机床的生态设计

机床的生态设计Eco designofMachines 上海市科技功臣全国优秀科技工作者中国机械工程学会荣誉理事香港理工大学客座教授张曙 面临的严峻挑战GreatChallenges 当前的环境危机 CO2排放过多 产生温室效应 使全球气候变暖 破坏了生态平衡 CO2破坏臭氧层 紫外线过强 影响人类健康 SO2的排放造成酸雨 严重影响农业生产 酸雨破坏了森林植被 森林减少 草原退化 沙漠扩大 沙尘暴频繁 工业废水排放造成江河水质污染 过多向大海排放废弃物 造成海洋污染严重 每年5000万吨危险废物向发展中国家转移 环境是人类赖以生存的空间 人类对资源只知道索取 不注意节约和回收 对污染只知道排放 不注意预防和治理 威胁着人类的生存 发展中国家大约一半病人的病因是由于水质问题和农牧渔产品不合格和有害物超标引起的 世界上约有15亿人口 主要是发展中国家 居住地区的空气质量达不到国际标准 人类经济活动索取资源的速度超过了资源本身的再生速度 人类排放废弃物的数量超过了环境的自净能力 人类还能够生存多久 工业废气废水汽车和飞机的废气 可怕的酸雨 城市垃圾 太湖蓝藻无锡居民无水可用 从 黑色发展 到 绿色发展 自然资源面临枯竭 使用产品 制造 是把原料转化为产品的过程 循环经济是物质和知识同时处理的过程 这种模式必须改变 废气 废水零排放每道工序的废弃物都是其他产品的原料 资源循环ReduceReuseRecycle 使用安全可重组易操作易维修易回收 GDP没有扣除环境污染和资源浪费所造成的损失 片面追求GDP是有害的 今天的发展不能透支未来 局部的发展不能损害全局 工业发展不能损害农业发展 不从科学角度谈发展 不从持续角度谈发展 不从全局角度谈发展 是可怕的发展 必须重视经济 社会 资源和环境的和谐程度 树立正确的科学发展观 可持续发展与环境保护 制定可持续发展的工业生产和消费政策 加强环境监督 有效保护环境 维持生态平衡 限制高污染企业建设 摒弃传统生产技术 鼓励采用节能减排的新技术 新设备 新工艺 大力推进产品的回收 重用和再制造 管好产品的后半生 发展和推广再生能源 只有可持续发展才能保持经济和就业的高水平和稳定的增长 实现和谐社会的宏伟目标 环境保护的四个阶段 解决环境问题的四个阶段 无所作为 任其自然 无组织排放废弃物 末端治理 对废弃物进行处理后再排放 综合治理 从末端治理转向全过程控制 可持续发展 采用清洁生产方式 促进环境与经济的协调发展 追求人与自然的和谐 生态设计与法规Eco designandRules 什么是生态设计 生态设计是环境和产品相结合的设计 考虑 能源的消耗量 对水源 空气和土壤的污染排放 噪音 振动 放射性和电磁场产生的污染 废弃物的产生和处理 重复使用 再生利用 回收 生态设计是面向产品全生命周期的设计 目的是提高产品的环境性能 降低环境负荷 生态设计首先意味着 设计 生态设计 在产品的设计研发过程中 不光要考虑到技术标准和其经济要求 环境标准也是其重要参考因素 主要目标 旨在保证产品使用能力的同时减少中对环境造成的影响 产品的生命周期设计 设计和制造工作流的绿色化面向环境和回收的设计 全生命周期的产品数据管理 产品生命周期的管理 产品的远程服务和技术支持产品使用的新概念和新方法 回收方法和回收的经济性废弃指南和废弃物管理 开发计划 概念设计 生产 产品设计和评价 制造计划 销售 使用 维修 废弃和再造 德国设计标准 VDI2243 德国早在1992年就制定了VDI2243标准 为设计师提供面向回收的现代设计方法 VDI2243设计标准主要包括 过于回收的简介 生产废弃物的产生 回收和设计规程 产品回收的目的 过程和设计规程 材料和废弃物回收的目的 过程和设计规程 设计标准的应用 欧盟法规的演化 ECRegulation1907 2006 REACH2006 94 62 EEC Packagingandpackagingwaste1994 2002 95 ECRoHS2002 96 ECWEEE2002 2005 32 EC EuP2005 包装和包装废弃物 1994 用电产品2005 化学产品2006 电子产品2002 