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面向绿色制造的工艺规划技术的国内外研究现状

2002/11/8    来源:投稿    特约撰稿人:曹华军      
关键字:绿色制造  
    一、国际上的研究现状

    面向绿色制造的工艺问题,即产品加工过程中的废物流及其影响问题是绿色制造中急需解决的关键技术之一,在国际上受到了研究机构、高校以及政府部门的高度重视。
    美国NSF/ARPA机床敏捷制造研究所(MTAMRI)该研究所曾于1995年设立了“环境意识机床系统”的重大研究课题,联合密执根技术大学(MTU)、加利福尼亚大学Berkeley分校(UCB)、内布拉斯加州立大学(UN)、伊利诺斯州立大学(UIUC)等著名高校开展该方面的研究,并制定了长期的研究目标和各阶段的短期目标。该课题将机床系统看成一个输入输出系统,系统的输入为切削速度、进给速度、切削深度以及其他可控参数;目标约束为成本、时间、利润、表面质量以及尺寸精度等;输出为磨损刀具、切削液、切削热和报废的机床等。并对与环境意识机床加工系统有关的切削液系统、切屑的形态学、运动学及动力学机理、切削热的生成和传递机理、机床寿命性能、刀具磨损、健康毒性评价以及非传统加工系统(如电化学加工)的废物流特性等进行了研究。“切削液评价软件原型(CFEST)”是其中的研究成果之一。用户通过Internet登陆本软件界面,在界面中输入有关参数,包括切削液的类型、应用方法、加工参数、现场因素等,确认后向CFEST提交。CFEST系统将以超文本和/或图形的方式向用户返回处理结果。输出结果包括切削液的工艺性能、环境影响、健康与安全毒性打分、采购和使用成本等的量化数据。CFEST是一个分布而又集成的软件原型。它包括MTU开发的工艺性能模块、UIUC开发的切削液处理影响模块、以及UCB的健康与安全毒性评价模块。由UIUC开发的数据传输机制负责通过Internet在处于不同地理位置的软件模块之间传输数据。该软件目前只对车削浸泡式和喷射式、镗削浸泡式、攻丝等四种加工方式的切削液进行评价。
    美国国家清洁工业和处理技术中心(CenCITT)该中心设立了环境意识制造的技术专题,长期支持环境意识制造方面课题的研究,其中有不少课题与本课题的研究内容相关,如J.W.Sutherland等人承担的项目“环境意识制造:离散产品加工过程中的废物流分析”。该课题目标是通过研究产品制造过程中的废物流特性,利用决策工具对工艺的废物流进行预测,并提出废物流更小的工艺方法。
    Berkeley加州大学绿色设计与制造联盟该联盟长期从事绿色制造方面的研究工作,在绿色工艺方面也做了不少的研究,主要包括建立了一种面向绿色制造的切削加工分析模型、提出了一种基于特征的绿色工艺规划方法和对切削液的健康毒性评价等进行了深入研究。
    国际上在面向绿色制造的工艺规划方面发表了不少的研究论文,下面对与本课题研究内容密切相关文献综述如下:
