1、机床的生态设计 Eco-design of Machines,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 Great Challenges,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
2、，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
3、排放 每道工序的废弃物都是其他产品 的原料,资源循环 Reduce Reuse Recycle,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
4、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-design and Rules,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
5、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,
6、销 售,使 用,维 修,废弃和 再造,德国设计标准: VDI 2243,德国早在1992年就制定了VDI 2243标准，为设计师提供面向回收的现代设计方法。 VDI 2243 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,EC Regulation 1907/2006 : REACH 2006,94/62/EEC : Packaging and packaging waste 1994,2002/95/EC RoHS 2002/96/EC WEEE 2002
7、,2005/32/EC : EuP 2005,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 Next Generation Production System,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
8、。,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 Next Generation Producti
9、on System,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 Eco Efficient Machine Tools,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-efficient Machine-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
10、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
11、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 Evaluate Environment Impacts,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
12、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-Indicator 99 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
13、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-Indicator 99 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tkm,步骤 3 生态指数: 材料mP/kg 加工mP/dm3 能耗mP/kWh 运输mp/tkm,步骤 4 计算结果: 材料mP 加工mP 能
14、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 Green Machine Design,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
15、 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
16、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,Metrom 800P 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
17、。 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,METROM P800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 2500X18000 mm。 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
18、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,
19、垂直滑座,伺服驱动 电动机,受力点,Kxx = 55 N/m Kyy = 80 N/m Kzz = 250 N/m,同等质量刚度提高20%,优化立柱壁厚和布置,受力点,Kxx = 210 N/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3.54
20、kW,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150x9.0x4.25m，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
21、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
22、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（1 mm3）,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
23、,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 Green Processing,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
24、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
25、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 50 ml/h,气体冷却 空气作为介质 可注射润滑液T= -79-196C,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。 MQL的冷却润滑剂种类繁多，从酒精到矿物油。,传统冷却方法,冷却润滑液是金属加工过程的主要污染排放，特别是磨削
26、时采用乳化液对环境和工人健康都非常有害。,CO2 装置,半干磨削 MQL+ CO2冷却,气体冷却剂的研究表明：必须关注冻油与砂轮的相互作用，不同类型的CO2（干冰和气体）以及过程参数。,变废为宝增值再造 Waste Value Creation,循环经济回收再造,产品生产 的每一环节,原材料或半成品的输入： 包括其它生产过程 的废料和再生的原料,能源,生产过程的物耗：包括其它生产过程 废料和再生的原料,控制有害和无法处理的废弃物,产品,废弃物最少,可重用和 再生的物料,可用的副产品,可重用和再生的物料,开 采,制 造,冶 炼,废弃物,废弃物,使 用,废弃物,废 弃,再利用,再制造,回收 处理,
27、循环经济：再利用、再制造、回收处理,切屑是金属加工的固体废弃物，大约占金属用量的10%，大企业每年可能达数千吨。切屑有不同材料、不同形状。,固体废弃物：切屑,干切屑,湿切屑,切屑泥,切屑经过破碎、分离、 压块等处理工序， 成为再生原料， 变废为宝！,切屑油,切屑块,切屑处理系统,破碎机,切屑与废料 分离装置,切屑,废料,固液分离装置,金属与非金属 分离装置,案例：杨力集团,每年数千吨切屑固体废弃物 全部转化为高附加值的关键零件,结束语,生态（绿色）设计是产品设计的重要组成部分，生产机械设计是也必须考虑生态效益。 绿色机床的主要特征是：轻量化、低能耗、使用时废弃物低排放，采用回收材料制造以及报废后可回收。 绿色机床不仅在机床使用时节能减排，同时也降低了制造机床的生产成本。 大力推进机床产品的回收、重用和再制造，管好产品的后半生，具有最大社会效益和经济效益。 大力推广金属加工固体废弃物增值再利用技术。,谢谢大家 上海市四平路1239号 同济大学现代制造技术研究所 电话：021-65982826 电邮：,
