金属切削机床绿色设计信息服务平台建设思路初探

汪晓光，夏 青

（机械科学研究总院集团有限公司 中机生产力促进中心，北京 100044）

0 引言

机床作为装备制造业的“工作母机”，是制造业价值生成的基础和产业跃升的支点，是基础制造能力构成的核心。机床绿色发展已成为全球产业发展变革的主基调，欧盟“下一代生产系统”明确将绿色机床作为重点研究领域，欧洲用能产品生态设计指令（ErP）将机床列为10项优先实施的产品之一，国际标准化组织（ISO）制定了ISO／DISl4955机床环境评价标准。机床产品绿色设计是从源头上解决机床资源、能源的过度消耗和环境污染问题的有效途径。

金属切削机床是我国使用最广泛、数量最多的机床，探索建设金属切削机床绿色设计信息服务平台，将推动实现绿色机床产品发展，提升机床产品绿色竞争力。

1 国际上机床绿色设计发展趋势

随着全球资源、能源短缺和环境污染问题的不断加剧，以资源效率和环境友好为特征的绿色机床成为下一代制造技术的发展方向。工业产品80%的资源消耗和环境影响取决于产品设计阶段，实现绿色产品应从产品全生命周期的前端及设计阶段开始。目前，国际上公认的绿色设计的原则是“3R”的原则，即 Reduce，Reuse，Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，提高产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。

欧盟“下一代生产系统”研究计划，明确给出了绿色机床的定义即机床主要零部件由可再生材料制造，机床的重量和体积减少50%以上，通过减轻移动部件质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30%～40%，使用过程的各种废弃物减少50%～60%，保证基本没有污染的工作环境，报废机床的材料接100%可回收。

2 我国金属切削机床实施绿色设计的问题

绿色设计又称环境意识设计或生态设计。绿色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到最小。

绿色设计的目标就是将环境需求与产品性能、品质等其他需求有机地结合在一起，要实现这一目标需要将企业现有设计软件与环境信息、全生命周期评价融合集成应用，设计人员在设计过程中可以同时获得技术信息、成本信息、环境数据，在设计开发产品增加环境需求设计，以提升产品绿色化。

然而，目前我国金属切削机床绿色设计遇到的问题是以下几个方面：一是缺乏系统性、可操作性的绿色设计体系和指导方法；二是现有全生命周期评价（LCA）数据及软件与现有设计软件的数据及软件无法有效集成应用；三是缺少系统化的绿色设计信息平台支持产品绿色设计制造一体化应用。

3 金属切削机床的全生命周期绿色设计

金属切削机床全生命周期绿色设计主要包括绿色设计和基于产品生命终期的循环再利用的再设计，如图1所示。

图1 金属切削机床全生命周期过程Fig.1 Life cycle process of metal cutting machine tool

产品绿色设计，包括原材料、机床设计、机床制造、使用、运输维护阶段，主要考虑实现绿色材料、机床设计、制造、使用、维护的过程中资源消耗少，环境污染小，即Reduce。

基于产品生命终期的循环再利用的再设计，包括机床的回收、拆卸、测试与评价、零部件的重用、再制造及材料再生等步骤，对产品进行再设计主要考虑实现对可用零部件的重新使用（Reuse）、零部件的再制造以及材料再生产（Recycle）。

4金属切削机床绿色设计信息服务平台

金属切削机床绿色设计，需要获取设计决策所造成的环境影响的数据，并可将设计结果与给定的需求比较对设计方案进行评价。由此可见，为了满足绿色设计需求，亟需综合运用先进制造技术、信息技术、自动化、管理技术和环境评价技术，建设金属切削机床绿色设计信息服务平台，将现有企业设计数据和软件工具与全生命周期评价数据和软件进行有效集成应用，实现产品的绿色材料选择、制造工艺优化、减量化、模块化、可拆卸、易回收等绿色设计，从而推动绿色金属切削机床产品研制，提升行业整体绿色产品设计水平。

4.1 面向产品生命周期的绿色设计信息数据库

通过对金属切削机床产品生命周期的绿色设计绿色特征属性数据、以及金属切削机床全生命周期评价清单数据资源分析，提出了构建面向金属切削机床材料、设计、制造、回收过程的绿色材料数据库、绿色设计数据库、绿色工艺数据库、绿色回收及再制造数据库、绿色评价数据库6大类19个绿色设计信息数据库，数据库框架图详见图2。

图2 绿色设计信息数据库框架图Fig.2 Framework map of green design information database

4.2 金属切削机床绿色设计信息服务平台框架

以金属切削机床绿色设计资源共建共享需求为导向，集成现有绿色设计信息数据库、生命周期评价软件工具及绿色设计工具，建立涵盖绿色设计外包、绿色设计知识服务（知识搜索、知识推送、知识挖掘、数据采集及融合展示）、绿色设计asp服务（绿色设计软件及工具基于互联网的在线应用服务）、绿色设计评价服务、机床LCA评价数据及工具共性等服务能力的基于互联网的金属切削机床绿色设计信息服务平台。金属切削机床绿色设计信息服务平台技术路线图如图3所示。

图3 金属切削机床绿色设计信息服务平台框架图Fig.3 Framework of information service platform for green design of metal cutting machine tools

5 结论

金属切削机床绿色设计是可持续发展的必然，建立可操作、实用、开放共享的金属切削机床绿色设计信息服务平台，从设计理念、绿色设计评价、工具集成应用、优化方案判定等多个方面为产品绿色设计提供集成应用，将有助于绿色设计制造一体化提升，有效促进绿色产品的实现，提升行业绿色竞争优势。

[1]邱城.绿色制造标准现状及发展重点[Z].2017年绿色制造国际会议报告，2017.

[2]张曙.机床产品创新与设计[M].南京：东南大学出版社，2014.

[3]刘志峰，绿色产品综合评价及模糊物元分析方法研究[D].合肥工业大学，2004.

[4]李方义.机电产品绿色设计若干关键技术的研究[D].清华大学：2004.

[5]沈涛.五轴龙门加工中心全生命周期绿色设计平台的研究与开发[D].东南大学，2016.