湯松萍

（萍鄉(xiāng)學院機械電子工程系，江西萍鄉(xiāng) 337055）

基于綠色制造原理的CNC車床綠色設計技術(shù)研究*

湯松萍

（萍鄉(xiāng)學院機械電子工程系，江西萍鄉(xiāng) 337055）

遵照綠色制造的原理和綠色設計的原則，對CNC車床綠色設計的內(nèi)容體系、相關(guān)技術(shù)，以及可回收多生命周期問題等進行了進一步探究，提出了相關(guān)建議和意見；設計了綠色設計工程圖，包括目標體系、特征主線與支撐體系三層結(jié)構(gòu)的CNC車床綠色設計的總體框架，在相關(guān)企業(yè)實踐中得到了較好的運用。

綠色制造；綠色設計；數(shù)控車床

0 引言

數(shù)控技術(shù)開發(fā)研究至今我國已取得相當大的成績，但與美國、加拿大、德國等一些發(fā)達國家綠色制造的數(shù)控設計技術(shù)相比，尚存一定的差距［1］。企業(yè)特別是中小型民營企業(yè)的數(shù)控技術(shù)需要升級，單純依靠購買全新數(shù)控車床，投資較大，且替換下來的車床又會造成浪費，將舊車床進行綠色化技術(shù)升級與改造，是短期內(nèi)提高企業(yè)車床數(shù)控效率的有效途徑?；诰G色制造原理的CNC車床設計技術(shù)研究，旨在極小化數(shù)控車床全生命周期過程的資源消耗和環(huán)境影響，著重考慮其環(huán)境屬性，進一步探究其相關(guān)運行模式的技術(shù)路線、方法和手段。及產(chǎn)品的可拆卸性、可重復利用性與可回收性等環(huán)境屬性，并以環(huán)境屬性作為產(chǎn)品的設計目標，在保證環(huán)境目標實現(xiàn)的前提下同時滿足產(chǎn)品基本性能、質(zhì)量、使用壽命等物理目標要求的設計理念與過程。綠色設計的原則：即對產(chǎn)品全生命周期中的資源消耗與環(huán)境影響進行極小化，使環(huán)境效益與經(jīng)濟效益協(xié)調(diào)優(yōu)化極大化。這區(qū)別于傳統(tǒng)設計主要以滿足需求與解決問題為目的的設計理念。綠色設計是現(xiàn)代設計技術(shù)中一種創(chuàng)新設計理念［2］。綠色設計過程中應遵循的原則（如圖1所示）。

圖1 綠色設計原則

1 綠色設計的內(nèi)涵及原則

綠色設計既稱為生態(tài)設計、又稱為環(huán)境意識設計和生命周期設計，是以環(huán)境資源為核心設計理念。綠色設計在產(chǎn)品設計、制造、裝配、使用、維修、廢棄及處置的整個生命周期設計中，優(yōu)先考慮產(chǎn)品對自然資源的利用以

2 綠色設計內(nèi)容體系的建構(gòu)

本文基于綠色制造原理和產(chǎn)品的環(huán)境屬性，在總結(jié)國內(nèi)外已有相關(guān)研究工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建立了綠色制造的研究體系框架（如圖2所示）。該體系包括綠色制造的總體、專題、支撐三大技術(shù)，三大技術(shù)又具備各自若干的功能［3］。

圖2 綠色制造的研究體系框架

3 CNC車床的綠色設計技術(shù)

CNC車床是制造加工業(yè)生產(chǎn)的主要母機之一?；诰G色制造的原理要求及前人的設計經(jīng)驗，本文從以下方面對CNC車床綠色設計技術(shù)進行了進一步探究。

3.1 CNC車床床身綠色設計及制造

CNC車床的主要支承部件是床身。床身的設計及制造是CNC車床綠色設計及制造的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)床身的設計制造工藝大多采用鑄造成型后進行精加工。但鑄造生產(chǎn)流程中的能耗高、污染重，設計鑄件床身不能滿足CNC車床綠色設計的性能和要求。對此，目前使用鋼板焊接方法制造CNC車床床身不失為一種非常環(huán)保制造新工藝。用鋼板焊接架構(gòu)的CNC床身不但使CNC車床的剛性與強度大大提高，而且使CNC車床在制造過程中由于沒有使用鑄造工藝而最大限度地減少了能源消耗與環(huán)境污染，從而使產(chǎn)品滿足了綠色制造的特性。與此同時，在焊接結(jié)構(gòu)的床身內(nèi)腔填充混凝土與泥芯之類阻尼性能材料，還可使車床在工作中利用阻尼材料的相對摩擦耗散振動能量，達到減振的效果［4］。

