面向高能效制造的数控机床发展展望.pdf

S p e c ia I R e p o r ls 综述 面向高能效制造 的数 控机床发展展望 李国伟① 张为 民 ② 孙 群① ① 同济大学机械工程学院， 上海 2 0 0 0 9 2； ② 同济大学中德 学院， 上海 2 0 0 0 9 2 摘要 阐述 了 以知 识为 基础 的 高 能 效 制造 的 涵义 ， 探 讨 了 在 机床 产 品 开 发及 应 用 中 鼬入 “ 高 能 效 制 造 理 念” ， 以提高资源效用与产 品附加值。开展 高能效制造技术研究将成为机床企业提高 自主创 新能 力 。 增 强其产 品 竞争 力的有 效途 径 。 关键词 低碳节能高能效制造数控机床 De v e l o p me n t Pr o s p e c t o f NC Ma c h i n e T o o l B a s e d o n Hi g h En e r g y e f f i c i e n t Ma n u f a c t u r i n g L I Gu o we i ① ， Z H A N G We i m i n ， S U N Q u n ① C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C H N； C h i n e s e G e r ma n S c h o o l f o r P o s t g r a d u a t e 。 T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C H N Ab s t r a c t Th i s pa p e r fir s t l y d e s c r i b e d k n o wl e d g eb a s e d h i g h e n e r g y e ffic i e n t ma n u f a c t ur i n g，t he n di s c u s s e d h o w t o i mp r o v e hi g h e n e r g y -e ffi c i e n t i n d e v e l o pme n t a n d a p p l i c a t i o n o f NC ma c h i n e t o o l s ，whi c h a i ms t o e n- h a n c e r e s o u r c e u t i l i t y a n d v a l u e a d de d． Re s e a r c h o n h i g h e n e r g ye ffic i e n t ma n u f a c t u r i n g t e c hn o l o g i e s wi l l c o n t r i b u t e t o p r o mo t i n g t h e e n t e r pr i s e’ S i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n c a pa bi l i t y，a n d e n h a n c i n g t h e C O B p e t i t i v e n e s s o f t he i r p r o d uc t s ． Ke ywo r d sLo wc a r b o n En e r g y S a v i n g；Hi g h En e r g y e ffic i e n t ；NC Ma c h i ne To o l 继工业革命 、 信息革命后 ， 改变世界经济的“ 低碳 经济” 止逐步兴起。随着低碳经 济时代的到米 ， 节能 减排从经济发展巾的配角地位 ， 逐步变成未来经济增 长的主角 。在迈向低碳经济时代的进程中， 我国机 床制造企业也面临新的冲击 1 成本上升资源的缺乏和价格 的提高会使企 业现在及将来的生产成本 面临不断加 大， 以及在企业 生产设备中提高资源利用率的压力 ； 2 用户价值取向转移在低碳经 济成为全球焦 点的同时 ， 低能耗 、 高能效产品越来越受到消费者的青 睐 ； 3 国际竞争加剧世界一些发达 国家 以环保构 筑绿色壁垒 ， 无疑增加了国际市场准人难度 ， 污染环境 高耗能产品或被拒之r J 外 ， 或被课以重税制裁 。 