面向绿色制造的材料成型工艺决策方法研究毕业设计.docx
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面向绿色制造的材料成型工艺决策方法研究毕业设计
面向绿色制造的材料成型工艺决策方法研究毕业设计
中文摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
1绪论1
1.1选题背景1
1.2面向绿色制造的材料成型工艺方法决策研究的现状1
1.2.1绿色制造研究的现状.............................................................................1
1.2.2面向绿色制造的材料成型工艺决策研究的现状............................................4
1.3论文研究内容及目的意义............................................................................6
2面向绿色制造的材料成型工艺决策模型的优化与求解.....................8
2.1面向绿色制造的材料成型工艺决策的通用模型.............................................8
2.1.1面向绿色制造的材料成型工艺决策的目标体系的确定..................................8
2.1.2面向绿色制造的材料成型工艺决策的通用模型的建立..................................9
2.1.3面向绿色制造的材料成型工艺决策模型的求解..........................................10
2.2面向绿色制造的材料成型工艺决策的AHP模型.............................................11
2.2.1多目标决策方法介绍...........................................................................11
2.2.2AHP方法介绍....................................................................................13
2.2.3面向绿色制造的材料成型工艺决策的AHP模型的建立和求解......................14
3面向绿色制造的材料成型工艺决策软件的设计................................18
3.1决策软件的开发目标...............................................................................18
3.2软件开发的软硬件条件............................................................................18
3.3程序设计..............................................................................................18
3.3.1可行性研究和需求分析.......................................................................18
3.3.2概要设计.........................................................................................19
3.3.3具体设计.........................................................................................20
3.3.4代码实现.........................................................................................25
3.3.5测试...............................................................................................25
3.3.6编制产品说明书................................................................................26
4软件展示和实例运行...........................................................................29
4.1软件展示.............................................................................................29
4.2实例运行和结果分析..............................................................................31
4.2.1实例运行.........................................................................................31
4.2.2结果分析..........................................................................................39
5课题总结与展望....................................................................................40
