文章

绿色集成制造系统中的CAPP浅析

2007-08-08林锋 邵新宇 喻道远 李培根

918阅
本文对绿色集成制造系统及CAPP系统的现状进行了分析,阐明了绿色集成制造系统对CAPP系统的要求,及如何对CAPP系统进行改进。

    1 绿色集成制造系统

    多年来,制造业创造了大量物资财富,为人类作出了巨大贡献。但是,制造业的负面影响也 日益显现。资源、能源短缺,环境污染严重,直接威胁到人类的生存和发展。这表明,单纯追求经济效益的传统制造模式已不能适应可持续发展的要求。

    绿色制造正是在这种情况下提出的。它要求从产品整个寿命周期中的概念设计、详细设计到生产制造、库存和运输、使用及废弃后的回收、重用或处理等各个阶段,综合考虑产品的环境影响因素,以最大限度地节约资源,减轻污染。

    由绿色制造的概念可知,它涵盖了制造、环境、资源三大领域,贯穿产品生命周期的每一过程,融合了产品的社会效益、经济效益和环境效益,把企业、产品、用户更加紧密地联系在一起。因此,绿色制造是一个复杂的系统工程,绿色制造系统必定是一个集成制造系统。基于此,重庆大学的刘飞教授等提出了绿色集成制造系统的概念:绿色集成制造系统(Green Integrated Manufacturing System)是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术,将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境,以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成 ,并实现企业和生态环境整体优化,从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小 ,使企业赢得竞争,取得良好经济效益和社会效益。

    2 绿色设计与绿色工艺

    绿色集成制造系统综合了制造技术的最新成果,主要体现为“五绿”问题的集成,即绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装和绿色处理。产品的绿色特性主要是由绿色设计决定的,但绿色材料的选用、绿色工艺、绿色包装和绿色处理也具有重要影响。其中,绿色工艺设计对制造阶段的绿色特性具有重要意义,是当前研究的重点。尤其对中国而言,完善的环境保障法律体系和废物回收体系尚不成熟,回收和回用报废产品较为困难,面向回收的设计、面向拆卸的设计等绿色设计方法实施起来还需要一个较长的过程。因此,采用绿色工艺设计,提高制造过程的绿色特性,对提高产品全生命周期的绿色特性更显重要。

    3 绿色工艺设计的原则

    由绿色制造系统的含义可得出绿色工艺设计的一些基本原则:

    (1)资源消耗最少原则

    通过合理选择工艺方案,尽可能减少加工过程的原材料消耗。

    (2)能源消耗最少原则

    尽量减少整个加工过程中的能源消耗,尤其是不可再生能源的消耗。

    (3)环境污染最小原则

    合理选用切削液、润滑液等,减少加工过程对自然环境的污染。

    (4)劳动保护原则

    尽量选用对劳动者身心健康损害较小的加工方法。

    (5)经济性原则

    在进行工艺设计时,应遵循以上原则。

    4 CAPP的特点和现状

    工艺编制一般有两种途径:一是由工艺人员根据工艺知识和经验手工编制,一是采用 CAPP系统编制。手工编制工艺的性能完全取决于工艺人员的技术水平,工艺标准化程度低,稳定性差,且不利于实现制造系统的集成。CAPP则建立在成组技术和人工智能技术的基础上,采用计算机 自动生成工艺。采用 CAPP系统,可大大提高零件工艺的标准化程度和稳定性,减少工艺人员的重复劳动,便于实现信息的集成和共享。近年来,对CAPP系统的研究取得了很大的进展,主要表现在以下方面:

    (1)分布式协同工作环境的实现

    即实现分布环境下(多终端,异地)多CAPP用户协同工作。

    (2)面向对象的方法的运用

    采用面向对象方法,实现CAPP原型系统设计,以增强系统的灵活性和重用性。

    (3)人工智能和神经网络的应用

    采用人工智能和神经网络,实现工序、工步 自动编排,切削参数优化选择。

    (4)基于特征技术建立完善的信息模型

    采用特征造型技术,使设计数据和制造数据相关联,从而实现CAD/CAPP/CAM一体化。

    (5)与PDM的集成

    建立在PDM基础上的CAPP系统,可更好地实现工艺过程的流程管理,实现多用户的协同工作。

    (6)并行工程

    实现产品设计和工艺设计并行进行,减少设计和制造过程中的反复,缩短交货期,降低成本。

    总之,CAPP系统在智能化、一体化和并行化方面取得的很大进展,成为现代集成制造的重要组成部分。尤其是分布式工作环境、CAD/CAPP/CAM一体化和并行工程方面的成就,为绿色集成制造系统的实现打下了良好的基础。

    但是,CAPP系统现状与绿色集成制造系统的要求还有一定差距,主要表现在,在制定CAPP系统的标准化工艺和成组工艺,以及工艺决策逻辑时,人们主要考虑的是可制造性原则和经济性原则,而较少考虑绿色工艺设计原则。这样,生成的工艺难以保证制造过程中的绿色特性。

