基于绿色制造原理的CNC车床绿色设计技术研究*

汤松萍

（萍乡学院机械电子工程系，江西萍乡 337055）

基于绿色制造原理的CNC车床绿色设计技术研究*

汤松萍

（萍乡学院机械电子工程系，江西萍乡 337055）

遵照绿色制造的原理和绿色设计的原则，对CNC车床绿色设计的内容体系、相关技术，以及可回收多生命周期问题等进行了进一步探究，提出了相关建议和意见；设计了绿色设计工程图，包括目标体系、特征主线与支撑体系三层结构的CNC车床绿色设计的总体框架，在相关企业实践中得到了较好的运用。

绿色制造；绿色设计；数控车床

0 引言

数控技术开发研究至今我国已取得相当大的成绩，但与美国、加拿大、德国等一些发达国家绿色制造的数控设计技术相比，尚存一定的差距［1］。企业特别是中小型民营企业的数控技术需要升级，单纯依靠购买全新数控车床，投资较大，且替换下来的车床又会造成浪费，将旧车床进行绿色化技术升级与改造，是短期内提高企业车床数控效率的有效途径。基于绿色制造原理的CNC车床设计技术研究，旨在极小化数控车床全生命周期过程的资源消耗和环境影响，着重考虑其环境属性，进一步探究其相关运行模式的技术路线、方法和手段。及产品的可拆卸性、可重复利用性与可回收性等环境属性，并以环境属性作为产品的设计目标，在保证环境目标实现的前提下同时满足产品基本性能、质量、使用寿命等物理目标要求的设计理念与过程。绿色设计的原则：即对产品全生命周期中的资源消耗与环境影响进行极小化，使环境效益与经济效益协调优化极大化。这区别于传统设计主要以满足需求与解决问题为目的的设计理念。绿色设计是现代设计技术中一种创新设计理念［2］。绿色设计过程中应遵循的原则（如图1所示）。

图1 绿色设计原则

1 绿色设计的内涵及原则

绿色设计既称为生态设计、又称为环境意识设计和生命周期设计，是以环境资源为核心设计理念。绿色设计在产品设计、制造、装配、使用、维修、废弃及处置的整个生命周期设计中，优先考虑产品对自然资源的利用以

2 绿色设计内容体系的建构

本文基于绿色制造原理和产品的环境属性，在总结国内外已有相关研究工作经验的基础上，建立了绿色制造的研究体系框架（如图2所示）。该体系包括绿色制造的总体、专题、支撑三大技术，三大技术又具备各自若干的功能［3］。

图2 绿色制造的研究体系框架

3 CNC车床的绿色设计技术

CNC车床是制造加工业生产的主要母机之一。基于绿色制造的原理要求及前人的设计经验，本文从以下方面对CNC车床绿色设计技术进行了进一步探究。

3.1 CNC车床床身绿色设计及制造

CNC车床的主要支承部件是床身。床身的设计及制造是CNC车床绿色设计及制造的重要内容。传统床身的设计制造工艺大多采用铸造成型后进行精加工。但铸造生产流程中的能耗高、污染重，设计铸件床身不能满足CNC车床绿色设计的性能和要求。对此，目前使用钢板焊接方法制造CNC车床床身不失为一种非常环保制造新工艺。用钢板焊接架构的CNC床身不但使CNC车床的刚性与强度大大提高，而且使CNC车床在制造过程中由于没有使用铸造工艺而最大限度地减少了能源消耗与环境污染，从而使产品满足了绿色制造的特性。与此同时，在焊接结构的床身内腔填充混凝土与泥芯之类阻尼性能材料，还可使车床在工作中利用阻尼材料的相对摩擦耗散振动能量，达到减振的效果［4］。

3.2 CNC车床主传动链简化设计

普通车床的主传动系统设计，主要是基于变速机构的设计，主传动系统传动链多、主从关系复杂、生产制造加工周期长。相比之下，CNC车床的主传动系统可选用交、直流无级调速，调速范围大。采用主轴调速电动机，这样不但使主轴箱结构简化；而且由于主轴箱齿轮数减少，减少了噪声，同时也减少了功率与损耗。在绿色制造思想指引下，CNC车床主轴驱动的绿色设计可以以下三种设计思路为参考：一是利用变频电机，进行自动多档无级调速；二是利用伺服电机，进行主轴自动无级调速；三是直接利用电动机驱动主轴运转，其中，主轴伺服电机和主轴可利用联轴器直接相连，或选用内携式主轴电机进行直接驱动［5］。传动形式如图所示。