2010年什么标准 下一代生产系统NextGenerationProductionSystem 下一代生产系统 为了提高欧洲制造业明天的竞争力 欧共体资助由欧洲机床协会 制造厂家 科研院所 最终用户和银行等9个国家25家单位合作 进行 下一代生产系统 的研究 项目经费高达2400万欧元 西班牙Fatronik公司担任项目负责人 为期4年 2005 2009 五项内容 绿色机床 以用户导向的智能机床 高效加工过程 新的业务模式和新的培训方法 项目的使命 领域1 绿色 生态 机床 用户导向的聪明机床 领域5 领域2 领域3 领域4 突破性的制造过程 新的经济活动领域 新的业务模式 新的培训模式 生产过程 进行关键技术的研究使每一领域都能够有所突破 保持协调 监控测量 自适应技术 新材料 新结构 控制系统 建模仿真 各领域的关键技术实施 各领域的专题培训 项目将提高 机床的设计 制造 使用和废弃全过程绿色度使用者的生活质量 工作条件 安全和健康欧洲制造业的竞争力以及推广新的业务模式制造业对社会的贡献率 下一代生产系统NextGenerationProductionSystem 将惠及欧共体所有生产系统的制造商和最终用户 特别是中小型企业 生态机床EcoEfficientMachineTools ECOFIT 生态机床 ECOFIT 生态效益机床 是欧共体资助的另一个项目 由德国 意大利 西班牙和捷克4国的制造厂 科研院所和最终用户9家合作 西班牙Fatronik公司担任项目负责人 为期3年 2005 2008 目标是通过大幅度降低机床重量和减少所需功率以及借助控制技术来补偿刚度下降的方法来构建生态机床 Eco efficientMachine tool ECOFIT的目标 提出一种全新的机床轻量化的概念 大幅度减少机床的重量 节省材料 从而降低机床使用时的能源消耗 合理利用资源 可持续发展 传统的机床设计理念是 只有足够的刚度才能保证加工精度 提高刚度就必须增加机床重量 因此机床重量的80 用于 保证 机床的刚度 而只有20 用于满足机床运动学的需要 本项目的目标就是在保证机床的刚度的前提下大幅度减少机床的重量 目标 能源材料 策略1 机床重量 可能导致 机床刚度 策略2 自适应控制 同样的精度和生产率 自适应补偿 较高的精度和生产率 共同目标 力求生产系统的环境负荷最小化 绿色机床 提高生产系统的可靠性和绩效 聪明机床 提高生产系统的独立自主性以及与使用者的交互能力 e 机床 研发机电一体化的 硬件和软件集成的 仿真技术 提高机床的利用率 虚拟机床 环境负荷的评价EvaluateEnvironmentImpacts 评价体系的内涵 如何衡量机床的环境友好程度 建立不同条件下的环境负荷测度 哪种技术更加环境友好 寻找对环境负荷少的技术 减少污染 什么样的过程参数更加环境友好 对机床进行 环境优化 降低环境负荷 生产率对环境有什么影响 提高生产率就意味减少环境负荷 产品生命周期评估 LCA 是指从原材料获取 产品的生产 使用直至废弃对环境的影响 PRe公司为荷兰政府开发了 Eco indicator 99 软件 被许多企业设计产品时所采用 生态指标 量化了产品原材料 生产 运输和能源消耗及废弃物处理对环境的负面影响 例如 自行车车架从低合金钢改为铝合金 生态指标从770下降到420mpt 改进了环保性 产品设计的生态评估 产品生命周期 使用成本 废弃物处理和环境污染成本 总成本 制造成本 忽视高昂的社会成本 例如 塑料袋的制造使用成本很低 而社会成本很高 机床的生态指数 Eco Indicator99产品环境负荷评价体系 现已被国际标准组织采纳 可用于各类产品 通过建立产品的生命周期环境负荷定量分析模型 按照一定的环境机制对产品进行分类 组分和权重分析 得出产品的环境生态指数 通过分析产品中使用的各种材料和生命周期中各个过程的环境生态指数 可以定量地得出各种材料和过程对环境负荷的相对程度 设计 制造 使用 废弃 生态指数 材料 运输 加工 能耗 废弃 采用Eco Indicator99方法进行评价 范例 采用再生材料制造机床零件研究再生材料生产机床零件的工艺 生态指数计算举例 