分页

    5 绿色集成制造系统中的CAPP

    由绿色集成制造系统的定义可知,在设计阶段即应综合考虑产品全生命周期各阶段的绿色特性,产品设计、工艺设计、生产、运输、销售等部门信息的集成和共享是一大前提,多用户协同、CAD/CAPP/CAM一体化和并行化在绿色集成制造系统中至关重要。实现绿色集成制造,必须依靠CAPP系统的支持。同时,绿色集成制造系统的绿色特性,也对CAPP提出了更高的要求。

    研究表明,CAPP系统应考虑从以下方面加以改进,以满足绿色集成制造系统的要求:

    (1)制造系统建模

    在绿色集成制造系统中,CAPP的主要任务是确定生产工艺,合理安排制造过程中资源流程,降低资源能源消耗,减轻环境污染和对劳动者身心损害,并将各种因素量化后反馈给设计子系统以实现全生命周期绿色评价。显然,这些因素与具体的制造资源是密切相关的。因此,系统建模需要更紧密结合工厂的实际资源状况。而且,现行CAPP在对设备建模时,主要以设备可加工零件的尺寸、重量和加工精度等为参数,以评估可制造性要求为目的;对各种加工条件下的能量消耗、环境污染和劳动者的伤害等较少考虑。因此,现行制造系统模型不能很好地用于分析制造过程中的环境因素。绿色集成制造系统中的 CAPP应较全面、准确地反映设备的环境影响因素。这里,采用面向对象的建模技术是一种较好的选择。

    (2)在制定成组工艺和决策逻辑时,应尽量采用绿色特性好的工艺设备和方法。如:

    1)优先选用尺寸精度较好的毛坯

    在兼顾经济性的条件下,优先选用精度较高的成型毛坯,可大大减少加工余量,从而极大的提高原材料的利用率,降低刀具和辅具消耗,减少加工过程中的能量消耗,减轻工人的劳动强度。如铆工液压件厂在液压缸生产中采用冷拔钢管代替普通无缝钢管后,材料利用率由67%提高到90%,生产工序由32道减少到24道,生产周期缩短3天。尽管单件成本增加了8%,整个制造过程的绿色特性得到大大提高。

    2)采用清洁化加工方法

    传统加工方法,如车、铣、刨、磨、钻等,污染严重,噪音大,能耗高,材料利用率低,工人易疲劳。最近,人们正在研究的一些新的加工方法,如激光加工、干式加工、快速成型、低温加工等,材料利用率高,噪音、水、气污染较轻 ,是较为理想的清洁化加工方法。如在石材切割中,传统方法是采用金刚石锯片锯削,噪音大,粉尘多,严重影响工人的健康。采用高速水束切割方法,噪音显著降低,且无粉尘,工人

劳动条件得到很大改善。

    3)选用新型刀具

    传统的高速钢、硬质合金刀具磨损较快,造成切削力很快增大,能耗增加。采用新型硬质合金刀具、多晶立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、金刚石涂层刀其等,可显著降低单件零件加工的刀具磨损。而且,采用新型刀具对某些材料进行高速切削时,材料的切削性能大大提高,极大地降低能源消耗。

    4)选用环境污染小的切削液和冷却液

    切削液和冷却液是机械加工造成环境污染的主要原因,应淘汰环境污染较大的油基切削液,采用如乳化液、合成切削液、乳状切削液等水基切削液;添加剂中,则应淘汰亚硝酸盐 、铬酸盐 、磷酸盐 、氯化物、甲醛等有毒物质,多采用硼酸脂类、钥酸盐类等无污染添力体剂。

    (3)建立绿色工艺评价体系

    由于绿色集成制造系统的效益是经济效益和社会效益的综合体现,对绿色工艺的评价也不能仅限于经济性和可制造性。如上文说述,铆工液压件厂换用冷拔钢管的例子,如仅仅从经济性考虑,就会得出否定的结论。绿色工艺评价应是全面反映经济效益、环境效益和社会效益的指标体系。(图2)在CAPP中,需对图中各项指标进行量化,赋予不同的权值,进行多目标综合评价。评价结果不仅反馈到CAPP,进行工艺修改,还应反馈到CAD系统,用于在设计阶段进行产品全生命周期绿色特性的综合评价。

    6 结论

    绿色集成制造系统是21世纪制造系统发展的必然方向。在绿色集成制造系统中,CAD/CAPP/CAM一体化和并行化是其关键的技术支撑。对现行CAPP系统进行改造,以提高工艺设计的绿色特性,降低制造过程的能源、资源消耗和环境污染,增强劳动保护,使之更好地满足绿色集成制造系统的要求,具有重要的意义。

责任编辑:辜雯倩
本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
读者评论 (0)
请您登录/注册后再评论