致谢............................................................................................................42
参考文献....................................................................................................43
附录A:
决策运算主程序的源代码..........................................................................45
附录B:
调用函数eigen.m的源代码........................................................................47
附录C:
软件主要界面的源代码.............................................................................48
1绪论
1.1选题背景
随着世界制造业的飞速发展，制造工艺在不断改进，制造工艺方案的规划、评价与决策方法也在不断进步。
在工艺改进上，当今比较流行的是转向绿色工艺，即在产品制造过程中除考虑传统的经济性因素外，加入对环境污染和资源消耗两大因素的考量；而在工艺方案评价和决策的改进方面，则主要依托当今先进的计算机技术的应用，将传统的评价与决策步骤交由计算机来执行，将工艺设计人员从繁重的决策计算任务中解放出来，从而提高决策效率和决策精度。
鉴于此，本课题的拟定就具有极大的现实意义和紧迫性。
本课题的研究成果可以弥补国内在这方面研究的匮乏，为后来者的研究拓展道路，打下基础。
1.2面向绿色制造的材料成型工艺方法决策研究的现状
1.2.1绿色制造研究的现状
环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大问题。
特别是环境问题，其恶化程度与日俱增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。
有人把全球性的环境问题的严峻程度以及人类社会对环境问题的意识比喻第三次世界大战。
战争将有两种结局：
一是人类对当前的环境问题认识不足，不采取果断措施，继续以牺牲环境来求得经济发展的高速度，这实质是一条自掘坟墓、人类自己毁灭自己的道路。
另一种是人类从传统的观念束缚下挣脱出来，反思自己，树立崭新的环境观念，采取有力措施，走绿色文明之路，从而创造出人与环境和谐共存、发展的新局面。
毫无疑问，人类当然希望是第二种结局。
随着全球环境的日益恶化，人们对环境问题的研究已愈来愈重视。
近年来的研究和实践使人们认识到环境问题绝非是孤立存在的，它和资源、人口两大问题有着根本的内在联系。
特别是资源问题，它不仅涉及人类世界有限的资源如何利用，而且它又是产生环境问题的主要根源。
于是，近年来一个新的概念已提出：
最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题的治本之道。
制造业是将可用资源（包括能源）通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业。
它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、化工、食品、军工等等。
制造业是创造人类财富的支柱产业，其功能是通过制造系统来实现的。
制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中和产品的使用和处理过程中，同时产生废弃物（废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源），废弃物是制造业对环境污染的主要根源。
制造系统对环境的影响如图1.1所示。
图1.1制造系统对环境的影响
（其中虚线表示个别特殊情况下，制造过程和产品使用过程对环境直接产生污染（如噪声），而不是废弃物污染。
但是这种污染相对于废弃物带来的污染小得多。
）
由于制造系统量大面广，因而对环境的总体影响很大。
可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。
有鉴于此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前环境问题的一个重要研究方向。
于是一个新的概念绿色制造（GreenManufacturing）由此产生，并被认为是现代企业的必由之路。
各国专家的研究普遍认为，绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法之一，是实施环境污染源头控制的关键途径之一。
绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。
绿色制造（GreenManufacturing）,又称环境意识制造（EnvironmentallyConsciousManufacturing）、面向环境的制造（MFE）等。
国际上，绿色制造有关内容的研究可追溯到20世纪80年代，但比较系统的提出绿色制造的概念、内涵和主要内容的文献是美国制造工程师学会（SME）于1996年发表的关于绿色制造的专门蓝皮书《GreenManufacturing》。
1998年SME又在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势的网上主题报告（TrendsofGreenManufacturing），对绿色制造研究的重要性和有关问题又做了进一步的介绍。
近年来，绿色制造及其相关问题的研究非常活跃。
特别是在美国、加拿大、西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。
在美国，从一些国家重点实验室到国家研究中心，从东海岸的麻省理工学院到西海岸的Berkeley加州大学，大量的研究工作正在进行。
如Berkeley加州大学不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互连网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页Greenmfg。
