機床的節(jié)能和生態(tài)設計的進展及展望

       一、高能效的挑戰(zhàn)
       目前人們已經(jīng)普遍認識到，地球的物質(zhì)資源再生能力和自凈能力是有限的，在生產(chǎn)和消費時，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，通過對氣候變化的研究進一步發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟活動對自然的干擾幾乎是無可避免的，單靠減少污染和循環(huán)再用遠遠無法解決人與自然的矛盾。關注環(huán)境友好的產(chǎn)品生態(tài)設計已經(jīng)提到重要日程上來。
       在可再生能源取得普遍應用以前，必須大幅度地提高資源和能源的利用效率，開發(fā)高能效（Efficient Energy Use，EEU）產(chǎn)品。研究結(jié)果顯示，工業(yè)生產(chǎn)過程中存在不少能源浪費，制造企業(yè)在不降低生產(chǎn)能力的前提下，還有高達30%的節(jié)約空間。以德國為例，據(jù)推算，通過推廣各種提高能源利用率的創(chuàng)新技術(shù)手段，到2020年，德國企業(yè)可以不通過大幅裁員和增加投資，就能夠節(jié)約高達100億歐元。
       提高能源利用率對機床產(chǎn)品特別重要。從社會經(jīng)濟的角度來說，機床是高耗電設備，一臺中型加工中心每年大約耗電35000kW，約等于230臺電冰箱的能耗，因此降低機床能耗將產(chǎn)生可觀的效果。從機床市場角度來說，目前汽車制造業(yè)是機床企業(yè)的主要客戶，而汽車行業(yè)在生態(tài)方面的表現(xiàn)正受到社會廣泛關注，汽車制造企業(yè)必然會將能源利用率作為選購機床設備的重要指標之一。
       日本機床制造企業(yè)在推動機床能源利用率提升方面步伐領先。早在2008年，日本機床制造企業(yè)已經(jīng)開始宣傳本企業(yè)產(chǎn)品的節(jié)電和低碳排放特色。日本機床企業(yè)的理念是“小步快跑”，盡快在產(chǎn)品中加入較為簡單、易于實現(xiàn)的節(jié)能功能，甚至如潤滑油管理等細節(jié)措施。
       歐盟機床企業(yè)在推動機床能源利用率提升方面步伐較謹慎，但更為全面和深入。盡管歐盟機床企業(yè)并沒有像日本企業(yè)一樣高調(diào)宣傳產(chǎn)品的能效指標，但歐盟政府、高等院校和工業(yè)界已經(jīng)進行了大量的基礎性工作。例如，歐盟政府開展的用能產(chǎn)品（EuP）生態(tài)設計指令中機床類產(chǎn)品的評測工作和德國機床企業(yè)組織的藍色競爭力（Blue Competence）機床生態(tài)設計技術(shù)研發(fā)計劃等。
       二、提升機床能效的空間
       機床產(chǎn)品從制造、使用到棄置的整個生命周期中，使用階段對環(huán)境的影響占總影響的94%～99%，各種影響中，機床耗電所帶來的溫室氣體排放和碳氫燃料消耗占其中主要部分。以金切機床為例，機床的各種功能中，主軸、冷卻單元、冷卻、伺服驅(qū)動、液壓5個主要分系統(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�？梢姍C床的能源利用率具有很大的提升空間。

       同時應該指出，加工過程的能耗不是一個穩(wěn)態(tài)的數(shù)值，在刀具更換、控制軸啟動和停止時出現(xiàn)峰值。
       為了減少機床的能耗，不同的用電負荷可采用不同的節(jié)電措施，例如：
       （1）待機能耗。指機床的照明用電、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)動裝置待機用電等，即在機床啟動后無論工作與否均耗用的電力。降低待機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時能夠自動關閉電源的部件。