图3 主轴驱动的传动形式

3.3 CNC车床润滑油路绿色设计

CNC车床的主轴箱与导轨的润滑油路是车床的主要油路部分。主轴箱的油路一般是封闭的，机油在箱体内循环使用，不外溅、更不会污染环境。而车床导轨油路一般都是敞开的，主要由设计安装在车床尾侧的集中润滑器进行系统供油，机油没有回收，在机加工中将成为环境污染的主要因素。为此，按照绿色设计的基本原则，为使机油完全回收和循环利用，必须对车床导轨润滑系统进行绿色设计或改造，设计导轨外加的辅助回油槽，使加工机油从导轨辅助回油槽回流，再经过滤系统将机加工中产生的杂质过滤干净回收使用。为使导轨回流的机油能反复利用，需设计一个外加的多层回油过滤器，使机油经多层过滤后再回流到油箱［6］。

3.4 CNC车床可拆卸性可回收性设计

CNC车床的可拆卸性设计是关于拆卸问题的绿色设计，是实现CNC车床绿色制造设计的重要条件之一。绿色设计思想要求在设计产品整个生命周期内，优先考虑产品的可拆卸性、可回收性等环境属性，优先考虑资源的利用率，以及车床的拆卸与回收处理。因此，在CNC车床设计之初，就要将CNC车床维修与报废后的拆卸问题考虑其中，在设计上，使车床整体结构拆卸方便，回收方便，使产品的可回收性极大化，实现节能减排、环境保护之目的［7］。CNC车床可拆卸性可回收性设计的问题探讨如下。

3.4.1 CNC车床可拆卸性设计的原则

为使CNC车床在拆卸中能最大限度地减少对环境的负面影响，在CNC车床可拆卸性设计过程中可以引入“优化拆卸”的设计思想，这将是改善产品可拆卸性性能的最有效办法。但这种绿色环保的设计理念还需统一的设计准则，并由业界共同遵守，方能生效。具体原则要求是：简化结构，减少零部件，减少资源能源消耗；优化零件、载荷、支撑的布局设计，尽量采用多功能零件，使产品小型化，以提高材料的利用率；在零部件设计时要充分考虑产品的可拆卸性、互换性、废弃后产品的可回收性与重复利用性，设计易于拆卸的产品结构与零部件连接方式。并在可拆却性设计过程中遵循以下原则：一是要减少拆卸工作量。对CNC车床进行模块化、部件最大化设计，尽量减少连接件（零件）数量和产品使用材料的种类，尽量选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获得。二是要防止可拆卸结构发生改变和产品组件的多样性。如避免易腐蚀零部件置于腐蚀环境被污染或腐蚀等。如对产品组件尽量使用标准件与通用件，紧固件的种类要尽量减少等。三是要易于拆卸和分离。在拆卸过程中能保证CNC车床的稳定性，使废液容易排放、紧固件容易拆卸或容易破坏，并尽量减少紧固件数量，尽量使多数零件采用同一紧固方式，以利于最大可能拆卸或不能拆卸可实行切割的位置，尤其避免零件拆卸路径复杂，或在塑料零部件内嵌入金属材料，或采用非刚性材料做零部件。对零部件表面设计还应考虑拆卸时易于抓取，对拆卸时的有毒物质应考虑易于密封或封装。此外，为使零部件分离方便，应尽量减少使用涂层、油漆、电镀等方式对连接件进行二次处理。对不同连接材料应当使用明显的标识、标注，对可能影响产品可拆卸与可回收性能的零部件与材料应杜绝使用［8］。