    文献[1](J.W.Sutherland等,1997)对环境意识加工中的切削热的生成、传递以及切削液雾的形成特点进行了研究。
    文献[2](Y.Yue,2000)建立了切削加工中切削液雾形成机理的综合模型,包括雾化、蒸发和液化机理。该模型有助于选择适当的切削液和优化加工参数,等从而减少切削液雾的形成,减少其对人体危害。
    文献[3](A.Bhargava.,2000)指出开发一种介于CADCAM之间基于特征的零件加工过程废物流预测软件是十分必要的,因为这样可以在产品设计完后马上对其制造过程的环境友好性进行评价,为产品的改进提供必要的信息。该论文介绍了适应于以上目的的基于VRML的特征描述和识别技术。
    文献[4](Munoz,A等.1995)提出了一种机械加工过程环境影响的一种分析模型,该模型综合考虑了机械加工过程的各个方面,包括加工机理、磨损特征和润滑液流等等。在本分析模型中可以量化的参数包括:能量利用、加工速度、原材料物流量和辅料物流量;通过对各种废液的毒性和易燃性的比较对加工过程的环境影响进行评价。环境影响的敏感度与加工参数如:切削深度切削速度、进给速度和工具的偏转角度相关。通过效用分析,可以对高速生产线和柔性加工中心的环境性进行评估。本模型能作为一个框架模型可以为环境意识制造提供决策支持服务,包括:加工零部件的设计、工艺规划和加工操作参数的选择等方面。
    文献[5,6](P.Sheng等,1995)提出了一种提出了一种基于特征的环境意识工艺规划方法。该方法将工艺规划分为两步进行:基于单个特征的微规划和基于特征之间关系的宏规划,两个阶段均需要考虑环境问题。首先从零件设计阶段获取零件的特征信息,然后进行微规划,确定单个零件特征加工参数,然后根据特征值之间地关系进行宏规划,两者之间不断迭代,最终生成“鲁棒”零件加工工艺
    文献[7,8](S.Thurwachter,D.JBauer等,1998)讨论了在表面精加工中将环境因素集成到工艺规划决策中的模型框架。文献[7]建立了磨削加工工艺中相应的集成模型,该模型可以用于评价不同工艺参数下能量利用、废物流的状况;文献[8]在文献[7]的基础上介绍了一种多指标毒性(MCH)评价方法。该方法既可用于化合物级(单废物流)又可用于工艺级(多废物流)的评价。评价指标包括致癌性/诱变性/生殖毒性、全身毒性、再生/发展毒性、敏感毒性、以及相关标准和规范。
    文献[9](P.Sheng,N.Krishnan,2000)本文提出了一种工艺规划Agent。该agent使得三座标数控加工机床能够自动进行环境影响最小化的工艺规划。采用基于Internet的CAD界面,工艺规划者(agent)通过使用ACIS格式、加工过程模型和多指标毒性评价工具进行特征级微规划和零件级宏规划。工艺规划者(agent)同时还可以作为环境顾问Agent为传统工艺规划系统(优化加工时间和质量)提供参考。
    文献[10](P.S.Sreejith,2000)对干切削加工技术进行了研究。
    文献[11](Z.Chen,2000)对切削液对车间环境的危害进行了研究。

