機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能降噪型綜合任務(wù)分配模型及其應(yīng)用

柳鐵非

（河源技師學(xué)院，河源 517000）

如何在機(jī)械制造過(guò)程中，節(jié)省資源消耗并減少環(huán)境影響，是目前社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外圍繞這一問(wèn)題制定了一系列機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，逐步規(guī)范了機(jī)械制造過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)行為。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很大比例，汽車、家電等行業(yè)均離不開機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)，而在相關(guān)設(shè)備制造過(guò)程中，能耗和噪聲污染就是機(jī)械制造系統(tǒng)對(duì)環(huán)境最為突出的影響表現(xiàn)。

1 機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能降噪工作的現(xiàn)實(shí)意義

加工系統(tǒng)是機(jī)械制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，主要完成設(shè)備加工任務(wù)。機(jī)械加工系統(tǒng)通常由機(jī)床、夾具、工具以及工件等部件組成，機(jī)床是機(jī)械加工系統(tǒng)的主要部件。根據(jù)機(jī)械加工系統(tǒng)中機(jī)床的數(shù)量，機(jī)械加工系統(tǒng)可分為單機(jī)機(jī)械加工系統(tǒng)和多機(jī)機(jī)械加工系統(tǒng)，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械加工系統(tǒng)可以是一臺(tái)機(jī)床、一個(gè)制造單元、一個(gè)車間或者一條生產(chǎn)線。

能量消耗和噪聲是伴隨機(jī)械加工的兩個(gè)基本物理現(xiàn)象，只要加工任務(wù)開始，就意味著大量的能源消耗，同時(shí)伴隨著產(chǎn)生噪音的出現(xiàn)，不僅影響工人的身心健康，而且會(huì)對(duì)工作人員的語(yǔ)言交流能力、生理功能產(chǎn)生影響。而在機(jī)械加工系統(tǒng)中，機(jī)床是能源消耗和噪聲污染產(chǎn)生的主要部件，所以想要降低機(jī)械加工系統(tǒng)的能源消耗和噪音污染，就必須優(yōu)化機(jī)床設(shè)計(jì)，或者直接購(gòu)買新機(jī)床，但會(huì)導(dǎo)致成本增加。

在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械加工系統(tǒng)能源消耗和噪聲污染不僅與機(jī)床有關(guān)，而且與機(jī)械加工技術(shù)也有關(guān)系。機(jī)械加工系統(tǒng)往往由多套機(jī)床組成，加工系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)包含多項(xiàng)工件，因此要想降低能源消耗和噪音污染，應(yīng)充分考慮機(jī)床與工件以及機(jī)床之間的連接，優(yōu)化機(jī)械加工工藝要求，實(shí)現(xiàn)降低機(jī)械加工系統(tǒng)的能耗和噪音污染的目的。

2 新時(shí)期機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能降噪的具體操作方法

綠色制造是以降低資源消耗和環(huán)境污染為主要目標(biāo)的現(xiàn)代制造模式，它是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)中的體現(xiàn)，也是世界工業(yè)化國(guó)家機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。機(jī)械加工系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程不僅有大量能源消耗，還會(huì)排放污染物，如本文提到的噪音污染，給工作人員職業(yè)健康及安全造成影響[2]。所以，如何降低制造過(guò)程中的能源消耗和環(huán)境污染是機(jī)械綠色制造的主要內(nèi)容。

2.1 確定數(shù)據(jù)

首先要確定好機(jī)床機(jī)械加工系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的具體參數(shù)，包括空載功率、建立機(jī)床的速度、空載噪音、旋轉(zhuǎn)速度等，并對(duì)上述的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。機(jī)械加工系統(tǒng)的加工過(guò)程是非常復(fù)雜的，通過(guò)上述參數(shù)確定，機(jī)械加工系統(tǒng)將原材料或半成品轉(zhuǎn)換成不同形狀、尺寸的成品，在這個(gè)過(guò)程中，不同參數(shù)會(huì)改變具體的工藝，使能源消耗以及噪聲排放量存在差異。因此通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)整，可以有效降低能源消耗與噪聲污染。