步骤1确定参数 材料类型加工方法能耗运输 步骤2参数量化 材料重量kg切除量dm3电能kWh运量t km 步骤3生态指数 材料mP kg加工mP dm3能耗mP kWh运输mp t km 步骤4计算结果 材料mP加工mP能耗mP运输mp 铸铁滑枕的环境负荷 铝合金滑枕的环境负荷 产品生命周期的不同阶段 生产 废弃 总计 59262mP 89086mP 12784m点 68632mP 46784mP 20454mP 绿色机床的设计GreenMachineDesign 绿色机床的愿景 从整个机床生命周期内审视 机床零部件由再生材料制造 机床的重量和体积减少40 以上 功率消耗减少30 40 通过减轻移动质量 降低空运转功率等 使用过程的废弃物减少50 60 报废机床的材料100 可回收 机床功率的分配案例 机床总功率电动机的损耗辅助装置 液压 冷却等 的功率空运转功率加工过程中的损耗 如摩擦等 用于加工过程的功率 能效指标有待提高 传统材料 轻量化设计 以铁碳为基础的钢铁材料具有良好的机械性能 且价格便宜 采用新型轻结构 并借助有限元和拓扑优化 更好地发挥材料性能 机床结构用新型材料 满足机床结构设计要求的新材料很贵 且其制造工艺 设计计算方法和仿真技术尚未完全掌握 目前不宜大面积推广 传统材料与新材料混合使用 在机床设计中最大限度地采用便宜的传统材料和必要的新型材料进行整合 以达到轻量化的目的 这一策略前景良好 机床轻量化的途径 高能效机床 新结构种类繁多 机床的结构简化和轻量化 可减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响 降低驱动功率 大幅度提高机床的动态性能 借助有限元分析对机床构件进行拓扑优化 采用 箱中箱 结构 组合化结构已经成为共识 空心焊接结构 成形钢板结构和铅合金材料构件已经开始从实验室走向实用 CHIRON公司VISION型5坐标铣床 机构实现X Y坐标运动主轴部件箱中箱结构实现Z坐标运动回转台实现A B坐标运动 直线电动机 运动机构 数控加工单元的框架结构 焊接成型钢板 三明治 结构 中空焊接结构 中空滚压结构 中空异型结构 Metrom800P型并联机床由5杆机构驱动主轴的位置和姿态 可实现5轴联动 5面加工 整台机床没有床身 立柱 横梁和滑座 全部由杆结构组成 最大限度地实现了轻量化 机床动态性能良好 快速移动60m min 加速度12m s2 机床重量4 5t 不到相同规格机床的50 借助杆机构轻量化 METROMP800型高速5面加工机床主轴 24000r min 14kW工作台直径 800mm 设计巧妙的5杆并联机构 电主轴 驱动丝杆 回转工作台 电主轴 铰链 转动环 创意新颖的主轴部件 电滚珠丝杠 回转工作台 主轴部件 万向铰链 结构轻量化的范例 Ecospeed高速加工中心用于加工飞机的大型结构件 工作台面积可达2500X18000mm 电主轴功率75kW 采用3杆并联机构驱动 实现主轴伸缩和偏转 主轴头在立柱上的升降和立柱横向移动采用传统结构 立柱快速移动65m min 加速度9 8m s2 必须考虑轻量化结构 降低伺服驱动的功率 机床结构的整体优化 主轴头的三维实体模型 电主轴 万向铰 滑板 丝杆 伺服电动机 摆动杆件 直线滚动导轨 装入焊接结构滑座中的主轴头 主轴头3杆并联机构整体安装在垂直移动的滑座中 构成 箱中箱 结构 使整个主轴部件质量轻 刚度高 以适应高速移动的要求 主轴部件的滑座由两侧2根同步伺服系统驱动的滚珠丝杠带动 作上下垂直移动 以符合质量中心驱动原则 提高运动部件的动态性能 主轴头 立柱和龙门框架都经过有限元分析优化 在同等质量的情况下 提高了刚度 伺服驱动电动机 主轴头 垂直滑座 伺服驱动电动机 受力点 Kxx 55N mKyy 80N mKzz 250N m 同等质量刚度提高20 优化立柱壁厚和布置 受力点 Kxx 210N m 工作台 主轴头 新材料应用前景广阔 采用碳素纤维 工程陶瓷和夹心材料制造机床移动部件 可以减少重量 从而降低惯性力的负面影响以及驱动所需的功率 采用人造或天然花岗岩制造机床床身等非移动部件 可以提高机床的动态性能和热稳定性 