的碳排放與能耗類似，可以表示為

(11)

2.1.3高效目標(biāo)函數(shù)

磨削工藝路線的高效體現(xiàn)在磨削工藝過程的時間最短，總的磨削時間Ttotal包括零件磨削時間Tppt(part processing time)、磨床更換時間Tmrt(machine replacement time)和砂輪更換時間Ttrt(tool replacement time)，考慮到砂輪和夾具在固定零件的磨削過程中是不變的，因此其更換時間在此處不做考慮，則總的磨削時間

Ttotal=Tppt+Tmrt+Ttrt

(12)

(1)零件磨削時間。零件磨削時間包括了輔助時間tf和磨削時間tg，則

(13)

其中，磨削時間tg由磨削加工時間tg,IR和輔助時間tf,IR決定。即

(14)

式中,vr為砂輪進(jìn)給速度；L為工作臺行程長度；Z為磨削余量。

(2)磨床更換時間。在磨削過程中，如果相鄰兩工序需要采用不同磨床進(jìn)行磨削，則需要進(jìn)行磨床更換，零件從前一道工序磨床上拆下，然后裝夾到下一道工序加工的磨床上。磨削工藝路線中磨床更換時間可以通過每道工序磨床更換時間之和求得：

(15)

(16)

式中，tmrt為磨床更換時間；M′i為磨削加工工序i所用的機(jī)床編號，如果相鄰兩道工序i和i+1在同一臺機(jī)床上加工，則(Mi+1-Mi)=0，否則為1。

(3)砂輪更換時間。砂輪更換時間是指機(jī)床使用不同的砂輪時更換所需時間，即

(17)

(18)

式中，ttrt為磨床砂輪更換時間；T′i為磨削工序i所用的砂輪編號，如果相鄰兩道工序i和i+1在同一臺磨床上磨削，則(T′i+1-T′i)=0，否則為1。

綜上所述，磨削工藝路線的總磨削時間可以表示為

(19)

2.2 約束條件

2.2.1工藝層

軸承零件的磨削加工過程根據(jù)其強(qiáng)制性的不同可分為合理性約束和最優(yōu)約束。工藝路線優(yōu)化的最優(yōu)解必須滿足合理性約束，并盡可能滿足最優(yōu)約束。

合理性約束包括：①由粗到精，即先粗加工，后半精加工，最后精加工；②先主后次，即先主加工面，后副加工面；③基準(zhǔn)面優(yōu)于其他面加工，當(dāng)兩個加工特征之間存在幾何公差關(guān)系時，首先加工包括基準(zhǔn)在內(nèi)的加工特征;④非破壞性約束。即保證后續(xù)工序不破壞前一工序過程中產(chǎn)生的特征;⑤此外，一般性約束也應(yīng)該滿足非破壞性的原則約束關(guān)系(前面的工藝不能被后續(xù)工藝影響)，和工藝特征本身的需求(如某些零件粗磨后要進(jìn)行熱處理)。最優(yōu)約束通?？紤]為優(yōu)化目標(biāo)所產(chǎn)生的約束，包括高效、低成本、高精度等，還包括提高更換機(jī)器、工具和設(shè)備的處理效率和經(jīng)濟(jì)性等原則。

約束過程的數(shù)學(xué)模型如下：

(20)

式中，RCi(x)、OCi(x)分別為合理性約束和優(yōu)化性約束；Ω為該零件磨削元素中所有的解，存在i0!種磨削工藝路線，由于約束的存在，實(shí)際可行的磨削工藝路線方案應(yīng)遠(yuǎn)小于i0!。

2.2.2工序?qū)?/p>

因?yàn)闇系滥ゴ才c所需磨削套圈具有差異性，所以優(yōu)化變量的取值范圍主要依照磨床的限制條件以及生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)來取值。表面粗糙度和圓度作為套圈磨削質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，直接影響整個軸承的服役性能和使用壽命，磨削工藝參數(shù)以及砂輪的修整、進(jìn)給深度等都會對其造成影響[20]，根據(jù)企業(yè)需求，溝道粗磨磨削表面粗糙度和橢圓度應(yīng)控制在0.06 μm以內(nèi)。同時在磨床實(shí)際加工生產(chǎn)過程中，磨床功率不能大于磨床主軸電機(jī)的額定功率，砂輪不能超過其使用壽命。綜合上述分析，總的約束模型可以表示為