在新的挑战面前 ， 机床制造企业 面临两个需要思 考和 待解决的问题 一是如何适应经济增长方式 的 转变 ， 为“ 低碳 经济” 节能减排作 出积极 的贡献 ； 二是 如何在产品中注入更多低碳 的科技元素 ， 以提升 自己 产品的市场竞争力。从发达国家在制造领域对“ 低碳 经济” 的响应 ， 我们可以获得一些有益 的启示 。例如 美国成立 了美 国能效 制造 委员 会 U． S ．C o u n c i l f o r E n e r g y E ffic i e n t Ma n u f a c t u r i n g ， 简称 U． S ． C E E M 旨在 推动美 国工业实施 和实现 国家能源效率政策 ， 通过一 系列措施降低美国制造业的能源强度并指导高级能效 技术 的开发 ； 欧盟推出 了“ 制造未来 ” Ma n u f u t u r e 战略 ， 用知识型制造取代资源型制造 ， 以“ 制造明天 的竞争力” ；德国提出从“ 最少投资获得最大利润 ” 到 “ 最少资源获得最大附加值” 制造理念 的转变 “ Ma x i mu m p r o f i t r e a l i z e d b y mi n i mum f u n d s ” T o ‘ ‘ Ma x i mu m a d d e d v a l u e f r o m mi n i m u m r e s o u r c e s ” 。 我国国家 中长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 2 0 0 6 --2 0 2 0年 在制造业领域的发展思路中明确指 出， 要将制造业资源消耗 、 环境负荷水平降低到国际先 进行列 J 。因此 ， 利用智力资源部分地取代 自然资源 并提高资源利用率 知识经济 的内涵所在 ， 即以知识 为创新源泉 ， 大力发展高能效制造技术 ， 提高自主创新 { 圈家科技 重大专 项项 目 N o ． 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 0 7 2 0 2 ； 德国蒂森 克虏伯基金 资助项 目 卿 羔 综述 s p e c ia I R e p o n s 能力 ， 开发更多高附加值的高档数控机床产品 ， 将成为 我国机床制造企业迎接低碳经济时代来临的必然选 择 。 1 高能效制造的内涵 能源效率简称能效 ，按照物理学的观点 ， 是指在 能源利用中发挥作用 的部分与实际消耗 的能源量之 比； 从消费角度看 ， 是指为终端用户提供的服务与所消 耗的总能源量之比。高能效制造简单来说是在制造过 程中力求 以最少的资源创造最大的价值 ， 即资源效率 最大化 ， 这其 中要结合企业经济利益 、 环境适 应能力 环境可持续发展 以及资源可用性等权重方面的考 虑。因此 ， 高能效制造并不简单等同于节能生产。 强调资源可持续制造的理论和方法还包括绿色制 造及精益管理 生产 。高能效制造与它们的区别在 于 1 绿色制造是一种现代制造模式 ， 主要是从产 品全生命周期的角度 ， 研究绿色材料 、 绿色设计 、 绿色 工艺以及绿色包装等问题 ， 从而达到对环境的影响最 小 ， 资源利用率最高的 目标。而高能效制造是从资源 效用的角度出发 ， 通过对生产过程的优化以及建立 资 源精益管理模式 ， 实现资源效用的最大化 ， 是绿色制造 研究领域中新的研究方向。 2 精益管理 生产 是一种生产管理技术 ， 对其 的研究主要通过优化工艺过程和生产过程 ， 减少资源 的浪费 ， 实现降低成本 、 产生效益的 目标 。而高能效制 造并不等同于节能制造， 力求 以最少 的资源创造最大 的价值即资源效用最大化 ， 是对精益管理 生产 的扩 展和延伸。 高能效制造将从产 品 全生命周期各个 阶段 的资 一 ⋯ 、 、 、 厂 - 源效用评价人手， 从设备优 、 、 、 、 、设备优 ＼ 化 、 过 程 优 化 和 管 理 优 化 这 岛 ，， 麓 ，， ， 3个方面实现高能效制造， 、 簧 墼 ， ／ 如图 1所示。设备优 化主 ， 要是对资源效用低 的设备 图 高能效制造实现策略 进行结 构优化和制造工艺 优化 ； 过程优化是从生产运作层面， 通过合理的生产规 划和生产调度来提高生产过程的资源效用。管理优化 一 方面是 指在企业 内部 通过加 强对生 产过程 的资 源调 度 、 合理组织资源储运和分配等措施来达到提高资源 利用率的目的； 另一方面是以价值链为主线， 通过对产 品全生命周期的成本核算 ， 实现对 中下游资源的有 效规划和管理 ， 达到资源供需均衡 ， 大幅度减少资源闲 置时间， 作业切换时间和库存， 实现高能效制造。 