3.2 CNC車床主傳動鏈簡化設計

普通車床的主傳動系統(tǒng)設計，主要是基于變速機構(gòu)的設計，主傳動系統(tǒng)傳動鏈多、主從關(guān)系復雜、生產(chǎn)制造加工周期長。相比之下，CNC車床的主傳動系統(tǒng)可選用交、直流無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。采用主軸調(diào)速電動機，這樣不但使主軸箱結(jié)構(gòu)簡化；而且由于主軸箱齒輪數(shù)減少，減少了噪聲，同時也減少了功率與損耗。在綠色制造思想指引下，CNC車床主軸驅(qū)動的綠色設計可以以下三種設計思路為參考：一是利用變頻電機，進行自動多檔無級調(diào)速；二是利用伺服電機，進行主軸自動無級調(diào)速；三是直接利用電動機驅(qū)動主軸運轉(zhuǎn)，其中，主軸伺服電機和主軸可利用聯(lián)軸器直接相連，或選用內(nèi)攜式主軸電機進行直接驅(qū)動［5］。傳動形式如圖所示。

圖3 主軸驅(qū)動的傳動形式

3.3 CNC車床潤滑油路綠色設計

CNC車床的主軸箱與導軌的潤滑油路是車床的主要油路部分。主軸箱的油路一般是封閉的，機油在箱體內(nèi)循環(huán)使用，不外濺、更不會污染環(huán)境。而車床導軌油路一般都是敞開的，主要由設計安裝在車床尾側(cè)的集中潤滑器進行系統(tǒng)供油，機油沒有回收，在機加工中將成為環(huán)境污染的主要因素。為此，按照綠色設計的基本原則，為使機油完全回收和循環(huán)利用，必須對車床導軌潤滑系統(tǒng)進行綠色設計或改造，設計導軌外加的輔助回油槽，使加工機油從導軌輔助回油槽回流，再經(jīng)過濾系統(tǒng)將機加工中產(chǎn)生的雜質(zhì)過濾干凈回收使用。為使導軌回流的機油能反復利用，需設計一個外加的多層回油過濾器，使機油經(jīng)多層過濾后再回流到油箱［6］。

3.4 CNC車床可拆卸性可回收性設計

CNC車床的可拆卸性設計是關(guān)于拆卸問題的綠色設計，是實現(xiàn)CNC車床綠色制造設計的重要條件之一。綠色設計思想要求在設計產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，優(yōu)先考慮產(chǎn)品的可拆卸性、可回收性等環(huán)境屬性，優(yōu)先考慮資源的利用率，以及車床的拆卸與回收處理。因此，在CNC車床設計之初，就要將CNC車床維修與報廢后的拆卸問題考慮其中，在設計上，使車床整體結(jié)構(gòu)拆卸方便，回收方便，使產(chǎn)品的可回收性極大化，實現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護之目的［7］。CNC車床可拆卸性可回收性設計的問題探討如下。

