機(jī)床的節(jié)能和生態(tài)設(shè)計(jì)的進(jìn)展及展望

       一、高能效的挑戰(zhàn)
       目前人們已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到，地球的物質(zhì)資源再生能力和自?xún)裟芰κ怯邢薜�，在生產(chǎn)和消費(fèi)時(shí)，必須減少排放有毒、有害物質(zhì)和節(jié)約使用不可再生的資源。
       近年來(lái)，通過(guò)對(duì)氣候變化的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然的干擾幾乎是無(wú)可避免的，單靠減少污染和循環(huán)再用遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法解決人與自然的矛盾。關(guān)注環(huán)境友好的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)提到重要日程上來(lái)。
       在可再生能源取得普遍應(yīng)用以前，必須大幅度地提高資源和能源的利用效率，開(kāi)發(fā)高能效（Efficient Energy Use，EEU）產(chǎn)品。研究結(jié)果顯示，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在不少能源浪費(fèi)，制造企業(yè)在不降低生產(chǎn)能力的前提下，還有高達(dá)30%的節(jié)約空間。以德國(guó)為例，據(jù)推算，通過(guò)推廣各種提高能源利用率的創(chuàng)新技術(shù)手段，到2020年，德國(guó)企業(yè)可以不通過(guò)大幅裁員和增加投資，就能夠節(jié)約高達(dá)100億歐元。
       提高能源利用率對(duì)機(jī)床產(chǎn)品特別重要。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，機(jī)床是高耗電設(shè)備，一臺(tái)中型加工中心每年大約耗電35000kW，約等于230臺(tái)電冰箱的能耗，因此降低機(jī)床能耗將產(chǎn)生可觀(guān)的效果。從機(jī)床市場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，目前汽車(chē)制造業(yè)是機(jī)床企業(yè)的主要客戶(hù)，而汽車(chē)行業(yè)在生態(tài)方面的表現(xiàn)正受到社會(huì)廣泛關(guān)注，汽車(chē)制造企業(yè)必然會(huì)將能源利用率作為選購(gòu)機(jī)床設(shè)備的重要指標(biāo)之一。
       日本機(jī)床制造企業(yè)在推動(dòng)機(jī)床能源利用率提升方面步伐領(lǐng)先。早在2008年，日本機(jī)床制造企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始宣傳本企業(yè)產(chǎn)品的節(jié)電和低碳排放特色。日本機(jī)床企業(yè)的理念是“小步快跑”，盡快在產(chǎn)品中加入較為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的節(jié)能功能，甚至如潤(rùn)滑油管理等細(xì)節(jié)措施。
       歐盟機(jī)床企業(yè)在推動(dòng)機(jī)床能源利用率提升方面步伐較謹(jǐn)慎，但更為全面和深入。盡管歐盟機(jī)床企業(yè)并沒(méi)有像日本企業(yè)一樣高調(diào)宣傳產(chǎn)品的能效指標(biāo)，但歐盟政府、高等院校和工業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性工作。例如，歐盟政府開(kāi)展的用能產(chǎn)品（EuP）生態(tài)設(shè)計(jì)指令中機(jī)床類(lèi)產(chǎn)品的評(píng)測(cè)工作和德國(guó)機(jī)床企業(yè)組織的藍(lán)色競(jìng)爭(zhēng)力（Blue Competence）機(jī)床生態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)計(jì)劃等。
       二、提升機(jī)床能效的空間
       機(jī)床產(chǎn)品從制造、使用到棄置的整個(gè)生命周期中，使用階段對(duì)環(huán)境的影響占總影響的94%～99%，各種影響中，機(jī)床耗電所帶來(lái)的溫室氣體排放和碳?xì)淙剂舷�耗占其中主要部分。以金切機(jī)床為例，機(jī)床的各種功能中，主軸、冷卻單元、冷卻、伺服驅(qū)動(dòng)、液壓5個(gè)主要分系統(tǒng)耗用了88%的電力，而耗用的電力中只有25%直接用于切削加工，如圖1所示。可見(jiàn)機(jī)床的能源利用率具有很大的提升空間。

