0 引言

　　綠色制造是一種綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式[1]。面向綠色制造的工藝規劃(也稱綠色工藝規劃)是綠色制造的關鍵技術之一，旨在通過對工藝要素、工藝過程和工藝方案等進行優化決策和規劃，從而改善加工過程及其各個環節的綠色性(即資源消耗和環境影響)，使得產品制造過程的經濟效益和社會效益協調優化[2]。綠色工藝規劃不是對傳統工藝規劃的一種否定，而是一種補充和發展，是一種使得產品制造過程具有更好綠色性的輔助手段。國內外開展了大量的綠色工藝規劃方面的研究，如環境意識機床系統及其關鍵技術、廢物流的評價、工藝規劃方法以及面向綠色制造的各種工藝評價與決策等先進的綠色工藝技術 [3,4]。S.A.Melngk 教授和R.T.Smith教授曾在美國制造工程師學會(SME)發布的綠色制造藍皮書[5]中指出，“盡管目前有很多有利因素促進綠色制造的實施和推廣，如環境和資源方面法規、ISO14000國際環境管理體系系列標準、綠色標志認證、公眾意識，甚至已經有很多企業以綠色環保作為自己的市場競爭優勢(如綠色空調、綠色汽車等)，但綠色制造在實際生產中的實施仍不樂觀，其主要原因之一是缺乏可以明顯改善環境友好性的實用方法和工具”。迄今為止，有關綠色制造方面的實用化方法和軟件工具仍很少有報道。

　　目前，對大多數企業來說，制造過程的環境污染只能用好或差進行粗略的評價，無法完成多個指標的綜合評價。因此，要全面改善和提高企業制造過程的綠色性，需要一種實用化的綜合性評價工具，對其制造過程的綠色特性進行全面的分析、優化和評價。

　　針對上述問題，本文研究了面向綠色制造的工藝規劃支持系統的體系結構和工作流程，開發了一套軟件系統。該軟件系統能夠從單個工藝要素到整套工藝方案，對制造過程的綠色特性，包括原材料消耗、輔助原材料消耗、能量消耗、固體廢棄物污染、液體廢棄物污染、粉塵、噪音、油霧以及工人職業健康安全等方面，進行綜合的分析和評價。目前，該軟件系統已獲得國家軟件著作權登記證書(登記號：2003SR9386)，并在某機床廠的齒輪加工工藝過程中成功應用。

　　1 面向綠色制造的工藝規劃支持系統體系結構

　　面向綠色制造的工藝規劃支持系統不同于現行的計算機輔助工藝規劃(Computer Aided Process Planning,CAPP)，它的目標不是自動生成或規劃出零件加工工藝規程，而是在面向綠色制造的工藝規劃模型庫和工藝綠色數據庫的支持下，對工藝過程中的原材料消耗、輔助材料消耗、能量消耗和環境排放物等進行分析、優化和評價，幫助工藝人員優化、改善產品和零件制造過程的綠色性。

　　面向綠色制造的工藝規劃支持系統的體系結構(如圖1)包括：

　　(1)數據層 由各種綠色工藝數據庫構成，主要包括工藝綠色特性數據庫、工藝清單數據庫、機床數據庫、刀具數據庫和切削液數據庫等。數據層給應用層提供了各種必要的綠色特性數據。

　　(2)應用層 主要由模型庫、應用程序及CAPP集成接口/門戶界面3部分組成。模型庫包括工藝要素規劃模型庫、工藝過程優化模型庫和工藝方案綠色性評價模型庫，各個模型庫由實現不同功能的子模型組成;應用程序根據不同的決策需求，調用相應的子模型進行綠色性分析和評價;CAPP集成接口/門戶界面主要是為用戶獲取原始的工藝規劃信息(即未經綠色性評價的工藝)提供兩種可供選擇的方式。其中，CAPP集成接口主要針對實施了CAPP的企業，獲取其CAPP的工藝規劃信息，并按照一定的規則轉換成系統可以識別的數據;門戶界面的主要作用是為用戶提供一個工藝信息輸入的界面，通過人工輸入獲取原始工藝規劃信息。

　　(3)用戶層 該層中的用戶分為系統管理員、企業管理員和一般企業用戶3種類型。系統管理員有系統的最高權限，包括授權新企業管理用戶、刪除或修改已授權企業管理用戶的基本信息和模塊使用權限;企業管理員在注冊并經過系統管理員授權后，可以添加新的一般企業用戶，以及對企業基本信息進行修改;一般企業用戶在經企業管理員授權后，可以對授權模塊或功能進行操作。