    二、国内研究情况

    绿色制造自提出以来受到了国内各单位的高度重视,并展开了大量的研究。目前包括重庆大学、清华大学、合肥工业大学、机械科学研究院、上海交通大学、华中理工大学、同济大学等在内的许多单位都进行了这方面的研究。国家863和国家自然科学基金也支持了大量绿色制造方面的课题,有力的推动了该领域的研究工作。在近年来的研究工作中,已形成了一批专门从事绿色制造研究的科研队伍,发表了大量的研究论文,出版了多本绿色制造方面的专著,有关技术手册也收录了绿色设计与制造方面的技术。国家863现代集成制造系统网络CIMSNET已将绿色制造列为技术专题之一,跟踪报道绿色制造的研究动态。《中国机械工程》杂志曾于2000年第9期出版了绿色制造专辑论文。
    国内也对面向绿色制造的工艺问题进行了跟踪和初步的研究工作,并取得了一定的成果。
    重庆大学制造工程研究所 该研究所一直从事与面向绿色制造工艺方面直接相关的机械加工能量特性、制造系统物能资源节约等方面的研究,特别是1999年~2000年期间在国家863/CIMS于1999年资助下,在课题“绿色制造工艺规划方法及实用技术研究”中,我们对铸造、压力加工、焊接、切削加工、特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装等九个工艺大类中的若干典型工艺的资源环境特性进行了研究,并初步建立了绿色制造工艺数据库知识库的原型系统;还对面向绿色制造的工艺规划中的部分关键技术,如工艺种类选择、工艺参数优化、单工件多机床的节能调度等进行了初步的研究。近年来主要研究论文和成果有:
    文献[12](张华、刘飞,2000)在制造系统资源消耗状态的资源分类描述及产品物流的分析的基础上,建立了适应于制造系统产品物料资源消耗状况的一种分析模型,提出了制造系统中物料资源总体利用率及分类利用率的计算方法,并且用工程实例说明了上述方法的成功应用。
    文献[13](张华,李友如,刘飞,2000)指出绿色工艺规划是绿色制造的重要组成部分,绿色工艺规划问题实际上是一系列的决策问题。在绿色制造决策框架模型研究的基础上,从绿色工艺规划的目标体系模型、绿色工艺规划问题的决策变量描述出发,建立了绿色工艺规划的决策模型,并在一个生产实际的工艺规划问题中成功地进行了应用。
    文献[14](F.Liu,ZhuangChen,andZongjunXu,1994)对环境友好工艺——低温加工技术进行了研究.
    文献[15](刘飞,徐宗俊等)对机械加工系统能量特性进行了系统研究,并结合实际对研究结论进行了实际应用。该著作获得了机械工业出版社高水平著作出版基金资助,并获得了1998年国家机械工业科技进步三等奖。
    文献[16](徐莹,曹华军,刘飞,2001)针对机械加工中的典型制造工艺方法,从绿色制造的角度,建立了以生产率最高、成本最低、资源消耗与环境污染最小为目标函数的优化数学模型,该模型以切削用量和切削液为设计变量,以切削加工过程中各种约束条件为基础。本文在最后,用实例证明了此模型的可行性与有效性。
    文献[17](李刚,廖兰,曹华军,刘飞,2001)提出了面向绿色制造的工艺种类选择总体要求和应遵循的五项基本原则。建立起绿色工艺种类的评价指标体系和评价矩阵,再采用理想点法的模糊处理技术,对工艺种类的选择进行量化分析和计算,并以某一零件的毛坯成形工艺种类的选择为例进行了说明,其方法便于计算机处理,具有实用性。
    国内其他单位 国内其他单位也开展了一些与面向绿色制造工艺相关的研究工作,研究现状如下:
    文献[18](王静等,2000)分析了机械加工过程中废弃物的产生以及废弃物对人体和环境的危害,并由此提出降低废弃物危害的对策。
    文献[19](向东等,2000)在分析了产品制造工艺特性的基础上提出了绿色工艺评价的3条准则,并通过实例阐述了如何应用公理性设计对制造工艺中有关技术经济和环境协调性等方面的信息进行处理,并作出设计决策。
    文献[20](王西彬,2000)研究了绿色切削加工的机理及关键技术,包括高速干切削的特点,低温风冷却切削、绿色刀具的表面摩擦学设计和切削几何特性的设计技术等。
    文献[21](孙建国,2000)提出采用绿色制造系统的生命周期分析/评价工具来研究开发符合健康和环保要求的绿色切削液产品,并介绍了绿色切削液生命周期分析/评价的基本内容。

    三、总结

    从以上分析可以看出:国际上,特别是美国在这方面的研究已经比较深入,主要研究范围包括环境意识机床系统及其关键技术、废物流的评价、工艺规划方法以及低温加工、干切削等先进的绿色工艺技术等。部分研究结论已经被开发成软件原型系统。国内对面向绿色制造的工艺种类规划、工艺参数优化、工艺评价与决策以及干切削技术等进行了初步的研究。
    综观国内外的研究现状,面向绿色制造工艺规划方面的研究将呈以下发展趋势:
    面向绿色制造的工艺问题仍是一个比较新的研究领域,已有研究的虽然取得了一定的成果,但尚不成熟,有待更为深入和系统的研究;
    急需建立可供工艺规划人员参考和查询的面向绿色制造的工艺绿色特性数据库;
    急需对绿色制造中的工艺规划技术的进行系统分析,并建立相应的方法模型;
    急需开发可以支持面向绿色制造工艺规划的软件工具。
    实现面向绿色制造工艺规划方法和数据以软件Agent或插件的形式与现有CAD、CAM系统的集成;
    对非传统加工工艺系统的环境特性进行分析,如电化学加工系统等;
    研发先进的绿色切削加工工艺,如干切削加工技术、低温切削加工技术等。

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责任编辑:张宋
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