       同時(shí)應(yīng)該指出，加工過(guò)程的能耗不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的數(shù)值，在刀具更換、控制軸啟動(dòng)和停止時(shí)出現(xiàn)峰值。
       為了減少機(jī)床的能耗，不同的用電負(fù)荷可采用不同的節(jié)電措施，例如：
       （1）待機(jī)能耗。指機(jī)床的照明用電、維持壓縮空氣和液壓系統(tǒng)壓力的用電、數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置待機(jī)用電等，即在機(jī)床啟動(dòng)后無(wú)論工作與否均耗用的電力。降低待機(jī)能耗的措施主要是選用耗電更少的功能部件和在非必要待機(jī)時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉電源的部件。
       （2）空載能耗。指機(jī)床執(zhí)行加工循環(huán)但非切削加工時(shí)的負(fù)荷，例如移動(dòng)部件的快速移動(dòng)等。在空載能耗中特別值得關(guān)注的，是主軸電動(dòng)機(jī)在加速和制動(dòng)時(shí)的耗電，主軸電動(dòng)機(jī)在這些瞬間的峰值負(fù)荷遠(yuǎn)比加工負(fù)荷高。改進(jìn)主軸的設(shè)計(jì)，降低加速時(shí)的耗電，以及制動(dòng)時(shí)回收能量等將成為主軸創(chuàng)新的重要內(nèi)容。改進(jìn)換刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，降低運(yùn)動(dòng)慣性，以及減少刀具更換次數(shù)，也可節(jié)約可觀(guān)的能源消耗。
       （3）加工能耗。指機(jī)床在切削加工時(shí)的耗電。通過(guò)采用高效加工，選用高效刀具和合理的切削用量能夠降低單位切削量的能耗，有效地提升機(jī)床的能源利用率。在加工過(guò)程中，數(shù)控軸會(huì)不斷地改變速度和方向，啟動(dòng)和停止，都將出現(xiàn)能耗的峰值。因此，編程方法和路徑對(duì)機(jī)床的能耗有很大的影響。
       綜上所述，提高機(jī)床能效的途徑主要有：①合理地確定各數(shù)控軸的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和功率；②選用高能效的液壓和氣動(dòng)裝置；③提高加工過(guò)程的效率；④借助人機(jī)過(guò)程提高機(jī)床的易操作性；⑤采用LED照明；⑥采用節(jié)省能源的冷卻裝置等，如圖2所示。

      
       三、提高能效的全面解決方案
       德國(guó)力士樂(lè)（Rexroth）公司提出了提高機(jī)床能效的全面解決方案，稱(chēng)之為Four Energy Efficiency—4EE，包括以下4方面：
       （1）采用高能效的部件。例如，效率95%～97%的永磁同步電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，省去機(jī)械傳動(dòng)，從而大幅度提高傳動(dòng)效率，其節(jié)能潛力達(dá)50%。
       （2）能源的再利用。將制動(dòng)期間過(guò)剩的能源儲(chǔ)存起來(lái)。例如，液壓系統(tǒng)采用蓄能器可將部件不運(yùn)動(dòng)時(shí)的液壓能儲(chǔ)存起來(lái)并在短時(shí)間提供大流量的需求，節(jié)能潛力達(dá)80%。
       （3）按需使用能源。即只提供當(dāng)前需要的能源使用量。例如，采用變頻液壓泵和冷卻液泵，可以按需提供流量，節(jié)能潛力達(dá)20%～80%。
       （4）能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)化的總體概況分析（通過(guò)仿真、項(xiàng)目規(guī)劃和咨詢(xún)）以及利用智能控制器實(shí)現(xiàn)工藝流程的最優(yōu)化。例如，Rexroth IndraMotion MTXcta和 MTXega數(shù)控系統(tǒng)可以采集和優(yōu)化以下各項(xiàng)參數(shù)：①機(jī)床每個(gè)動(dòng)作的能耗；②輔助裝置的能源需求；③驅(qū)動(dòng)和控制參數(shù)；④工作循環(huán)時(shí)間；⑤標(biāo)準(zhǔn)宏程序；⑥加工參數(shù)等。