　　2 面向綠色制造的工藝規劃支持系統的工作流程

　　面向綠色制造的工藝規劃支持系統的工作流程如圖2所示。該系統包括兩種工作流程：①系統的每個功能模塊可以單獨對原始工藝方案進行優化，工藝人員根據優化后的綠色性信息，直接對原始工藝方案進行修改，圖2中用虛線箭頭表示。這種工作流程簡單方便，但只是針對工藝方案單個方面的綠色性進行優化。②經過系統中每個功能模塊的優化后，得到最終的綠色工藝方案，即圖2中的工藝方案3。第二種模式在圖2中用雙箭頭表示，其具體的工作過程分為以下3個步驟：

　　步驟1 原始工藝方案經過工藝要素選擇模塊的優化后，可以得到工藝綠色信息1。該信息包括每道工序的加工要素，即機床、刀具以及切削液的綠色性評價信息(如果該道工序不包含機床、刀具和切削液，則不對其工藝要素進行優化)。工藝人員根據該工藝要素的綠色性評價信息，從中選取綠色性較好的工藝要素，對原始工藝方案進行修改，可以得到新的工藝方案1。從工藝方案1中可以看到，每道加工工序中的機床、刀具和切削液與原始的工藝方案不同。

　　步驟2 工藝方案1經過工藝過程優化模塊的評價后，可以得到工藝綠色信息2。該信息包括對工藝路線的綠色評價信息、零件在機床上加工的能量最小化信息和零件在加工車間中噪聲最小化信息。與工藝綠色性信息1的處理方法一樣，工藝方案1經過工藝人員的修改，可以得到工藝方案2。從工藝方案2中可以看到，工序2和工序1進行了順序的改變，因為經過工藝路線評價后，發現工序2和工序1的加工順序可以交換[6]，并且交換后的工藝方案具有更好的綠色性。

　　步驟3 工藝方案2經過工藝方案綠色性評價模塊的優化后，可以得到工藝綠色信息3。該信息是能夠反映出整個工藝規劃中綠色性最差的工序，即工藝規劃中的綠色性的瓶頸工序。工藝人員可以根據上述信息，對該道工序進行重點改進，以有效提高整條工藝規劃的綠色性。從圖2中可以看出，經過工藝綠色性評價模塊后[7]，發現工藝方案2中的工序2是整條工藝路線中綠色性最差的工序，于是工藝人員對其進行了重點改進，采用工序2′替代原來的工序。最終得到的工藝方案3是進行了綠色性優化評價后的工藝方案，與原始工藝規劃相比，具有較好的工藝綠色性。

　　3 面向綠色制造的工藝規劃支持系統的開發

　　面向綠色制造的工藝規劃支持系統采用了基于Web的瀏覽器/服務器(Browser/Server,B/S)軟件體系結構。服務器端包括工藝要素選擇、工藝過程優化和工藝方案綠色性評價等多個應用程序和模型庫，以及各種綠色工藝數據庫。該軟件可以支持多個企業應用，企業注冊并通過認證后，可以成為該系統的用戶。用戶首先從瀏覽器登錄到支持系統，在數據庫的支持下，通過操作應用程序，調用模型庫中的模型，完成整個工藝規劃的綠色性評價。數據庫的建立采用SQL Server 2000技術,模型庫的構建是將完成一個功能的模型封裝成一個JavaBean,應用程序通過調用不同模型的接口來實現不同的應用功能。各個功能模塊應用程序的開發采用JSP語言完成。

　　3.1 綠色工藝數據庫的構建

　　綠色工藝數據庫是面向綠色制造的工藝規劃支持系統的基礎。該數據庫的特點是根據面向綠色制造工藝規劃的目標，在加工時間、加工質量和加工成本的基礎上，加入了工藝規劃中資源消耗和環境影響的相關數據。該系統的綠色工藝數據庫主要包括工藝方法數據庫、機床數據庫、刀具數據庫和切削液數據庫等4個主要的數據庫。

　　工藝方法數據庫又分為工藝特性數據庫和工藝清單數據庫。工藝特性數據庫主要提供工藝方法的資源環境特性分析報告;工藝清單數據庫則提供工藝清單分析表格，表格中包括評價工藝方法綠色特性的各類指標及相關的量化方法[7]。因為工藝方法的種類很多，對所有的工藝方法都進行研究是不切實際的，所以工藝方法數據庫的建立是根據現行的行業標準(JB/T5992-92)，將制造工藝分為鑄造、壓力加工、焊接、切削加工、特種加工、熱處理、覆蓋層、裝配與包裝以及其他等9大類，分別從每個大類的工藝中，選取典型的工藝方法進行研究。例如，從切削加工工藝中選擇滾齒加工工藝，從資源消耗、環境污染和職業健康與安全方面進行分析，建立起該工藝的資源環境特性分析報告;同時，針對滾齒加工中的各種資源環境影響，主要包括加工齒輪原材料的消耗，滾刀、切削液、工裝等輔助原材料消耗，電能等能量消耗，油霧、刺激性氣味、粉塵等大氣污染，切削廢液、機床漏油等水污染，鐵屑等廢棄物污染，以及噪聲、操作安全性等職業健康危害7個方面，建立滾齒加工工藝的工藝清單分析表。