卡奈基梅隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、管理、制造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广泛合作。
不少企业也进行了大量研究，如1996年美国SME学会关于绿色制造研究的圆桌会议的大多数骨干是来自企业界的负责人或代表。
美国AT&T公司在企业技术学报上发表了不少关于绿色制造的研究论文。
美国国家科学基金会对绿色制造中的相关问题的研究给予了高度重视和支持，如美国国家科学基金会1999年资助课题报告会（NSFDesign&ManufacturingGranteesConference）所报告的与绿色制造相关的研究课题就有十余项。
在此届大会上，NSF设计与制造学部主任Martin-Vega博士在大会主题报告中还指出了未来制造业面临的六大挑战性问题，环境相容性问题就是其中之一，而且指出目标就是减少制造过程中的废弃物和把产品对环境的影响降到最低限度；随后，Martin-Vega博士又提出未来的“十大关键技术”，其中包括“废弃物最小加工工艺”[1][2][3]。
加拿大Windsor大学建立了环境意识设计和制造实验室（ECDMlab）和基于WWW的网上信息库，发行了InternationalJournalofEnvironmentallyConsciousDesignandManufacturing杂志。
对环境意识制造中的环境性设计、生命周期分析（LifeCycleAnalysis，LCA）等进行了深入的研究。
ECDMlab1995年开发了一套有关环境性设计软件EDIT（EnvironmentalDesignIndustrialTemplate）。
在欧洲，国际生产工程学会CIRP近几年均有大量论文对环境意识制造和多生命周期工程等绿色制造本质问题进行研究。
英国CfSD（TheCenterforSustainableDesign）对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育工作，发行了TheJournalofSustainableProductDesign杂志。
国际电子电器工程师协会（IEEE）和日本生态设计（EcoDesign）协会联合发起，在松下、Sony、IBM、丰田等多家跨国公司赞助下，InternationalsymposiumonEnvironmentallyConsciousDesignandInverseManufacturing国际研讨会迄今已成功举办了3届，对环境意识制造和逆向制造技术展开了讨论[4][5][6]。
欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国公司都制定了绿色制造实施目标和措施，开展节能、降耗、产品生命周期评估（LCA）、环境审核、绿色产品开发等具体工作,如日本本田公司2001年曾提出“到2003年将全面实施绿色制造”的口号。
特别是，近年来随着ISO14000环境管理体系系列标准、OHSAS18000职业健康与安全卫生标准系列、绿色产品标志认证等的颁布，企业环境管理和绿色制造的研究更加活跃。
截至2002年底，已有118个国家49462家企业已经获得ISO14001环境管理体系认证。
可以不夸张地说，环境保护和绿色制造研究形成的强大绿色浪潮，正在全球兴起。
在我国，近年来在绿色制造及相关问题方面进行了一些研究。
重庆大学和武汉科技大学合作，承担了国家863项目（“绿色制造的资源流模型和实施关键技术研究”、“绿色制造的集成运行模式和实用评估技术”、“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研究”等）和国家自然科学基金项目（“绿色制造的理论体系和决策支持技术研究”、“制造系统资源消耗模型和资源消耗特性的研究”等）多项，初步建立了绿色制造的理论体系和技术体系，对制造系统物料和能源资源优化利用以及面向绿色制造的工艺规划方面进行较为深入的研究工作，开发了一套“面向绿色制造的工艺规划应用支持系统”（著作权登记号:
2003SR9386），并在中国现代集成制造系统网络（CIMSNet）开辟了绿色制造专题，对国内外绿色制造研究情况进行了综合介绍[10-14]。
清华大学承担了国家自然科学基金重点项目“机电产品绿色设计理论及方法”，对机电产品绿色设计中的理论、技术和方法进行了较深入的研究。
清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国“ChinaBridge”基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美国“TexasTechUniversity”先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得一定进展[7][8][9]。
机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目――清洁生产技术选择与数据库的建立、机械工业基金项目－－绿色设计技术发展趋势及对策研究。
围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，提出了一种适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。
目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。
以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。
其他高校和研究机构，如合肥工业大学、华中理工大学等对绿色制造的理论体系、专题技术等也进行了不少的研究。
由于研究积累少，资金人力投入不足，企业不够重视，绿色制造在国内还属起步阶段，很多研究主要集中在理论、概念与结构框架性的探索研究，还没有深入到制造业的生产实践中去，对制造业的影响仍比较小。
有不少文献对许多专门技术，如绿色加工技术、拆卸性设计技术、产品生命周期评估技术、绿色回收处理技术进行了介绍，但与这些技术有关的实用关键技术、应用案例、实用化的软件工具等的报道很少[13][17]。