3.4.1 CNC車床可拆卸性設計的原則

為使CNC車床在拆卸中能最大限度地減少對環(huán)境的負面影響，在CNC車床可拆卸性設計過程中可以引入“優(yōu)化拆卸”的設計思想，這將是改善產(chǎn)品可拆卸性性能的最有效辦法。但這種綠色環(huán)保的設計理念還需統(tǒng)一的設計準則，并由業(yè)界共同遵守，方能生效。具體原則要求是：簡化結(jié)構(gòu)，減少零部件，減少資源能源消耗；優(yōu)化零件、載荷、支撐的布局設計，盡量采用多功能零件，使產(chǎn)品小型化，以提高材料的利用率；在零部件設計時要充分考慮產(chǎn)品的可拆卸性、互換性、廢棄后產(chǎn)品的可回收性與重復利用性，設計易于拆卸的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與零部件連接方式。并在可拆卻性設計過程中遵循以下原則：一是要減少拆卸工作量。對CNC車床進行模塊化、部件最大化設計，盡量減少連接件（零件）數(shù)量和產(chǎn)品使用材料的種類，盡量選用可兼容的材料和合并需要拆卸的零部件，使可拆卸的零部件容易拆卸獲得。二是要防止可拆卸結(jié)構(gòu)發(fā)生改變和產(chǎn)品組件的多樣性。如避免易腐蝕零部件置于腐蝕環(huán)境被污染或腐蝕等。如對產(chǎn)品組件盡量使用標準件與通用件，緊固件的種類要盡量減少等。三是要易于拆卸和分離。在拆卸過程中能保證CNC車床的穩(wěn)定性，使廢液容易排放、緊固件容易拆卸或容易破壞，并盡量減少緊固件數(shù)量，盡量使多數(shù)零件采用同一緊固方式，以利于最大可能拆卸或不能拆卸可實行切割的位置，尤其避免零件拆卸路徑復雜，或在塑料零部件內(nèi)嵌入金屬材料，或采用非剛性材料做零部件。對零部件表面設計還應考慮拆卸時易于抓取，對拆卸時的有毒物質(zhì)應考慮易于密封或封裝。此外，為使零部件分離方便，應盡量減少使用涂層、油漆、電鍍等方式對連接件進行二次處理。對不同連接材料應當使用明顯的標識、標注，對可能影響產(chǎn)品可拆卸與可回收性能的零部件與材料應杜絕使用［8］。

3.4.2 CNC車床可拆卸性工藝設計要求

CNC車床綠色制造工藝設計的要求是：優(yōu)化制造工藝流程，確立最佳工藝參數(shù)，合理采用加工方法，節(jié)省材料，減少廢料，減少生產(chǎn)對環(huán)境的影響與對操作者的危害，如減少廢液、廢氣、噪聲等，減少切削液、使用干切削等。CNC車床綠色設計的選材工藝要求是：減少能耗，易于加工，降低加工難度和產(chǎn)品廢品率，減少材料種類，尤其是稀有昂貴原材料，優(yōu)先考慮使用易于回收與循環(huán)利用的材料，并注重選材的取向作用，使材料的不同性能發(fā)揮最大的作用。在綠色設計中，應均衡考慮零部件的使用壽命。對相同屬性的零部件應設計相同的使用壽命。對相對重要的零部件應設計較長使用壽命。對易損的零部件應充分考慮其易于更換性。對關(guān)鍵的零部件應設計成便于檢測維修的結(jié)構(gòu)［9］。

3.4.3 CNC車床模塊化標準化設計保證

CNC車床的模塊化設計是綠色設計的重要內(nèi)容，是實現(xiàn)產(chǎn)品設計標準化、結(jié)構(gòu)功能集成化的過程。模塊化設計將為CNC車床功能的快速更新升級，零部件的維修和更換，車床廢棄后拆卸與回收提供條件。此外，模塊化與標準化設計還可以促進生產(chǎn)的批量化與專業(yè)的協(xié)作化，提高資源能源的利用率。CNC車床模塊化設計的部分主要有：床身、床鞍、主軸箱、刀架、進給系統(tǒng)、尾座等，設計的普遍特征是：產(chǎn)品技術(shù)要成熟、系統(tǒng)功能可升級，使用壽命長，易于清洗、修復與保證品質(zhì)等。

3.4.4 CNC車床可拆性導軌典型設計

CNC車床導軌是CNC車床重要的構(gòu)件之一，導軌制造精度直接影響車床機加工的工件精度。由于傳統(tǒng)導軌存在易磨損等諸多缺點，現(xiàn)已被貼塑導軌逐漸取代。所謂貼塑導軌，就是在CNC車床滑動導軌面上貼上一層能使導軌摩擦系數(shù)降低，吸振性和穩(wěn)定性都更好的軟帶。這種軟帶由添加青銅粉與聚四氟乙烯、石墨與二硫化鑰等多種材料復合而成。在CNC車床導軌設計中采用貼塑辦法，這是基于綠色制造原理的可拆卸性綠色設計思想的體現(xiàn)。貼塑法使導軌耐磨性、自潤滑性好，使用壽命提高，車床廢棄后貼塑層容易分離脫落，導軌與床體可重復利用。這樣既使制造與維修成本大大降低，又使產(chǎn)品的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益明顯提高。實踐證明，貼塑法綠色設計的導軌使用壽命是傳統(tǒng)鑄鐵導軌使用壽命的8～10倍，并且導軌易于刮研修配和更換［10］。