2.2 優(yōu)化加工工藝

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)的能源消耗和噪聲排放問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法方面提出了良好的解決方法。從優(yōu)化加工工藝角度來(lái)看，能夠通過(guò)較少的投資，取得較好的節(jié)能減排效果。企業(yè)可以根據(jù)各機(jī)床能耗特性和噪聲特性的差異，對(duì)具體生產(chǎn)過(guò)程設(shè)置不同加工工藝要求，并進(jìn)行合理的測(cè)試。通過(guò)對(duì)機(jī)床和工件之間的調(diào)度和安排，得出最優(yōu)組合方案，這樣就可以達(dá)到明顯的節(jié)能效果，對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)的降噪工作也會(huì)有所幫助。

2.3 建立合理的加工系統(tǒng)模型

要根據(jù)機(jī)械加工的過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，對(duì)工件加工速度和相應(yīng)的處理時(shí)間進(jìn)行分析，再根據(jù)機(jī)空載功耗矩陣和等效連續(xù)空載噪聲矩陣，詳細(xì)的計(jì)算工件的加工效率[3]。最后根據(jù)最優(yōu)調(diào)度方案，建立機(jī)械加工系統(tǒng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)節(jié)能、降噪調(diào)度方案。

3 機(jī)械加工系統(tǒng)節(jié)能降噪型綜合任務(wù)分配模型的應(yīng)用

3.1 綜合任務(wù)分配模型建立的思想

在機(jī)械加工系統(tǒng)資源屬性和環(huán)境屬性的基礎(chǔ)上，建立起面向綠色制造加工系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度總體模型。首先，要建立機(jī)械加工系統(tǒng)總體模型基本框架，該框架主要由綠色制造的資源環(huán)境屬性分析和調(diào)度模型分析兩部分組成；其次，對(duì)資源環(huán)境屬性進(jìn)行分析，建立起完整的調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境屬性優(yōu)化目標(biāo)。

另外，通過(guò)構(gòu)建機(jī)械加工系統(tǒng)理想模型和應(yīng)用模型，組建起多模型層次結(jié)構(gòu)框架，可以實(shí)現(xiàn)面向綠色制造的調(diào)度模型設(shè)計(jì)目標(biāo)[4]。其中，最常見的一種方法就是引入資源環(huán)境系數(shù)矩陣，將各種資源環(huán)境優(yōu)化目標(biāo)集成到調(diào)度模型中，然后建立相應(yīng)的應(yīng)用模型。

3.2 綜合任務(wù)分配模型的應(yīng)用——遺傳算法

遺傳算法是一種模擬達(dá)爾文進(jìn)化自然選擇和遺傳生物進(jìn)化過(guò)程的綜合型計(jì)算模型，通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程來(lái)搜索最優(yōu)解的方法。在機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題處理中，利用遺傳算法可以快速查找問(wèn)題可能存在的解集，而每一種解法均是由一個(gè)基因編碼組成（個(gè)體是具有一定數(shù)目的，但通常不唯一）。每個(gè)個(gè)體解集實(shí)際上都是一個(gè)實(shí)體，由于模擬機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題的基因編碼工作非常復(fù)雜，學(xué)者傾向于對(duì)整體編碼過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化。所以在機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配模型中，利用遺傳算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析求得的解，都是最優(yōu)解的近似解，也成為“近似最優(yōu)解”。由“近似最優(yōu)解”產(chǎn)生的新解決方案集解碼后，就可以用于機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配模型當(dāng)中。

例如利用遺傳算法，對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題中的加工時(shí)間、加工質(zhì)量、加工任務(wù)參數(shù)、加工成本、加工優(yōu)先級(jí)以及加工工藝參數(shù)進(jìn)行處理，最終得到不同的“基因”子集，而機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)床成本、噪音性能、機(jī)床空閑時(shí)間、機(jī)床質(zhì)量、輔助裝備、切削溶液耗量和能耗特征等是約束基因編碼重組的約束條件，兩者都是機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題中的各種問(wèn)題的組成。通過(guò)遺傳算法，程序計(jì)算出所有的可能情況，然后在這些可能情況中尋找最優(yōu)解。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械加工行業(yè)也取得了前所未有的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)全球化更是提升了機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展速度。目前，我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)加工精度和誤差控制都已經(jīng)能夠滿足各種行業(yè)的要求，但仍舊存在很多難題，需要相關(guān)人員投入大量時(shí)間精力進(jìn)行研究和探討，例如上述提到的能源節(jié)約以及噪音污染控制問(wèn)題。總之，本文對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)的能耗問(wèn)題和噪音問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)編程技術(shù)對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)綜合任務(wù)分配問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，希望可以為我國(guó)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色制造做出貢獻(xiàn)。