3.4.2 CNC车床可拆卸性工艺设计要求

CNC车床绿色制造工艺设计的要求是：优化制造工艺流程，确立最佳工艺参数，合理采用加工方法，节省材料，减少废料，减少生产对环境的影响与对操作者的危害，如减少废液、废气、噪声等，减少切削液、使用干切削等。CNC车床绿色设计的选材工艺要求是：减少能耗，易于加工，降低加工难度和产品废品率，减少材料种类，尤其是稀有昂贵原材料，优先考虑使用易于回收与循环利用的材料，并注重选材的取向作用，使材料的不同性能发挥最大的作用。在绿色设计中，应均衡考虑零部件的使用寿命。对相同属性的零部件应设计相同的使用寿命。对相对重要的零部件应设计较长使用寿命。对易损的零部件应充分考虑其易于更换性。对关键的零部件应设计成便于检测维修的结构［9］。

3.4.3 CNC车床模块化标准化设计保证

CNC车床的模块化设计是绿色设计的重要内容，是实现产品设计标准化、结构功能集成化的过程。模块化设计将为CNC车床功能的快速更新升级，零部件的维修和更换，车床废弃后拆卸与回收提供条件。此外，模块化与标准化设计还可以促进生产的批量化与专业的协作化，提高资源能源的利用率。CNC车床模块化设计的部分主要有：床身、床鞍、主轴箱、刀架、进给系统、尾座等，设计的普遍特征是：产品技术要成熟、系统功能可升级，使用寿命长，易于清洗、修复与保证品质等。

3.4.4 CNC车床可拆性导轨典型设计

CNC车床导轨是CNC车床重要的构件之一，导轨制造精度直接影响车床机加工的工件精度。由于传统导轨存在易磨损等诸多缺点，现已被贴塑导轨逐渐取代。所谓贴塑导轨，就是在CNC车床滑动导轨面上贴上一层能使导轨摩擦系数降低，吸振性和稳定性都更好的软带。这种软带由添加青铜粉与聚四氟乙烯、石墨与二硫化钥等多种材料复合而成。在CNC车床导轨设计中采用贴塑办法，这是基于绿色制造原理的可拆卸性绿色设计思想的体现。贴塑法使导轨耐磨性、自润滑性好，使用寿命提高，车床废弃后贴塑层容易分离脱落，导轨与床体可重复利用。这样既使制造与维修成本大大降低，又使产品的经济效益与生态效益明显提高。实践证明，贴塑法绿色设计的导轨使用寿命是传统铸铁导轨使用寿命的8～10倍，并且导轨易于刮研修配和更换［10］。

3.4.5 CNC车床人机交互系统的绿色设计

CNC车床是计算机技术、制造技术、信息技术、控制技术、人工智能技术等多学科技术交融的密集型技术产品。CNC车床的人机交互系统，不但应让操作者操作方便舒适，而且还要降低对操作者技术的要求，帮助操作者减少或尽可能减少操作失误，提高工作质量和效率，以达到人机交互的最佳状态和最佳效果。

3.5 CNC车床可回收多生命周期性设计

目前关于废旧机床最多能有几代生命周期，虽然在学术界和产业界还存在争议，但本文认为可以从技术性、环境性与经济性等方面视废旧机床的可再制造度而定。只要废旧机床的再制造在技术上可行，经济性和环境性合理，即可开展再制造。CNC车床多生命周期工程流程图（如图4所示）。

图4 多生命周期工程框图

CNC车床多生命周期是由多个紧密联系的单元过程组成，从大的方面看，CNC车床产品多生命周期过程包括制造车床所需的钢材，铸铁等原材料制备、CNC车床产品方案设计、机床产品制造、机床使用维护、机床产品运输、报废机床处理回收及再制造等一系列的过程，再往细分包括机床原材料制备、毛坯生产、零部件加工及热处理、机床装配调试、机床使用及维护、机床报废处理、机床再制造等单元过程［11］。

4 CNC车床绿色设计工程的总体设计框架

CNC车床绿色设计实施的手段是人的组织、技术、管理相互结合，使产品达到质量高、成本低、服务好、满足绿色性要求，赢得市场竞争的目标。对此，本文在总结、借鉴以往研究和多年实际工作经验的基础上，提出了一种包括目标体系、特征主线与支撑体系三层结构的CNC车床绿色设计工程图（如图5所示）［12］。