2 面向高能效制造的数控机床开发研究 机床是装备制造业 的工作母机， 是振兴装备制造 业的关键设备 ， 同时还担负着提供低能耗环保产品、 资 源综合利用设备 、 环境保护末端治理及 回收再利用设 备的使命。而在“ 低碳经济” 的背景下， 中低档机床产 品的需求量将进一步缩小， 因此 ， 开发具有高附加值、 高能效数控机床尤为重要 ， 主要从以下几个方面考虑， 研究内容框图如图2所示。 高能效 制造 资源 与环 境约 束下 的评 价体 系 产品设 计融合 能效理 念 轻量化设 计 新结 构、新材 可 再 生 材 料 加工过程 l 能源循 能效控制 l 环利 干切削和 微 量润滑 切削； 刀具增效 能源管理 策 略 用 可回收材 料； 可拆卸零 件； 可回收能 源 高能 效 目 标约 束体 系 设备优化 过程优化 管理优化 知识集成与技术创新平台 图2基于高能效制造的数控机床研究内容 2 ． 1 融入“ 高能效制造理念” 的产品设计 应用绿色制造理论 、 精益管理模式和价值链理论 ， 结合面向高能效制造的资源管理特点， 从资源效用环 境观 、 价值观以及方法论分析进行产品设计。考虑产 品的环境属性 ， 即自然资源的利用效率 、 环境影响及可 拆卸性 、 可同收性 、 可重复利用性等， 并将其作为设计 目标来进行产品设计。 高能 效制造与绿 色制造一样 ， 同样涉及 3个 问 题l 5 J 一是制造问题 ， 贯穿于产品生命周期全过程 ； 二 是环境保护问题 ； 三是资源优化利用问题。将“ 高能 效制造理念” 贯穿于机床的设计 与制造过程 ， 应关注 以下 几个方 面 1 轻量化设计据统计 ， 机床重量的 8 0 ％用于 保证机床的刚度 ， 而实际只有 2 0 ％用于满足机床运动 学的需要 。因此 ， 机床减重节能的潜力很大 ， 可以通过 优化机床结构和采用新材料两个方面使机床在满足刚 度要求 的同时实现轻量化目标。 2 可再生材料的运用采用可再生材料制造主 要零部件 ， 既可以实现循环利用 、 降低成本 ， 也可以保 护环境 ， 实现资源优化利用。 3 通过减轻移动部件重量 、 降低空运转率等措 施使功率消耗减少 3 0 ％ ～ 4 0 ％ 机床高速移动功能 部件轻量化材料的应用 已经成为现代先进高速／ 复合 加工机床的重要发展方向。如 蜂 窝金属材料具有较 等 u ll l 好的轻质 、 降噪以及减振等特点 ， 能够用于机床的移动 部件， 包括滑块 以及移动导轨 等。纤维基增强复合材 料因为具有轻质及高刚性 的特点 ， 能够用 于机床 的床 身支撑结构 ， 如立住 、 导轨以及减速箱箱体 ， 等等。 2 ． 2 融入 “ 高 能效 制造理 念 ” 的加 工过 程 能效控 制 机床加工过程是能源消耗 的主要阶段 ， 分析加工 过程 中潜在的节能环节并通过采用适当的技术措施减 少无意义的资源消耗， 将为机床的节能环保 、 资源的高 效利用发挥积极作用。 1 干切削和微量 润滑切 削液的使用费用高 ， 大约 占加工成本 的 1 0 ％ ～1 5 ％ ， 且使用不 当会对环境 造成污染。通过采用 干切 削或微量润滑 町以降低成 本 、 保护环境 ， 有时还 可以延长刀具寿命。 2 刀具增效采用先进 的刀具 ， 选择合理 的刀 具几何角度和切削参数 ， 可 以大幅度提高切削加工 的 效率 ， 降低切削所需的功率 ， 延长刀具 的寿命 ， 从而达 到以较少的资源消耗获得较大产 出的 目的。 3 加T过程能源管理 对机床加工过程加强能 源管理 ， 正 13益成为机床节能的重要环节 ， 通过在生产 过程中应用在线检测技术 、 智能控制与优化技术 ， 提高 整体效率和节省能源。可从 以下几个方面进行实施 ①开发实时监测系统 ， 及时发现制造过程 中有缺 陷的产品， 避免大量的资源浪费 ； ②减少操作错误或程 序错误 的发生 ， 以避免不必 要的开支以及资源无效利用 ； ③对机床开机 、 生产停顿 、 复机及停机进行合理控 制有着很大的节能作用 ， 用户 可以 自定义数控系统待 机参数 ， 节省能源消耗 ， 也能控制机床在设定的时问进 入工作状态和预热至工作温度 ， 从而节省能源消耗 ； ④减少机器运行期 间的非生产时间 ， 如用预定的 功率值检测非生产时间， 功率下降至预定值 以下时立 即使机床进入休眠状态。 2 ． 