人造花岗岩替代铸铁件 铝合金替代铸铁件 钢铝夹心件替代钢制件 从 63mm改为 40mm 铝制件替代钢制件 从11 8kW降到6 44kW 从11 5kW降到3 54kW 三明治 铝合金材料及其应用 超大型机床的轻量化 德国EEW公司推出轻量化 超大型 高速5轴加工中心 可铣削 磨削 激光加工和涂覆等 用于航空航天 船舶制造 风力发电 汽车模型和原型的制造 最大加工空间为150 x9 0 x4 25m 主轴功率12kW或30kW 横梁在X轴最大快速移动速度150m min 加速度3m s2 无间隙伺服驱动功率仅为2x1 8kW 一台机床就是一个车间 立柱由钢板焊接而成 横梁是碳素纤维杆结构 实现了最大轻量化的目标 立柱 主轴头 横梁 max 151m 俯视图 自适应控制和补偿Adaptronic 提高加工精度的传统观念是提高机床的刚度 而保证刚度的主要方法就是增大零件的尺寸 这是一种保守的 静态的观点 机床是生产机械 是在动态载荷下工作的 静态刚度高不等于动态性能好 一个案例 加大刀架壁厚反而导致加工精度下降 采用现代检测和控制技术 借助软件控制和补偿误差是绿色机床的特征之一 前景广阔 减重节能 保证精度 电动机 移动部件质量 刚度和阻尼 激光刀具定位 编码器 运动加速器 压电薄膜 传感器和作动器集成 压电陶瓷 数字伺服驱动 EcoFIT试验台 振动的实时识别和消除 容易产生振动的机床 建模 机床的实时模型 在线分析 响应频率测定 优化额定值 实际振动的抑制 自适应调节 既节能又保证加工精度 补偿误差 提高精度 机床在加工过程中不可避免会产生误差 需要采用各种传感器 借助实时监控和补偿技术 进一步提高机床的性能 使它聪明起来 借助微机电系统技术可以制作体积非常小的加速度 位移 温度等物理量传感器 用于测量机床工作时的振动 脉搏 功率 血压 和温升 体温 测量可以在加工过程中 过程之间和加工完毕后进行 将误差输入误差模型 然后进行补偿 几何误差 热变形 弹性变形 振动 传统数控机床 并联运动机床 数控系统 轨迹误差 噪音 新型微型传感器 1mm3 弯曲和扭转悬臂机构 加速度和力传感器 悬挂薄膜 温度 压力 湿度 流量 弯曲和声压传感器 聪明 闭环智能 机床 性能评价 性能数据 误差模型 零件 误差补偿 加工过程中传感器数据 加工过程间的检验数据 加工完毕后的检验数据 聪明机床 数控加工的基本原理是机床部件按照50多年前制定的G和M指令组成的程序运动 机床不知道加工什么零件 怎样加工 是瞎子走路 聪明加工系统的实质是智能化 主要特征是 知道本系统的加工能力和状态 能够监控和自主优化加工过程 能够自行度量工作 输出 的质量 能够不断持续学习和提高自己的能力 获得奖状 状态监控 锻炼提高 学会思考 数控新纪元 聪明加工系统 绿色机床的使用GreenProcessing 刀具与节能 以铣削为例 对刀具几何形状与主轴功率消耗的关系进行试验研究 优化刀具的几何形状降低主轴功率的消耗 刀具的主要几何参数 前角 后角和偏角 刀具的辅助几何参数 副后角 副偏角和过渡刃 结论 刀具几何参数对主轴功率消耗有很大的影响 建立切削力的精确模型 测量切削力验证模型 确认模型参数 通过实验和理论研究探讨刀具几何参数与切削力的关系 找出切削力和主轴功率消耗的关系 目标 优化刀具几何参数降低切削力和主轴功率消耗 电流传感器 功率曲线 冷却润滑液与减排 在金属加工过程的成本中 冷却润滑液的成本大约占10 15 包括与采购 使用和处置的成本 冷却液处置的成本已经高出其初始购买成本 并且这种使用维护成本还在继续上升 冷却液的使用与处置对环境造成污染以及危害工人健康 即将出台更加严格的环境和劳动保护法规 采用最少量润滑剂 MQL 或干加工 正作为节省成本和节能减排的措施替代某些湿加工过程 传统的方法冷却润滑液闭环回路 压缩空气和润滑液的混合 微粒气雾 润滑液V 50ml h 气体冷却空气作为介质可注射润滑液T 79 196 C 干加工没有润滑介质压缩空气冷却 切削刃几何形状确定的加工工艺拉削铰孔钻削车削铣削 切削刃几何形状不确定的加工工艺研磨珩磨磨削 MQL加工需要气雾装置和中空刀具 或者新型主轴结构