       （2）空載能耗。指機床執(zhí)行加工循環(huán)但非切削加工時的負荷，例如移動部件的快速移動等。在空載能耗中特別值得關注的，是主軸電動機在加速和制動時的耗電，主軸電動機在這些瞬間的峰值負荷遠比加工負荷高。改進主軸的設計，降低加速時的耗電，以及制動時回收能量等將成為主軸創(chuàng)新的重要內(nèi)容。改進換刀機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，降低運動慣性，以及減少刀具更換次數(shù)，也可節(jié)約可觀的能源消耗。
       （3）加工能耗。指機床在切削加工時的耗電。通過采用高效加工，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，有效地提升機床的能源利用率。在加工過程中，數(shù)控軸會不斷地改變速度和方向，啟動和停止，都將出現(xiàn)能耗的峰值。因此，編程方法和路徑對機床的能耗有很大的影響。
       綜上所述，提高機床能效的途徑主要有：①合理地確定各數(shù)控軸的電動機類型和功率；②選用高能效的液壓和氣動裝置；③提高加工過程的效率；④借助人機過程提高機床的易操作性；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
       德國力士樂（Rexroth）公司提出了提高機床能效的全面解決方案，稱之為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%的永磁同步電動機、直線電動機和力矩電動機等直接驅(qū)動技術(shù)，省去機械傳動，從而大幅度提高傳動效率，其節(jié)能潛力達50%。
       （2）能源的再利用。將制動期間過剩的能源儲存起來。例如，液壓系統(tǒng)采用蓄能器可將部件不運動時的液壓能儲存起來并在短時間提供大流量的需求，節(jié)能潛力達80%。
       （3）按需使用能源。即只提供當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20%～80%。
       （4）能源系統(tǒng)的設計。包括系統(tǒng)化的總體概況分析（通過仿真、項目規(guī)劃和咨詢）以及利用智能控制器實現(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)化以下各項參數(shù)：①機床每個動作的能耗；②輔助裝置的能源需求；③驅(qū)動和控制參數(shù)；④工作循環(huán)時間；⑤標準宏程序；⑥加工參數(shù)等。
       力士樂公司新開發(fā)的系統(tǒng)分析工具：IntdaMotion MTXcta（運動循環(huán)分析）和 MTXega（運動能耗分析）可同時對機床工作循環(huán)和能耗進行優(yōu)化。對程序塊運行時間和能耗進行實時測量，優(yōu)化和監(jiān)測數(shù)控程序。
       實驗證明，數(shù)控機床的程序編制對能耗有很大的影響，特別是加工復雜曲面時的節(jié)能潛力達60%。例如采用：①Jerk系數(shù)較小的速度控制；②曲線插補；③自動或曲線為基礎的圓角軌跡控制；④快速移動的緩沖；⑤沒有速度損失的程序塊轉(zhuǎn)換；⑥利用曲線和斜坡功能都能夠產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。
       四、高能效機床的案例
       1、Chiron DZ12K加工中心
       德國巨浪（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，其配置特點是雙主軸、搖籃式雙擺工作臺，可實現(xiàn)兩個工件的5軸聯(lián)動加工。雖然由于雙主軸加工中心較單主軸機床昂貴，在用戶的設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、加工路線短，這些特點使加工時間縮短40%以上，加工成本降低25％～30%以上，同時帶來節(jié)能40%的優(yōu)異成績。
       DZ12K除了雙主軸設計特點外，還采用了大量針對降低液壓裝置的能耗和制動能量回收的節(jié)能措施：
       （1）主軸和進給伺服電動機配置制動能量回饋系統(tǒng)，將動能轉(zhuǎn)換為電力。
       （2）控制系統(tǒng)和變壓器采用高能效設計。
       （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計產(chǎn)品。例如，能耗降低60%的變頻增壓泵和小功率（8Ｗ）的閥門。