(21)

式中，R、xr為通過實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，0.15

2.3 基于改進(jìn)遺傳算法的多層多目標(biāo)優(yōu)化

遺傳算法(GA)是一種解決隨機(jī)搜索問題的通用算法，本文采用多目標(biāo)遺傳算法求解磨削加工的優(yōu)化問題。為了確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，本文提出采用AHP法和CRITIC法分別計算主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的組合賦權(quán)法，對優(yōu)化目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行重新分配，以提高優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。基于改進(jìn)遺傳算法工藝參數(shù)優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)遺傳算法工藝方案優(yōu)化流程圖Fig.3 Flow chart of improved genetic algorithm processplan optimization

2.3.1適應(yīng)度函數(shù)的確定

為保證優(yōu)化目標(biāo)的合理性，本文采用AHP法構(gòu)造決策矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，并確定主觀權(quán)重γj。對原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并使用CRITIC法來確定客觀權(quán)重θj：

(22)

式中，sj為對比強(qiáng)度；cj為沖突性;m為實(shí)驗(yàn)組數(shù)；rij為指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。

利用變異系數(shù)βd計算主觀和客觀組合權(quán)重：

wj=βdθj+(1-βd)γj

(23)

式中，GAHP為基于AHP各指標(biāo)權(quán)重的系數(shù)。

采用權(quán)系數(shù)變換法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，然后進(jìn)行線性加權(quán)計算。針對高效低耗低碳模型的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)相應(yīng)子目標(biāo)的重要性確定權(quán)重，將三個子目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度函數(shù)表示為

(24)

2.3.2編碼

基于加工特征進(jìn)行編碼，每個染色體代表該零件的一條完整的磨削工藝路線，它包括了該加工零件的所有磨削特征，包括磨削順序、磨削機(jī)床、磨削砂輪等。一條染色體如圖4所示，包括加工工序代碼子串Si、加工機(jī)床代碼子串M′i和磨削砂輪代碼子串T′i。

圖4 編碼方式Fig.4 Encoding

子串中每一個基因X表示零件磨削特征X的一個加工工序，同時在Si中，排在前面的工序?qū)⑾扔谂旁诤竺娴墓ば蜻M(jìn)行磨削。基因X的數(shù)量表示磨削特征X所需要的磨削工序。M′i和T′i都是根據(jù)磨床磨削序號進(jìn)行編碼的，且其基因與Si中的基因一一對應(yīng)。

2.3.3遺傳算法的基本操作

本文對磨削機(jī)床設(shè)置了相應(yīng)的編碼，采用MATLAB函數(shù)(PemCom等)實(shí)現(xiàn)替換，以滿足磨削的順序約束(粗到精、主到次等)。選擇基于個體的適應(yīng)度值，選擇當(dāng)前種群中磨削時間、能耗以及碳排放較好的個體進(jìn)行遺傳操作。本文的交叉操作包括磨削工序、磨床和砂輪的交叉操作，通過交叉操作實(shí)現(xiàn)父代個體替換和重組并產(chǎn)生新個體。

為了適應(yīng)上述基于工序特征的編碼方法，本文采用改進(jìn)的分塊交叉方法。主要步驟如下：首先，按工序順序?qū)⑷旧w分為塊交叉點(diǎn)，除母染色體交點(diǎn)以外的基因被復(fù)制到子代染色體的相同位置;然后，檢查交叉點(diǎn)外的基因，如果存在沖突，則通過映射替換來刪除親代染色體加工過程中相同的基因，保留剩余的基因序列，并將其復(fù)制到未交叉的位置，反之則保留。該交叉方案避免了在匹配區(qū)域內(nèi)根據(jù)映射關(guān)系產(chǎn)生非法個體和交換，使工序序列(磨削步驟)排序在理論上成為可能。

通過突變操作，在單個染色體長度內(nèi)交換更多的隨機(jī)正整數(shù)基因點(diǎn)，在一定的突變概率下交換點(diǎn)形成新的后代，判斷新生成后代是否滿足約束條件，滿足則進(jìn)入生成種群中進(jìn)行替換。

