機床的節能和生態設計

張 曙 衛漢華 張炳生

1 高能效的挑戰

目前人們已經普遍認識到，地球的物質資源再生能力和自凈能力是有限的，在生產和消費時，必須減少排放有毒、有害物質和節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現，經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再用遠遠無法解決人與自然的矛盾。關注環境友好的產品生態設計已經提到重要日程上來。

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，開發高能效（Efficient Energy Use，EEU）產品。研究結果顯示，工業生產過程中存在不少能源浪費，制造企業在不降低生產能力的前提下，還有高達30%的節約空間。以德國為例，據推算，通過推廣各種提高能源利用率的創新技術手段，到2020年，德國企業可以不通過大幅裁員和增加投資，就能夠節約高達100億歐元。

提高能源利用率對機床產品特別重要。從社會經濟的角度來說，機床是高耗電設備，一臺中型加工中心每年大約耗電35 000 kW，約等于230臺電冰箱的能耗，因此降低機床能耗將產生可觀的效果。從機床市場角度來說，目前汽車制造業是機床企業的主要客戶，而汽車行業在生態方面的表現正受到社會廣泛關注，汽車制造企業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，日本機床制造企業已經開始宣傳本企業產品的節電和低碳排放特色。日本機床企業的理念是“小步快跑”，盡快在產品中加入較為簡單、易于實現的節能功能，甚至如潤滑油管理等細節措施。

歐盟機床企業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。盡管歐盟機床企業并沒有像日本企業一樣高調宣傳產品的能效指標，但歐盟政府、高等院校和工業界已經進行了大量的基礎性工作。例如，歐盟政府開展的用能產品（EuP）生態設計指令中機床類產品的評測工作和德國機床企業組織的藍色競爭力（Blue Competence）機床生態設計技術研發計劃等。

2 提升機床能效的空間

機床產品從制造、使用到棄置的整個生命周期中，使用階段對環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、伺服驅動、液壓5個主要分系統耗用了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態的數值，在刀具更換、控制軸啟動、停止時出現峰值，如圖2所示。

為了減少機床的能耗，不同的用電負荷可采用不同的節電措施，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壓力的用電，數控系統和驅動裝置待機用電等，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。指機床執行加工循環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新的重要內容。改進換刀機構的結構，降低運動慣性，以及減少刀具更換次數，也可節約可觀的能源消耗。

（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，數控軸會不斷地改變速度和方向，啟動和停止，都將出現能耗的峰值。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采用節省能源的冷卻裝置等，如圖3所示。

3 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動技術，省去機械傳動，從而大幅度提高傳動效率，其節能潛力達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，節能潛力達80%，如圖4所示。

（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，節能潛力達20%～80%，高能效液壓系統用于鏜床的案例如圖4所示。

（4）能源系統的設計。包括系統化的總體概況分析（通過仿真、項目規劃和咨詢）以及利用智能控制器實現工藝流程的最優化。例如，Rexroth IndraMotion MTXcta和 MTXega數控系統可以采集和優化以下各項參數：①機床每個動作的能耗；②輔助裝置的能源需求；③驅動和控制參數；④工作循環時間；⑤標準宏程序；⑥加工參數等。

力士樂公司新開發的系統分析工具：IntdaMotion MTXcta（運動循環分析）和 MTXega（運動能耗分析）可同時對機床工作循環和能耗進行優化。對程序塊運行時間和能耗進行實時測量，優化和監測數控程序。

實驗證明，數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能潛力達60%。例如采用：①Jerk系數較小的速度控制；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換；⑥利用曲線和斜坡功能都能夠產生明顯的節能效果。

4 高能效機床的案例

4.1 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能措施的創新產品，其外觀如圖5所示。

DZ12K加工中心的配置特點是雙主軸、搖籃式雙擺工作臺，可實現兩個工件的5軸聯動加工。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，同時帶來節能40%的優異成績，其綜合效益如圖6所示。

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能措施：

（1）主軸和進給伺服電動機配置制動能量回饋系統，將動能轉換為電力。

（2）控制系統和變壓器采用高能效設計。

（3）液壓系統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的Powersafe系統，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，節約多達80%的電力。

此外，巨浪公司的DZ08 FX雙主軸加工中心在縮短加工時間和提高表面質量方面表現也非常卓越。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，并且節能超過40%。

4.2 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的代表，其外觀如圖7所示。

INDEX R200車銑加工中心的提高能效的措施有：①為降低能耗和提高動態響應特性，進一步優化了機床部件重量；②通過能量再生裝置回收能量；③根據用戶確定的時間，關閉耗能較大的能源裝置（待機模式）；④采用優化匹配的材料和小摩擦系數的軸承；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、液壓系統和電控制柜獲得不斷冷卻，將機床運行中所

產生的各種廢熱收集，通過熱管理器變為熱水，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環節，將無效能源回收利用，如圖8所示。

4.3 IMO-SPACE組合機床

回轉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，因此機床的熱穩定性要求非常嚴格。瑞士Imoberdorf公司的新一代IMO-SPACE回轉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。該機床除了傳統的切削液冷卻系統外，還裝設了機床內部空調系統，進一步穩定加工區域的溫度。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用電。

瑞士Imoberdorf公司的熱管理系統，為妥善解決機床生態管理方面提供了出路。IMO-SPACE回轉工作臺組合機床和熱管理系統的外觀如圖9所示。

IMO-SPACE熱管理系統的原理如圖10所示，該系統以水為工作媒介，將回轉工作臺組合機床各部分產生的熱量排出車間外的大氣中。在夏季時，可降低車間空調用電的消耗；在冬季，則可將熱量用于加熱車間空氣，減少供暖的開支，從而帶來可觀的經濟效益。據測算，節約購置車間空調設備投資41 000歐元，年節約空調運行費用高達40 000歐元。

5 結語與展望

在生產中如何提高能源和資源的效率開始日益受到重視。機床的節能和生態設計面很廣，通過移動部件結構的輕量化，減小驅動功率；采取新型換刀機構，諸如籃式、盤式小慣性的刀庫都是節能的新途徑，有待于進一步探索和開發。 本文篇幅有限，沒有加以深入闡述。

機床采用的各種節能措施中，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實施。主軸和驅動制動能回饋系統一般由數控系統供應商開發，如海德漢、力士樂、西門子都有相應的模塊可以提供，機床制造企業也可根據需要配置。但熱管理系統和巨浪 Powersafe一類的措施，需要機床企業自行整合機床產品相關的各機電子系統，只有技術力量較強的機床制造企業才能染指。

未來歐盟市場對我國機床產品出口的重要性將還會繼續提升。隨著歐盟用能產品生態設計指令的實施，機床產品能效問題定必成為新的熱點和競爭力。我國機床企業要走出國門，必須跨過能效這一門檻，才能滿足歐盟有關指令的要求。