       （4）機床的氣動部分配置了巨浪公司開發(fā)的Powersafe系統(tǒng)，在待機期間或工件裝夾完成鎖定后，自動關閉非必要的耗電元件，并在需要換刀、解鎖等動作前自動重新供電，節(jié)約多達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間和提高表面質(zhì)量方面表現(xiàn)也非常卓越。該機床在諸多方面都領先于同類設備：雙主軸設計，最小的占地面積，成倍提高效率，并且節(jié)能超過40％。
       2、Index R200加工中心
       要提高機床的能源利用率，除了降低機床的能源輸入以外，還可以通過從機床回收剩余能源，從而降低機床的凈能耗。德國因代克斯（INDEX）公司的R200車銑加工中心就是高能效機床和熱管理系統(tǒng)的代表。
       INDEX R200車銑加工中心提高能效的措施有：①為降低能耗和提高動態(tài)響應特性，進一步優(yōu)化了機床部件重量；②通過能量再生裝置回收能量；③根據(jù)用戶確定的時間，關閉耗能較大的能源裝置（待機模式）；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，對機床按照預定的目標進行冷卻，經(jīng)濟地使用廢熱。
       INDEX公司的冷卻新方法確保車銑和銑削主軸、液壓系統(tǒng)和電控制柜獲得不斷冷卻，將機床運行中所產(chǎn)生的各種廢熱收集，通過熱管理器變?yōu)闊崴�，用戶可將多臺INDEX機床的熱水集中用于車間供暖或其他需要熱源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將無效能源回收利用。
       3、IMO-SPACE組合機床
       回轉(zhuǎn)工作臺組合機床一般加工的工件特征尺寸較小，但對尺寸精度要求較高，因此對機床的熱穩(wěn)定性要求非常嚴格。瑞士Imoberdorf公司的新一代IMO-SPACE回轉(zhuǎn)工作臺組合機床采用全密封式設計，減少車間氣溫變化對機床造成的干擾。該機床除了傳統(tǒng)的切削液冷卻系統(tǒng)外，還裝設了機床內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)，進一步穩(wěn)定加工區(qū)域的溫度。機床的電器柜、主軸、導軌、切屑、潤滑冷卻液等的冷卻器均要耗用電力，冷卻排除的廢熱也會令車間升溫，需要耗費額外的空調(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)工作臺組合機床各部分產(chǎn)生的熱量排到車間外的大氣中。在夏季時，可降低車間空調(diào)用電的消耗；在冬季，則可將熱量用于加熱車間空氣，減少供暖的開支，從而帶來可觀的經(jīng)濟效益。據(jù)測算，節(jié)約購置車間空調(diào)設備投資41000歐元，年節(jié)約空調(diào)運行費用高達40000歐元。
       五、結(jié)語與展望
       在生產(chǎn)中如何提高能源和資源的效率已日益受到重視。機床的節(jié)能和生態(tài)設計面很廣，通過移動部件結(jié)構(gòu)的輕量化，減小驅(qū)動功率；采取新型換刀機構(gòu)，諸如籃式、盤式小慣性的刀庫都是節(jié)能的新途徑，有待于進一步探索和開發(fā)。 本文篇幅有限，沒有加以深入闡述。
       機床采用的各種節(jié)能措施中，選配蓄能器、高能效元器件等比較適合我國中小機床制造企業(yè)實施。主軸和驅(qū)動制動能回饋系統(tǒng)一般由數(shù)控系統(tǒng)供應商開發(fā)，如海德漢、力士樂、西門子都有相應的模塊可以提供，機床制造企業(yè)也可根據(jù)需要配置。但熱管理系統(tǒng)和巨浪 Powersafe一類的措施，需要機床企業(yè)自行整合與機床產(chǎn)品相關的各機電子系統(tǒng)，只有技術(shù)力量較強的機床制造企業(yè)才能染指。
       未來歐盟市場對我國機床產(chǎn)品出口的重要性將還會繼續(xù)提升。隨著歐盟用能產(chǎn)品生態(tài)設計指令的實施，機床產(chǎn)品能效問題定必成為新的熱點和競爭力。我國機床企業(yè)要走出國門，必須跨過能效這一門檻，才能滿足歐盟有關指令的要求。