2.3.4適應(yīng)度函數(shù)及算法編程

適應(yīng)度函數(shù)是表示染色體質(zhì)量的關(guān)鍵，它的取值是選擇和交叉的基礎(chǔ)，直接影響收斂性能和優(yōu)化結(jié)果的精度。對套圈磨削工藝方案的總磨削時間、能耗和碳排放進(jìn)行優(yōu)化，選取上述組合賦權(quán)后的適應(yīng)度函數(shù)作為優(yōu)化函數(shù)，計算每個個體染色體的能耗、碳排放和總磨削加工時間，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化。

利用MATLAB軟件編寫遺傳算法程序隨機(jī)生成種群，設(shè)定遺傳算法參數(shù)后，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)定義適應(yīng)度函數(shù)。然后通過遺傳算子產(chǎn)生新的個體。對符合要求的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行交叉、選擇、變異后輸出(由于遺傳算法是一種隨機(jī)求解近似解的方法，所以在MATLAB環(huán)境下，每次計算的結(jié)果會略有不同)。

3 案例分析

為了驗(yàn)證上述磨削加工工藝路線優(yōu)化模型的有效性，以H7007C軸承內(nèi)套圈的磨削加工過程為例開展研究。該軸承套圈的傳統(tǒng)加工工序包含毛坯成形、車削、軟磨精整、熱處理及磨削等，本文主要針對軸承內(nèi)圈磨削工藝開展研究，其加工特征如圖5所示，具體的加工特征描述見表1。

圖5 軸承內(nèi)圈加工特征示意圖Fig.5 Part drawing of machining characteristics ofbearing inner ring

表1 軸承內(nèi)圈特征的磨削方案

同時選用3MK1310B全自動球軸承內(nèi)圈溝道磨床作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備開展內(nèi)圈溝道磨削實(shí)驗(yàn)研究，砂輪采用鉻剛玉砂輪，實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備為數(shù)字功率計YOKOGAWA-WT330和Mahr M300表面粗糙度儀，選取的磨削工藝參數(shù)為砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，以內(nèi)圈溝道精磨過程不同工藝參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為研究對象(表2)，其中磨削余量為0.05 mm，工作臺行程長度及工作臺進(jìn)給速度分別為0.2 m及1200 mm/min。

表2 溝道磨削實(shí)驗(yàn)各因素水平表

3.1 零件磨削特征分析

該軸承內(nèi)套圈主要包括上端面、下端面、內(nèi)徑、外徑、內(nèi)溝道等關(guān)鍵磨削特征,其主要特征和磨削方案如表1所示。加工該軸承內(nèi)圈所用到的主要磨床如表3所示，車間有平面磨床(M01、M02)、多功能內(nèi)圓磨床(M03～M05)、外圓磨床(M06～M09)等。磨床的加工功率和裝卸時間由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計獲得(不同砂輪情況下所產(chǎn)生的磨削功率變化較小，為簡化計算，此處不再考慮)。

砂輪的更換時間均為1～5 min，由于同種類型砂輪更換時間差異較小，此處不再考慮。砂輪相關(guān)參數(shù)如表4所示。根據(jù)以上可選用的設(shè)備和砂輪，采用企業(yè)常用的磨削工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)字功率計進(jìn)行功率的實(shí)時監(jiān)測。通過建立的能耗和碳排放模型計算出該過程的能耗與碳排放。通過選用的磨床和砂輪對該套圈的每一個磨削加工工藝特征進(jìn)行計算與統(tǒng)計，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。不同參數(shù)組合下的溝道磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表3 磨床列表