3 融入 “ 高能 效制 造理 念” 的能 源循环 利 用 能源循环利用包括在设计过程中尽量使用 町回收 材料 ， 并考虑产品报废后 的可拆卸和易于 回收性 。机 床驱动系统能量 回收也 13益受 到关注 ， 如采用 “ 可回 收能源的” 驱动模块将转动能量 回收并存储在一个储 能器中， 在生产加工过程 中可以重新使用这些存储起 来的能量 ， 根据不 同的加工方式 ， 其 回收再利用的能源 S p e c i a I R e p o r f s综述 不少于 1 ％。此外 ， 基于模块化的可重组设计也使机 床在使用结束后大多数零部件具有可回收性 ， 适应可 持续发展的要求 。 3 结语 中国近 3 0年来持续 的经济增长主要是通过高能 耗 、 高污染 、 低附加值 、 低 劳动效率的要素投入型增长 方式实现的。在全球制造产业链 』 ， 中国只是扮演着 代工角色 ， 处于产业链 的低端 ， 企业利润薄弱 ； 宏观上 使得国家整体上竞争力不强 ， 资 源和能源耗费过 大。 随着经济的发展 ， 中国将逐渐失去赖以发展 的劳动力 成本和资源优势 ， 在现有的资源和环境约束下 ， 已经无 法支撑中国经济延续原有 的增 长模式 。因此充分 利用制造资源 ， 实现高能效制造 ， 实施可持续发展的道 路 ， 是 中国制 造业发 展 的必 由之路 。 作为装备制造业的核心， 机床行业对装备制造业 实现产业结构的现代化转型意义重大 ， 应主动为发展 低碳经济节能减排作 出贡献。同时 ． 开展 以知识 为基 础的高能效制造技术研究 ， 开发高附加值的高档数控 机床产品， 提升 自主创新能力 ， 有助于机床企业在未来 的竞争中占领行业的制高点。 参考文献 1 ．I 低碳经济时代” 加速到来 [ J ／ O L] ．h t t p ／ ／ w w w ． n e w e n e r g y ． o r g ． c n ／ h t ml ／ O 0 9 8 ／ 8 1 2 0 9 2 91 2 7 ． h t m1 ． 2 01 0 2 ] A c h i e v i n g S u p e r i o r E n e r g y P e r f o r ma n c e[ J ／ O [ _ ．h t t p ／ ／ w w w ． s u p e r i o r e n e r g y p e r f o r ma n c e ． n e t ／ a b o u t u s ． h t ml ，2 0 1 0． [ 3 ] 谭惠民 ， 田也壮 ， 张曙．欧盟 制造未来 战略及其启示 [ J ] ．中国制 造业信息化 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 1 1 5 ． [ 4 ] 中华人 民共 和国 国 务院． 国 家中 长期 科学 和 技术 发展 规 划 纲要 2 0 0 6 2 0 2 0年 [ z] ， 2 0 0 6 [ 5 ] 丁江民 ， 赵政东．面 向绿色制造 的数控 车J未没计 技术研 究 [ J ] ．机 械工程与 自动化 ， 2 0 0 7 3 1 6 9 1 7 2 ． 6 ] 张曙．绿色牛态机床[ C ] ． 2 0 0 9年机械制造前瞻性技 术国际论坛论 文集 ， 2 0 0 9 ． [ 7] 孙林 岩 ， 李 刚 ， 等 ． 2 1 f Ij 纪的先进制造 模式一 服 务型制造 [ J ] ．中国 机械 稗 ， 2 0 0 7 ， 1 8 1 9 2 3 0 7 2 3 1 2 第一作者 李国伟 ， 男， 1 9 7 8年生， 博士研 究生 ， 主 要从事制造 系统及 自动化方向的研究。 编 辑余捷 收稿日 期 2 0 1 0 0 9 一 O 1 文章编号 1 l O l 】 5 如果您想发表对本文的看法． 请将文童编号填入读者意见调查表中的相应位置。 书讯 联轴器 、 离合器与制动器设计选用手 册 张展 主编 ， 2 0 0 9年 9月 出版 邮购价 1 0 5 ． 6 0元 本手册采用最新 国家标 准和设 计规范 ， 全 面阐述了各类联轴器 、 离合器和制动器的特点 、 性 能 、 适用 范围及设计 选用方法 ， 并介 绍 了联轴器 、 离合器和制动器的各种新产 品以及安装 、 使用和维护 。本手册 可供各类 机械设计 、 制造 、 研究和教学的有关人员参考。 来款请寄 北 京市朝阳区望京路 4号， 机 床杂志社收 ， 邮编 1 0 0 1 0 2 。 49