3.4.5 CNC車床人機交互系統(tǒng)的綠色設計

CNC車床是計算機技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等多學科技術(shù)交融的密集型技術(shù)產(chǎn)品。CNC車床的人機交互系統(tǒng)，不但應讓操作者操作方便舒適，而且還要降低對操作者技術(shù)的要求，幫助操作者減少或盡可能減少操作失誤，提高工作質(zhì)量和效率，以達到人機交互的最佳狀態(tài)和最佳效果。

3.5 CNC車床可回收多生命周期性設計

目前關(guān)于廢舊機床最多能有幾代生命周期，雖然在學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界還存在爭議，但本文認為可以從技術(shù)性、環(huán)境性與經(jīng)濟性等方面視廢舊機床的可再制造度而定。只要廢舊機床的再制造在技術(shù)上可行，經(jīng)濟性和環(huán)境性合理，即可開展再制造。CNC車床多生命周期工程流程圖（如圖4所示）。

圖4 多生命周期工程框圖

CNC車床多生命周期是由多個緊密聯(lián)系的單元過程組成，從大的方面看，CNC車床產(chǎn)品多生命周期過程包括制造車床所需的鋼材，鑄鐵等原材料制備、CNC車床產(chǎn)品方案設計、機床產(chǎn)品制造、機床使用維護、機床產(chǎn)品運輸、報廢機床處理回收及再制造等一系列的過程，再往細分包括機床原材料制備、毛坯生產(chǎn)、零部件加工及熱處理、機床裝配調(diào)試、機床使用及維護、機床報廢處理、機床再制造等單元過程［11］。

4 CNC車床綠色設計工程的總體設計框架

CNC車床綠色設計實施的手段是人的組織、技術(shù)、管理相互結(jié)合，使產(chǎn)品達到質(zhì)量高、成本低、服務好、滿足綠色性要求，贏得市場競爭的目標。對此，本文在總結(jié)、借鑒以往研究和多年實際工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種包括目標體系、特征主線與支撐體系三層結(jié)構(gòu)的CNC車床綠色設計工程圖（如圖5所示）［12］。

圖5 綠色設計工程圖

圖中目標體系包括戰(zhàn)略目標、過程目標。戰(zhàn)略目標是指經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展效益協(xié)調(diào)最大化。過程目標分別有：產(chǎn)品開發(fā)周期與生產(chǎn)周期（T）應盡可能短；產(chǎn)品質(zhì)量水平（Q）要應盡可能高；產(chǎn)品成本（C）應盡可能低；產(chǎn)品的售前與售后服務（S）應盡可能好；產(chǎn)品的資源消耗（R）應盡可能少；產(chǎn)品對環(huán)境的影響（E）應盡可能小。特征主線包括產(chǎn)品綠色設計過程主線、產(chǎn)品多生命周期過程主線、產(chǎn)品綠色物流過程主線等3條主線（具體運行模塊見圖5）。支撐體系包括綠色設計支持系統(tǒng)、環(huán)境影響評估系統(tǒng)、物能資源優(yōu)化運行支持系統(tǒng)、質(zhì)量保證系統(tǒng)、清潔化生產(chǎn)支持系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等。