　　機床數據庫主要針對切削加工機床。參照我國機械工程手冊的標準，根據機床加工方式、加工對象或主要用途對機床進行分類，同時考慮工藝方法數據庫中的工藝方法，從分類的機床中選出具有典型性的機床進行研究。機床數據庫提供了機床的尺寸參數、動力參數等基本參數，以及機床的輔助加工時間、機床的精度等級、切屑回收情況、切削煙霧的處理、操作的安全性等綠色特性參數。例如，滾齒加工機床的數據庫字段中，除了提供滾齒機的型號、最大加工模數、最大加工轉速、最大裝刀直徑和長度以及功率等數據外，還增加了切屑回收情況、煙霧處理情況和操作安全性等綠色特性方面的數據字段。

　　刀具數據庫包括不同用途、不同材料的刀具基本參數以及綠色特性分析的相關數據。根據刀具的用途和加工方法可以將刀具分為8大類，根據每類刀具常用材料的不同進行研究。刀具數據庫提供的綠色特性分析指標包括刀具的主要幾何參數、加工精度、刀具成本和刀具磨損量等。以滾刀為例，刀具數據庫中包括滾刀的名稱、模數、加工精度、壓力角、刀具頭數、可回收處理性和刀具材料的毒性等方面的數據。

　　切削液在使用過程中對環境產生的影響較大，根據加工方法和加工材料的不同，將切削液分為潤滑性不強和潤滑性較好的化學合成液、普通乳化液、極壓乳化液、普通切削油、煤油、含硫和含氯的極壓切削油或植物油和礦物油的復合油，以及含硫氯和氯磷或硫氯磷的極壓切削油等7類。切削液數據庫的建立，是從各類切削液中選取具有代表性的切削液進行研究，并按照油基切削液和水基切削液分別進行構建。根據兩種類型切削液的性能參數的不同，油基切削液表中包括切削液名稱、粘度、閃點、腐蝕性、適用材質、適用工藝、性能和毒性等方面的數據，水基切削液表中則提供切削液名稱、稀釋液類型、PH(10%)、防銹性能、適用材質、適用工藝、性能和毒性等方面的數據。

　　3.2 綠色工藝模型庫的構建

　　模型庫的設計是基于工藝規劃中的工藝要素、工藝過程和工藝方案3個層次，將面向綠色制造的工藝規劃分解為局部的工藝要素規劃、全局的工藝過程優化和工藝方案綠色性評價，建立起相應的評價模型，從而達到對整個工藝規劃進行評價的目的。

　　(1)工藝要素規劃模型庫 工藝要素規劃是指機械加工工藝過程中所涉及的機床設備、刀具、切削液、夾具和量具等的優化選擇[2]。在各個工藝要素中，相比較而言，夾具和量具的選擇對加工過程中的綠色特性的影響較小，因此，工藝要素規劃模型庫的構建主要包括機床設備、刀具和切削液模型[8~10]。

　　(2)工藝過程優化模型庫 工藝過程優化即對零件加工過程的綠色特性進行優化決策。在機械加工過程中，通常會產生大量的能量消耗，對整個加工車間的環境產生影響，特別是噪聲的污染。工藝過程優化模型庫的構建主要從兩方面進行考慮，一方面是對工藝路線進行優化的模型;另一方面是以減少加工中的能耗和噪聲污染為目標，進行車間作業的優化調度的模型[6,7,11]。

　　(3)工藝方案綠色性評價模型庫 工藝方案綠色性評價模塊庫的構建，主要是根據工藝清單數據庫提供的工藝清單分析表進行工藝數據的采集，通過工藝方案綠色性評價模型來完成對工藝方案的評價。該模型主要是對整個工藝方案的環境影響進行全局評價[7]。

　　文獻[6～11]分別建立了各種數學模型。該模型主要采用Java語言，對數學模型進行計算機處理，并按照上述的模型庫結構和功能，實現模型庫的構建。

　　3.3 與CAPP的集成

　　實現面向綠色制造的工藝規劃支持系統與CAPP的集成，一方面可以簡化工藝人員使用系統時對相關工藝數據信息的輸入操作，另一方面也可以使得CAPP產生的工藝規劃具有較好的綠色特性。