表4 砂輪列表

3.2 基于改進(jìn)遺傳算法的磨削方案優(yōu)化

(1)權(quán)重確定。對多目標(biāo)的權(quán)重劃分體現(xiàn)了該目標(biāo)在優(yōu)化過程中的重要程度?；贏HP法確定主觀權(quán)重，構(gòu)建判斷矩陣，在本次優(yōu)化過程中，考慮到三者(能耗、碳排放、磨削時間)的重要程度相當(dāng)，由此得到主觀權(quán)重值為(0.3333,0.3333,0.3333);由表6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建矩陣并進(jìn)行歸一化，通過式(22)，利用CRITIC法計算客觀權(quán)重值，其中，計算出對比強(qiáng)度為(0.114,0.0607,0.1300)，沖突性為(0.0444,0.0441,0.0884)，因此綜合客觀權(quán)重為(0.2588,0.1400,0.6012)；由此，根據(jù)式(23)，整個磨削各優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重為(0.2961,0.2367,0.4673)。

(2)算法尋優(yōu)。遺傳算法的基本參數(shù)設(shè)置如下：初始種群大小為500，遺傳代數(shù)為200，交叉概率為0.9，變異概率為0.1。使用MATLAB基于改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，得出了最優(yōu)的磨削加工工藝路線。高效低耗低碳工藝路線的算法收斂圖見圖6。

表5 加工特征、加工順序與加工資源工藝鏈表

(3)優(yōu)化結(jié)果。通過遺傳算法優(yōu)化后生成的最優(yōu)磨削工藝路線表現(xiàn)形式如圖7所示。將上述最優(yōu)表現(xiàn)形式編譯成工藝路線，如表7所示。

表6 內(nèi)圈溝道磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 多目標(biāo)收斂圖Fig.6 Convergence diagram of multi-objectives

圖7 最優(yōu)工藝路線表現(xiàn)形式圖Fig.7 Representation diagram of optimal process route

表7 最優(yōu)工藝路線

在工序?qū)用?，滿足磨削質(zhì)量、工藝參數(shù)及機(jī)床限制等約束條件下，算法尋找出的最優(yōu)工藝參數(shù)如下：砂輪線速度87.26 m/s，工件轉(zhuǎn)速150 r/min以及進(jìn)給速度0.2 mm/min(由于遺傳算法的隨機(jī)性，所求出的最優(yōu)磨削工藝參數(shù)為近似解，每次在MATLAB環(huán)境下的計算的結(jié)果會略有差異，此處取多次結(jié)果后的最優(yōu)解)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1工藝層

將調(diào)研的企業(yè)常用磨削加工工藝方案(01M02T02→03M02T02→07M07T07→05M04T04→09M09T09→02M02T02→04M02T02→08M07T07→06M05T06→10M09T10→11M10T11)和優(yōu)化后的磨削加工工藝方案進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表8所示。

表8 不同磨削加工工藝方案對比

對比優(yōu)化前后，當(dāng)以高效低耗低碳為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時，采取了相對集中的磨床和砂輪，減少了磨床的更換次數(shù)，以此來提高效率，但并不是一味地合并磨床，因?yàn)樘兹υ诖帜ズ髸休^大變形，如果同時或連續(xù)進(jìn)行粗磨、精磨則變形就無法消除，因此結(jié)果顯示在算法尋優(yōu)時僅僅是合并了端面磨床。從優(yōu)化結(jié)果中可以看出，外徑磨削時采用了外圓磨床進(jìn)行加工以節(jié)能降耗，由于此處研究對象為單個軸承套圈，而實(shí)際磨削過程中外徑磨削是批量加工，以保證產(chǎn)品的一致性，因此更多的是選用無心磨床。

優(yōu)化后結(jié)果相比傳統(tǒng)磨削工藝路線有了小幅度的優(yōu)化，是因?yàn)楸旧砥髽I(yè)在進(jìn)行工藝路線選擇時，就已經(jīng)依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行過一定程度上的調(diào)整，但相較于傳統(tǒng)的工藝路線，優(yōu)化后的結(jié)果仍節(jié)約了6.48%的加工時間，降低了42.81%的能耗，減少了8.26%的碳排放。在進(jìn)行套圈的批量生產(chǎn)時，使用該方法的節(jié)能減排效果還是非?？捎^的。

3.3.2工序?qū)?/p>

將改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化后的磨削工藝參數(shù)與普通的實(shí)驗(yàn)參數(shù)(表6中第1組)，調(diào)研得到企業(yè)常用磨削參數(shù)(表6中第9組)及優(yōu)選出的實(shí)驗(yàn)最佳參數(shù)(表6中第8組)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表9所示。