图5 绿色设计工程图

图中目标体系包括战略目标、过程目标。战略目标是指经济效益和可持续发展效益协调最大化。过程目标分别有：产品开发周期与生产周期（T）应尽可能短；产品质量水平（Q）要应尽可能高；产品成本（C）应尽可能低；产品的售前与售后服务（S）应尽可能好；产品的资源消耗（R）应尽可能少；产品对环境的影响（E）应尽可能小。特征主线包括产品绿色设计过程主线、产品多生命周期过程主线、产品绿色物流过程主线等3条主线（具体运行模块见图5）。支撑体系包括绿色设计支持系统、环境影响评估系统、物能资源优化运行支持系统、质量保证系统、清洁化生产支持系统、管理信息系统等。

图中三层结构关系紧密，形成一个有机整体。在实施CNC车床新一代产品绿色设计时，必须先确定目标体系，否则在设计过程中将会失去目标和没有方向，设计的最终目标应该是第一层的战略目标，而战略目标又要通过过程目标TQ C SR E六个具体过程来实现与体现；六个具体过程可进一步细化为具体的指标，使CNC车床的绿色设计制造围绕这些指标来展开。目标体系层之后的CNC车床特征主线层突出的主旨是设计过程主线，它是产品生命周期的保障，要求绿色设计从设计源头解决环境、资源问题，同时设计过程也应考虑战略目标与过程目标的协调；CNC车床多生命周期层要求产品在多生命周期内资源综合利用率最高、回用时间最长、对环境负面影响最小，同时将绿色设计的理念运用到产品生命周期的每一个环节，按照绿色设计工程方案去组织生产，以实现第一层目标要求；CNC车床绿色物流过程主线是直接产生环境影响与资源消耗的环节，必须对整个物流进行全程监控，以最终实现绿色生产全过程。CNC车床支撑系统层与各层目标紧密相关，为全绿色设计与制造过程提供各种各样支撑系统的技术支撑。

5 结束语

CNC车床绿色设计相关技术问题进一步探讨可知，按照绿色设计工程图的目标体系、特征主线、支撑系统的三层结构运行模式进行CNC车床绿色设计技术是可行的。这种模式应用于生产实践，为其机床产品绿色设计以及废旧机床再制造提供了重要的理论与技术支持，取得了较好的应用效果。

［1］王贤琳，李飞.基于系统理论形式化的绿色集成制造系统能源消耗模型［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（3）：156-160.

［2］郭信文，谢庆红，葛红玉.基于价值流程图技术的离散型制造企业生产系统优化［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（9）：149-152.

［3］尤飞，胡卫东，王建荣.面向机械多目标优化设计的满意优化研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（9）：28-31.

［4］杨先英，李伟湛.多目标导向的机床设备产品设计方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（5）：39-41，47.

［5］刘俊英，梁丰，何国金.旧式数控铣床的性能升级及创新改造［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（7）：92-95.

［6］徐良雄.C6132普通车床数控化改造及电气控制设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（4）：60-64，68.

［7］董惠敏，王海云，王德胜，等.机床轻量化设计结构与性能研究-卧式车床支承件结构特征与静态特性分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（6）：1-5.

［8］赵建平，汪永超，夏吉兵，等.面向绿色制造的机床夹具优化选择研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（12）：126-129.

［9］李南，卢晓红，韩鹏卓，等.数控机床及其关键功能部件可靠性研究综述［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（11）：105-108.

［10］汤松萍.基于HS7310软件功能的拓展［J］.煤矿机械，2012（12）：168-171.

［11］汤松萍.基于磁流体往复运动的智能密封［J］.煤矿机械，2012（11）：73-75.

［12］汤松萍.基于零件传输速度的CNC机床SCOP伺服法则［J］.科学技术与工程，2012，12（14）：3323-3327.

（编辑 赵蓉）

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

萍乡市2013年市级指导性科技计划项目（萍科字［2013］87号）；2014年度萍乡学院校级立项课题（14PXKY-21）资助

汤松萍（1964-），男，江西萍乡人，萍乡学院教授，研究方向为综合设备自动化、智能化，CNC车床绿色设计技术，（E-mail）tsp2005n@ 163.com。