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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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)的磨粒總數(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(shí)間有關(guān)。基本啟動功率由數(shù)控系統(tǒng)功率PC、液壓系統(tǒng)功率Ph等組成?；締訒r(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)間同時(shí)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(shí)間最短，總的磨削時(shí)間Ttotal包括零件磨削時(shí)間Tppt(part processing time)、磨床更換時(shí)間Tmrt(machine replacement time)和砂輪更換時(shí)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(shí)間在此處不做考慮，則總的磨削時(shí)間

Ttotal=Tppt+Tmrt+Ttrt

(12)

(1)零件磨削時(shí)間。零件磨削時(shí)間包括了輔助時(shí)間tf和磨削時(shí)間tg，則

(13)

其中，磨削時(shí)間tg由磨削加工時(shí)間tg,IR和輔助時(shí)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(shí)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(shí)間可以通過每道工序磨床更換時(shí)間之和求得：

(15)

(16)

式中，tmrt為磨床更換時(shí)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(shí)間。砂輪更換時(shí)間是指機(jī)床使用不同的砂輪時(shí)更換所需時(shí)間，即

(17)

(18)

式中，ttrt為磨床砂輪更換時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)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?；诟倪M(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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算每個個體染色體的能耗、碳排放和總磨削加工時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)間由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(jì)算，此處不再考慮)。

砂輪的更換時(shí)間均為1～5 min，由于同種類型砂輪更換時(shí)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(jì)進(jìn)行功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過建立的能耗和碳排放模型計(jì)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(jì)算與統(tǒng)計(jì)，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(shí)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(jì)算客觀權(quán)重值，其中，計(jì)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)用妫瑵M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(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)間，降低總能耗和碳排放，同時(shí)增加單位時(shí)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?？紤]到磨床的待機(jī)和空載狀態(tài)能耗高，在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)數(shù)據(jù)來進(jìn)行加工過程的能耗實(shí)時(shí)感知與預(yù)測優(yōu)化是未來的研究重點(diǎn)。