       力士樂(lè)公司新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)分析工具：IntdaMotion MTXcta（運(yùn)動(dòng)循環(huán)分析）和 MTXega（運(yùn)動(dòng)能耗分析）可同時(shí)對(duì)機(jī)床工作循環(huán)和能耗進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)程序塊運(yùn)行時(shí)間和能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，優(yōu)化和監(jiān)測(cè)數(shù)控程序。
       實(shí)驗(yàn)證明，數(shù)控機(jī)床的程序編制對(duì)能耗有很大的影響，特別是加工復(fù)雜曲面時(shí)的節(jié)能潛力達(dá)60%。例如采用：①Jerk系數(shù)較小的速度控制；②曲線(xiàn)插補(bǔ)；③自動(dòng)或曲線(xiàn)為基礎(chǔ)的圓角軌跡控制；④快速移動(dòng)的緩沖；⑤沒(méi)有速度損失的程序塊轉(zhuǎn)換；⑥利用曲線(xiàn)和斜坡功能都能夠產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。
       四、高能效機(jī)床的案例
       1、Chiron DZ12K加工中心
       德國(guó)巨浪（Chiron）公司的Magnum DZ12K加工中心是全面采用節(jié)能措施的創(chuàng)新產(chǎn)品，其配置特點(diǎn)是雙主軸、搖籃式雙擺工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工件的5軸聯(lián)動(dòng)加工。雖然由于雙主軸加工中心較單主軸機(jī)床昂貴，在用戶(hù)的設(shè)備投資方面可能增加30%，但雙主軸加工中心的主要功能和輔助功能的能效高、占地少、加工路線(xiàn)短，這些特點(diǎn)使加工時(shí)間縮短40%以上，加工成本降低25％～30%以上，同時(shí)帶來(lái)節(jié)能40%的優(yōu)異成績(jī)。
       DZ12K除了雙主軸設(shè)計(jì)特點(diǎn)外，還采用了大量針對(duì)降低液壓裝置的能耗和制動(dòng)能量回收的節(jié)能措施：
       （1）主軸和進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)配置制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電力。
       （2）控制系統(tǒng)和變壓器采用高能效設(shè)計(jì)。
       （3）液壓系統(tǒng)配置蓄能器和水冷裝置，在保證峰值輸出之余，降低增壓泵所需的功率。液壓元件也盡量采用低能耗設(shè)計(jì)產(chǎn)品。例如，能耗降低60%的變頻增壓泵和小功率（8Ｗ）的閥門(mén)。
       （4）機(jī)床的氣動(dòng)部分配置了巨浪公司開(kāi)發(fā)的Powersafe系統(tǒng)，在待機(jī)期間或工件裝夾完成鎖定后，自動(dòng)關(guān)閉非必要的耗電元件，并在需要換刀、解鎖等動(dòng)作前自動(dòng)重新供電，節(jié)約多達(dá)80%的電力。
       此外，巨浪公司的DZ08FX雙主軸加工中心在縮短加工時(shí)間和提高表面質(zhì)量方面表現(xiàn)也非常卓越。該機(jī)床在諸多方面都領(lǐng)先于同類(lèi)設(shè)備：雙主軸設(shè)計(jì)，最小的占地面積，成倍提高效率，并且節(jié)能超過(guò)40％。
       2、Index R200加工中心
       要提高機(jī)床的能源利用率，除了降低機(jī)床的能源輸入以外，還可以通過(guò)從機(jī)床回收剩余能源，從而降低機(jī)床的凈能耗。德國(guó)因代克斯（INDEX）公司的R200車(chē)銑加工中心就是高能效機(jī)床和熱管理系統(tǒng)的代表。
       INDEX R200車(chē)銑加工中心提高能效的措施有：①為降低能耗和提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)一步優(yōu)化了機(jī)床部件重量；②通過(guò)能量再生裝置回收能量；③根據(jù)用戶(hù)確定的時(shí)間，關(guān)閉耗能較大的能源裝置（待機(jī)模式）；④采用優(yōu)化匹配的材料和小摩擦系數(shù)的軸承；⑤采用智能化冷卻原理，對(duì)機(jī)床按照預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行冷卻，經(jīng)濟(jì)地使用廢熱。