　　面向綠色制造的工藝規劃支持系統與CAPP的集成，主要解決如何從CAPP中讀取零件工藝規程信息，轉換為支持系統所能識別的數據格式，并進行數據處理。對于CAPP輸出的工藝信息，其輸出格式要求符合企業自身的標準。然而各個企業之間的工藝數據不存在一個統一的標準，因此對CAPP輸出的工藝信息目前也不存在一個成熟的標準輸出格式。為了能夠實現支持系統與CAPP的集成，在數據的處理格式上，采用了可擴展標記語言(eXtensible Marking Language,XML)。XML最大的特點在于能夠實現異構系統之間的相互通訊，恰好解決了目前CAPP輸出格式的不確定所帶來的集成問題，能夠實現支持系統與任何輸出格式的CAPP的良好集成。

　　支持系統與CAPP集成的具體技術實現涉及到兩方面的問題：

　　(1)對于CAPP端的處理 由于不同企業有其自身企業標準和實際需求，目前大多數企業實施CAPP都需要根據企業的實際情況進行個性化的定制開發。所以支持系統在與某個企業的CAPP進行集成時，也需要針對不同企業，對其CAPP進行一定的二次開發，開發相應的輸出接口，或者是CAPP在實施過程中，企業要求CAPP的開發商提供工藝信息接口，從而保證集成時可以獲取相應的工藝信息，然后將獲得的工藝信息封裝為XML格式的形式，發送到網絡并進行傳輸。

　　(2)支持系統的集成處理問題 支持系統通過網絡獲取到從CAPP端發送的XML格式的文件后，解析出工藝信息，進入支持系統，實現其與CAPP集成的目的。工藝規劃信息的XML Schema結構圖如圖3所示。

　　4 應用案例

　　某機床廠是我國專業制造機床用圓柱齒輪的企業，該廠通過Intenet注冊成為該系統的用戶后，相關的工藝人員便可使用該系統，輔助進行齒輪加工的工藝規劃綠色性評價。零件YKA3120A-031301是該廠需要進行加工的某齒輪零件(以下出現的編號均為該廠各種設備的編號)，工藝人員通過面向綠色制造的工藝規劃支持系統，對該零件的工藝規程進行了綠色性評價。該零件的初始工藝路線為：①粗車削→②鉆削→③調質→④精車削→⑤滾齒→⑥鉗加工→⑦剃齒→⑧鉸車孔→⑨拉削→⑩鉗加工→磨削→珩齒。整個工藝規劃的綠色性評價過程如圖4所示。

　　通過工藝要素選擇模塊，得到關于工序5滾齒加工(工序5要涉及到3個方面的工藝要素決策，具有代表性)的工藝要素綠色信息：工藝5可以考慮在機床YKX3132或YKB3120A上加工，選用涂層高速鋼刀具，以及型號為ECOCUT HFN 5LE的切削液。通過工藝過程優化模塊中的能耗和噪聲調度功能可知，工藝5安排在機床YKX3120上加工的車間能耗和噪聲達到綜合最優;在滿足工藝要求和該廠生產實際的情況下，由于該齒輪的加工路線對該廠來說是惟一確定的，不需要通過工藝路線優化的功能。經過上述工藝要素和工藝過程優化后，進入到工藝方案綠色性評價的功能，通過該功能的評價得知，整條工藝方案的綠色性評分值為5.56(系統的評價結果是通過10分制的形式給出)，表明該齒輪的制造過程的環境狀況一般，其中調質工藝的綠色評分值為7.309，是整個方案中環境影響最差的環節，因此需要改進。

　　工藝人員根據系統產生的上述各種工藝綠色信息，結合工廠的狀況對原始工藝方案進行改進，可得到既符合工廠生產實際，又比原始的工藝具有更好綠色性的工藝方案，指導工廠進行零件加工。

　　5 結束語

　　本文研究并開發了一種面向綠色制造的工藝規劃支持系統。該系統在模型庫和綠色特性數據的支持下，可以對工藝過程中的原材料消耗、輔助材料消耗、能量消耗和環境排放物等進行分析、優化和評價，幫助工藝人員優化和改善產品和零件制造過程的綠色性。系統開發采用了基于Web的B/S 3層軟件體系結構，該軟件目前已獲得國家軟件著作權登記證書(登記號：2003SR9386)，在某機床廠進行了應用，具有較好的實用性和應用前景。