圖中三層結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，形成一個有機整體。在實施CNC車床新一代產(chǎn)品綠色設計時，必須先確定目標體系，否則在設計過程中將會失去目標和沒有方向，設計的最終目標應該是第一層的戰(zhàn)略目標，而戰(zhàn)略目標又要通過過程目標TQ C SR E六個具體過程來實現(xiàn)與體現(xiàn)；六個具體過程可進一步細化為具體的指標，使CNC車床的綠色設計制造圍繞這些指標來展開。目標體系層之后的CNC車床特征主線層突出的主旨是設計過程主線，它是產(chǎn)品生命周期的保障，要求綠色設計從設計源頭解決環(huán)境、資源問題，同時設計過程也應考慮戰(zhàn)略目標與過程目標的協(xié)調(diào)；CNC車床多生命周期層要求產(chǎn)品在多生命周期內(nèi)資源綜合利用率最高、回用時間最長、對環(huán)境負面影響最小，同時將綠色設計的理念運用到產(chǎn)品生命周期的每一個環(huán)節(jié)，按照綠色設計工程方案去組織生產(chǎn)，以實現(xiàn)第一層目標要求；CNC車床綠色物流過程主線是直接產(chǎn)生環(huán)境影響與資源消耗的環(huán)節(jié)，必須對整個物流進行全程監(jiān)控，以最終實現(xiàn)綠色生產(chǎn)全過程。CNC車床支撐系統(tǒng)層與各層目標緊密相關(guān)，為全綠色設計與制造過程提供各種各樣支撐系統(tǒng)的技術(shù)支撐。

5 結(jié)束語

CNC車床綠色設計相關(guān)技術(shù)問題進一步探討可知，按照綠色設計工程圖的目標體系、特征主線、支撐系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)運行模式進行CNC車床綠色設計技術(shù)是可行的。這種模式應用于生產(chǎn)實踐，為其機床產(chǎn)品綠色設計以及廢舊機床再制造提供了重要的理論與技術(shù)支持，取得了較好的應用效果。

［1］王賢琳，李飛.基于系統(tǒng)理論形式化的綠色集成制造系統(tǒng)能源消耗模型［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（3）：156-160.

［2］郭信文，謝慶紅，葛紅玉.基于價值流程圖技術(shù)的離散型制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（9）：149-152.

［3］尤飛，胡衛(wèi)東，王建榮.面向機械多目標優(yōu)化設計的滿意優(yōu)化研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（9）：28-31.

［4］楊先英，李偉湛.多目標導向的機床設備產(chǎn)品設計方法［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013（5）：39-41，47.

［5］劉俊英，梁豐，何國金.舊式數(shù)控銑床的性能升級及創(chuàng)新改造［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（7）：92-95.

［6］徐良雄.C6132普通車床數(shù)控化改造及電氣控制設計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（4）：60-64，68.

［7］董惠敏，王海云，王德勝，等.機床輕量化設計結(jié)構(gòu)與性能研究-臥式車床支承件結(jié)構(gòu)特征與靜態(tài)特性分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013（6）：1-5.

［8］趙建平，汪永超，夏吉兵，等.面向綠色制造的機床夾具優(yōu)化選擇研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013（12）：126-129.

［9］李南，盧曉紅，韓鵬卓，等.數(shù)控機床及其關(guān)鍵功能部件可靠性研究綜述［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（11）：105-108.

［10］湯松萍.基于HS7310軟件功能的拓展［J］.煤礦機械，2012（12）：168-171.

［11］湯松萍.基于磁流體往復運動的智能密封［J］.煤礦機械，2012（11）：73-75.

［12］湯松萍.基于零件傳輸速度的CNC機床SCOP伺服法則［J］.科學技術(shù)與工程，2012，12（14）：3323-3327.

（編輯 趙蓉）

Research on Green Design Technology for CNC Lathe Based on the Principle of Green M anufacturing

TANG Song-ping
（Department of Mechanical and Electronic Engineering，Pingxiang Institute of Jiangxi，Pingxiang Jiangxi 337055，China）

In accordance w ith the principle of the principle of green manufacturing and green design，green design contentsystem of CNC lathe，related technology，and the problem of life cycle of recycling and so on has carried on the further exploration，put forward some Suggestions and opinions；Design the green design engineering draw ings，including target system，the characteristics of themain line and three layer structure of the support system overall framework of green design，CNC lathe in related businesses used well in practice.

green manufacturing；green design；NC lathe

TH162；TG502

A

1001-2265（2015）08-0157-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.040

2014-10-25；

2014-12-14

萍鄉(xiāng)市2013年市級指導性科技計劃項目（萍科字［2013］87號）；2014年度萍鄉(xiāng)學院校級立項課題（14PXKY-21）資助

湯松萍（1964-），男，江西萍鄉(xiāng)人，萍鄉(xiāng)學院教授，研究方向為綜合設備自動化、智能化，CNC車床綠色設計技術(shù)，（E-mail）tsp2005n@ 163.com。