       INDEX公司的冷卻新方法確保車(chē)銑和銑削主軸、液壓系統(tǒng)和電控制柜獲得不斷冷卻，將機(jī)床運(yùn)行中所產(chǎn)生的各種廢熱收集，通過(guò)熱管理器變?yōu)闊崴�，用�?hù)可將多臺(tái)INDEX機(jī)床的熱水集中用于車(chē)間供暖或其他需要熱源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將無(wú)效能源回收利用。
       3、IMO-SPACE組合機(jī)床
       回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組合機(jī)床一般加工的工件特征尺寸較小，但對(duì)尺寸精度要求較高，因此對(duì)機(jī)床的熱穩(wěn)定性要求非常嚴(yán)格。瑞士Imoberdorf公司的新一代IMO-SPACE回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組合機(jī)床采用全密封式設(shè)計(jì)，減少車(chē)間氣溫變化對(duì)機(jī)床造成的干擾。該機(jī)床除了傳統(tǒng)的切削液冷卻系統(tǒng)外，還裝設(shè)了機(jī)床內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)一步穩(wěn)定加工區(qū)域的溫度。機(jī)床的電器柜、主軸、導(dǎo)軌、切屑、潤(rùn)滑冷卻液等的冷卻器均要耗用電力，冷卻排除的廢熱也會(huì)令車(chē)間升溫，需要耗費(fèi)額外的空調(diào)用電。
       瑞士Imoberdorf公司的熱管理系統(tǒng)為妥善解決機(jī)床生態(tài)管理方面提供了出路，該系統(tǒng)以水為工作媒介，將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組合機(jī)床各部分產(chǎn)生的熱量排到車(chē)間外的大氣中。在夏季時(shí)，可降低車(chē)間空調(diào)用電的消耗；在冬季，則可將熱量用于加熱車(chē)間空氣，減少供暖的開(kāi)支，從而帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)測(cè)算，節(jié)約購(gòu)置車(chē)間空調(diào)設(shè)備投資41000歐元，年節(jié)約空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)40000歐元。
       五、結(jié)語(yǔ)與展望
       在生產(chǎn)中如何提高能源和資源的效率已日益受到重視。機(jī)床的節(jié)能和生態(tài)設(shè)計(jì)面很廣，通過(guò)移動(dòng)部件結(jié)構(gòu)的輕量化，減小驅(qū)動(dòng)功率；采取新型換刀機(jī)構(gòu)，諸如籃式、盤(pán)式小慣性的刀庫(kù)都是節(jié)能的新途徑，有待于進(jìn)一步探索和開(kāi)發(fā)。 本文篇幅有限，沒(méi)有加以深入闡述。
       機(jī)床采用的各種節(jié)能措施中，選配蓄能器、高能效元器件等比較適合我國(guó)中小機(jī)床制造企業(yè)實(shí)施。主軸和驅(qū)動(dòng)制動(dòng)能回饋系統(tǒng)一般由數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)，如海德漢、力士樂(lè)、西門(mén)子都有相應(yīng)的模塊可以提供，機(jī)床制造企業(yè)也可根據(jù)需要配置。但熱管理系統(tǒng)和巨浪 Powersafe一類(lèi)的措施，需要機(jī)床企業(yè)自行整合與機(jī)床產(chǎn)品相關(guān)的各機(jī)電子系統(tǒng)，只有技術(shù)力量較強(qiáng)的機(jī)床制造企業(yè)才能染指。
       未來(lái)歐盟市場(chǎng)對(duì)我國(guó)機(jī)床產(chǎn)品出口的重要性將還會(huì)繼續(xù)提升。隨著歐盟用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)指令的實(shí)施，機(jī)床產(chǎn)品能效問(wèn)題定必成為新的熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)機(jī)床企業(yè)要走出國(guó)門(mén)，必須跨過(guò)能效這一門(mén)檻，才能滿(mǎn)足歐盟有關(guān)指令的要求。