1.2.2面向绿色制造的材料成型工艺决策研究的现状
目前，材料成形方案的拟定过程通常是由有经验的技术人员根据经验列举出可能的技术方案，查阅大量的基础资料（包括主要资料和辅助资料），初步筛选出几种最可行的方案，然后举行技术、经济分析，最终优化出最终方案。
这一过程属于单一目标的决策问题。
面向绿色制造的材料成形工艺决策过程除了要考虑经济性外，还需考虑资源、环境等问题，属于多目标决策问题。
面向绿色制造的材料成型工艺决策是将集成思想应用到工艺过程优化选择的实践过程。
针对制造企业现有的生产工艺和装备，以生产率，成本，质量，资源消耗，环境影响组成的目标体系为核心，将集成贯穿于工艺过程优化选择的全局和整个过程。
这种多目标决策的含义是：
将传统的制造企业决策目标由单一的经济效益目标（生产率P，成本C，质量Q）转变为在考虑经济效益目标的同时，综合考虑环境影响（E）和资源消耗目标（R）,其框图模型如图1.2所示。
图1.2面向绿色制造的材料成型工艺决策框架模型
绿色制造生产过程多目标决策将分析生产过程优化的实践过程,根据绿色制造的基本理论,针对制造企业现有的生产工艺和装备,建立以生产率、质量、成本、资源消耗及环境影响组成的目标体系,将集成贯穿于生产过程优化的全局和产品全寿命周期过程。
从实施绿色制造角度和层面对生产过程中的信息流、时间流、物料流、能量流和环境排放流进行集成分析,对生产过程进行诊断和绿色规划,从而实现绿色化的生产过程。
这种多目标集成决策具有两方面的内涵:
一方面,生产过程目标系统中多个目标之间的集成,将传统的制造企业生产过程决策目标由单一的经济效益目标（生产率、质量、成本）转变为在考虑经济效益目标的同时,综合考虑环境影响以及职业健康与安全这两个社会效益目标和资源消耗这个社会经济效益目标;另一方面,为实现集成后的决策目标而对整个生产过程采取的集成化技术、方法和支持工具。
1.3论文研究内容及目的意义
本文主要是针对材料成型生产过程的一个重要环节——材料成型工艺的决策进行更加深入的研究。
在前人研究的基础上，综合考虑与绿色制造相关的时间，成本，质量，资源消耗和环境影响这五个评价指标，将层次分析法应用于面向绿色制造的材料成型工艺决策中。
另外，作者尝试设计了面向绿色制造的材料成型工艺决策软件，并引入一个决策实例来验证决策模型及其求解方法的正确性和适用性。
论文内容主要包括：
①面向绿色制造的材料成型工艺决策的模型的建立根据对绿色制造的五大决策目标（时间T,质量Q，成本C，资源消耗R，环境影响E）的期望，建立相应的决策模型。
②多目标决策理论的研究面向绿色制造的材料成型工艺决策问题中的多个目标是相互冲突，相互联系和不可公度的，而多目标决策理论恰好可以较好地解决这些问题，故将多目标决策理论应用于面向绿色制造的材料成型工艺决策中。
③决策软件设计这部分的主要工作是编制相应的决策软件，将复杂的多目标决策运算过程用程序来实现，以提高决策效率和准确性。
④实例决策及结果分析引入一个简单的材料成型工艺决策实例，通过决策分析的结果来验证评判模型、决策方法的正确性和适用性。
目前，对绿色制造工艺的研究主要集中在两个方面：
一个方面是研究具体的绿色制造技术和工艺，将绿色的概念引入到具体的技术和工艺中，以减少对环境的污染，这属于“硬件研究”，如：
干切削技术，干磨削技术，快速原型制造技术等；另一个方面是研究在时间T（Time）,质量Q（Quality），成本C（Cost），资源消耗R（Resource）和环境影响E（Environment）等目标下的评价体系和决策系统，以利于正确客观地评价制造工艺或技术，这属于“软件技术”。
研究重点在绿色工艺的评价和决策模型以及绿色工艺方案的优化。
但目前，绿色工艺的理论研究还处于刚刚起步的阶段，对于绿色工艺的评价、决策，优化还远未形成理论体系。
要使绿色制造的研究工作取得实质性进展，关键在于建立一个切实可行的评价体系，在保证产品基本功能的前提下，从节省能源，保护环境和保护劳动者健康以及经济性等方面来建立绿色工艺的评价指标，并使之具有客观性，可调性，科学性和可操作性。
本课题研究的目的就是要建立一个绿色制造工艺方案的多目标评价和决策体系，以求得多个绿色工艺方案的相对最优解，获得相对绿色度最高的工艺方案[16][17][18]。
这一研究是具有极大的现实意义的。
当前，关于绿色制造的研究虽然不能说很完备，但也比较深入了。
像绿色工艺规划，绿色材料的选择，绿色包装的工序等等，这些世界各地都有人在进行研究。
多目标评价和决策从提出到现在也有将近40个年头了，特别是近些年在工业企业管理等领域得到了较为广泛的应用，研究成果较多。
但是，把这两者结合起来用于材料成型工艺方案的评价与决策，这项研究目前在国内还没有几个人做过，研究成果极少。
毫无疑问，这项研究是有极大的学术价值和市场价值的，一旦开展起来，必将替代目前传统的材料成型工艺方案的优化选择方法，从而大大提高材料成型工艺方案的评价与决策效率，最终达到提高企业的生产率，降低生产成本的目的。
2面向绿色制造的材料成型工艺模型的优化及求解
2.1面向绿色制造的材料成型工艺决策的通用模型
2.1.1面向绿色制造的材料成型工艺决策的目标体系的确定
工艺规划决策的目标体系包括资源消耗（Resourceconsumption,R）,环境影响（Environmentalimpact,E），生产时间（Time,T）、质量（Quality,Q）、成本（Cost,C）五个决策目标。
由于职业健康与安全危害主要由环境排放物导致，因此将其纳入环境影响一并考虑。
但随着随着OHSAS18001职业健康与安全管理标准体系的颁布以及职业健康与安全问题的日益受到广泛的关注，有可能发展为绿色制造过程的又一特征决策目标。
面向绿色制造的工艺规划决策目标体系与绿色制造决策目标类似，但又有着自身的内涵，可以认为是绿色制造决策目标在工艺过程中的具体体现，简述如下：
①时间，T
面向绿色制造的工艺规划的时间目标，不仅仅是指工艺规划过程的高效率，更强调由工艺规划对零件或产品工艺过程时间因素的影响，如机械加工中的切削时间、辅助时间、准终时间以及车间中的生产任务调度时间等。
不考虑产品其他生命阶段的时间，如产品设计时间、
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