表9 優(yōu)化結(jié)果對比

從表9中可得，無論是普通參數(shù)、企業(yè)常用參數(shù)還是優(yōu)選參數(shù)，經(jīng)改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化后的結(jié)果都在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對優(yōu)化目標(biāo)的提升(第3組和第4組雖然結(jié)果較好，但是其磨削質(zhì)量不滿足約束條件，因此在對比中被剔除)。尤其對比企業(yè)常用的磨削工藝參數(shù)，優(yōu)化后的能耗降低18.84%，碳排放減少8.69%，磨削時間縮短25%，證明了本文提出的優(yōu)化方法的可行性和實(shí)用性。

4 節(jié)能減排策略研究

通過上述理論模型、優(yōu)化模型可以追溯磨削加工的能量、碳排放的流動變化，因此結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出如下節(jié)能減排策略。

(1)磨床能量源的合理選擇。在實(shí)際的磨削過程中，負(fù)載功率所占比例不高，實(shí)際磨削能效較低，因此，采用高效率的能量源來替代高耗能的能量源，從而降低磨床本身的能源消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。如通過改進(jìn)磨床變速結(jié)構(gòu)以縮短變速時間，減少機(jī)床自身能耗或多使用數(shù)控磨床替代普通磨床。

(2)輔助設(shè)備自動啟停策略設(shè)定。通過安裝輔助設(shè)備的自動啟動裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高磨床的自動化程度，從而提高磨床的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的，或者當(dāng)磨床處于空載運(yùn)行狀態(tài)時，停止冷卻、照明裝置等系統(tǒng)運(yùn)行，減少磨床磨削能耗。

(3)優(yōu)化的磨削工藝配置。企業(yè)在磨削過程中普遍存在能源利用率低、能源利用率不足的問題。通過磨削工藝方案的合理配置和磨床、砂輪等的有效調(diào)度，采取有效的解決方案，優(yōu)化磨削過程中能源和資源的管理和控制，降低能源消耗，提高碳效率和綠色程度。

(4)磨削工藝方案的合理選擇。磨削能耗隨材料去除率的增加而降低，在保證加工質(zhì)量的前提下，采用較大的工藝參數(shù)可以有效縮短加工時間，降低總能耗和碳排放，同時增加單位時間的金屬去除量。干磨條件下砂輪磨損、工件散熱不良和磨床總能耗較大，這些因素對單位磨削能耗和能效影響顯著。考慮到磨床的待機(jī)和空載狀態(tài)能耗高，在設(shè)計機(jī)床時應(yīng)盡量減少磨床的待機(jī)和空載能耗，減少磨床的待機(jī)和空載時間。

(5)資源環(huán)境信息整合。在共享信息的支持下建立基礎(chǔ)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫和知識庫，利用通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色制造信息的共享和利用，可以有效控制磨削過程的能量消耗和碳排放。

5 結(jié)論

(1)本文從清潔生產(chǎn)“三流”的角度建立了面向清潔生產(chǎn)的磨削能耗與碳排放模型。從工藝和工序?qū)用娼⒘艘阅ハ髂芎?、磨削碳排放和磨削時間為目標(biāo)的多層多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出了基于AHP和CRITIC組合賦權(quán)的改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

(2)以某軸承套圈的磨削工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的工藝路線節(jié)約了6.48%的加工時間、降低了42.81%的能耗，減少了8.26%的碳排放，優(yōu)化后工藝參數(shù)縮短了25%的磨削時間，降低了18.84%的能耗，減少8.69%的碳排放，證明了優(yōu)化模型和方法的有效性。

(3)根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)分析，提出了磨床能量源的合理選擇、輔助設(shè)備自動啟停策略設(shè)定、優(yōu)化的磨削工藝配置、磨削工藝方案的合理選擇及資源環(huán)境信息整合等節(jié)能減排措施。

本文所考慮的磨削工藝方案優(yōu)化，針對的是已采集的靜態(tài)歷史數(shù)據(jù)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，如何通過實(shí)時數(shù)據(jù)來進(jìn)行加工過程的能耗實(shí)時感知與預(yù)測優(yōu)化是未來的研究重點(diǎn)。