实现机床整体节能效果的技术创途径与创新方向的探讨

【内容提要】一个企业的成长经历多个阶段，提升机床整体节能技术已成为现代机床制造企业发展中必然经历的阶段。随着时间的推移，节能技术的创新进步，无论在设备、工艺与创新环节等方面，均需要进行关键技术的提升，以达到世界市场对装备制造业的需求。本文所阐述的节能技术创新课题、创新亮点、理论准备、创新途径以及创新方向，是全面提升机床整体节能技术的有机组成。

【关键词】　机床制造　整体节能　创新途径　关键技术　创新方向

节能降耗是21世纪中国装备制造工业的永恒主题。在全球提倡绿色经济、低碳经济的当今时代，节能的发展趋势和环保要求，同样在数控机床行业得到响应和实践。整体节能技术是降低成本、提高企业市场竞争力的有效手段，是实现机床制造企业可持续发展和环境保护的现实需要。

一、立足于机床工具质变成果的节能技术创新课题

凡是关心我国机床加工节能领域技术进步的人，势必要联系世界范围内的机床节能技术发展。因为技术与科学是没有国界的，而且是相互促进的。近三十年来世界机床加工节能领域的技术进步，我国都一直积极参与，并取得了重大成果，特别是在数控机床工具实现了技术的质变，意味着机床工具的智能化发展正在推动着整体节能技术向着更高的层次演变。

一是数控机床的出现使得智能化节能成为可能

机床工具产业是国装备制造业的组成，是国家战略产业的选择之一。人类的生产工具由手动发展到具备动力，马克思认为这是一次人类生产工具的大革命，这种具备动力的生产工具，被马克思称之为“工具机”，我们称之为机床。由于时代的局限性，马克思没有可能亲身经历和接触到人类生产工具具备智能的这一变化。而当机床实现数控控制功能后，人类的智能型生产工具的雏型才有可能出现，这是人类生产工具新的具有划时代意义的发展。机床作为生产工具具备智能特性是人类生产工具具有划时代意义的发展，人类正在迎接一个智能型生产工具时代的到来。由于数控机床的出现推动着节能技术的提高，而且促使最大限度地降低资源的消耗与进行资源的智能化循环利用成为可能。　

二是数控机床在加工过程中实现了智能化节能

数控机床的小型化、简易化与普及化，彻底改变了大机床生产小零件所造成的能量浪费，同时，数控机床的加工功能对影响加工过程的多种参数及功能作出自我判断并修正、和自我正确选择并作出决定方案的机床；即智能型机床能够监控、诊断、评价、补偿和修正在加工过程中出现的各类偏差。例如刀具半径自动检测、刀具破损检测、多轴同步差异等，降低了包括刀具在内的许多不必要的能耗，并能提供最优化的加工方案，如调整机床加工时间、工艺路线、选择最佳加工参数、主轴运行状况、位置补偿、精度修正、热变形补偿等等，节能降耗拓展了更为广阔的空间。

三是实现整体节能效果是技术创新的重要课题

机床企业追求高质量产品，绿色机床是目前高质量机床的极致。绿色机床自然是实现整体节能的数控机床，其整体节能的效果是紧紧围绕“整体节能量”与“整体减排量”两个方面展开的，是指能源的科学规划、能源的优化调整、设备的高效配置、整体的节能方案、系统的优化运行、资源的综合利用、资源的循环利用、持续的有效服务、能效的智能控制、技术的全面创新以及新能源优化供应等方面。一句话，在思想节能、管理节能、技术节能、创新节能和理财节能的科学理论指导下，最大限度地节约能源和利用资源。

机床制造的整体节能要求，来自于企业的节能计划，节能计划的核心是显著提升机床以及整个加工过程的节能效果。想要达到整体节能计划效果，是一项技术创新的重要课题，也是绿色机床制造的重大研究课题。要完成这一课题，需要采用新的环保材料和生产工艺，改变产品结构和方式，研发新的技术手段，改进废弃物的回收方式等，把环保节能的绿色要求和指标嵌入到了数控机床中，使数控机床对环境的影响降低到最小程度。

二、正在突破的机床整体节能技术的三个创新亮点

不久前，在位于德国西南部的巴登?符腾堡州中部内卡河谷地，靠近黑森林和士瓦本的在斯图加特国际金属加工展览会(amb)上，27家德国机床制造商及机床相关企业围绕生产过程中可持续及节能环保主题，展示了其体现blue　competence（节能环保行动）倡议的先进产品及解决方案。这样做的目的是在共同的“节能环保”话题下，进一步强调生产过程中对可持续发展和节能环保的注重和实践，并且让观众看到每个企业所特具的能力。中国机床界尽管没有这样的倡议，但在机床整体节能技术上已经开始大规模践行，且成果累累，亮点纷呈。在这里介绍正在突破的机床整体节能技术的三个创新亮点，旨在借鉴其启迪作用。

一是机床加工方法逆向思维的突破拓展新的节能领域

所谓逆向思维法，即打破常规，从与平常思维方法相反的方向入手思考问题，从事情的结果去推导事情的发生过程或者从事情的内部着手考虑。我们在分析机床线路时，经常运用逆向思维法，既可分析电气线路工作原理，又可熟悉相应断点产生的故障及其排除方法，达到事半功倍的效果。　

“事半功倍”的效果，是致力于机床整体节能效果在技术创新方面的目的与突破口。大家记得，快速成型技术是近20年来出现的一种机床加工方法，与一直沿用至今的传统“去除材料”切削、冲剪、切割、磨削的方法根本不同，快速成型技术实际上是反其道而行之的以“材料堆积成型”或称之为“材料累加”方法、“增材制造方法”来达到制造工件原型的一种方法。这种加工方法是传统加工方法逆向思维的重大突破，是机床加工原理的巨大变革。在实践中，我们采用复合纸、高聚物质、金属粉末、高温合金、复合陶瓷、铸造型砂等作为加工原材料；利用电热、激光束、电子束作为能量源，按分层实体制造(lom)、熔融沉积成型(fdm)、紫外线激光固化(sla)、激光区域烧结(sls)等方法来实现原型零件造型，用以加速考核零件设计的正确性与可行性，大大缩短整机开发生产周期，实现了机床工具产品的整体节能效果，除了应用于制造机床零件原型、型砂制芯，还进入了立体艺术品型体塑形和人体医学仿生件(如骨关节)制造等相关领域。

显然，这是计算机科学、新材料科学、新能源科学综合集成发展的最新节能产物。凡是在这一领域中开发的国内知名企业，如华中科技、清华、西安交通、同济、中科院及上海联泰、北京瑞科达、武汉滨湖机电技术等院校、民营科研单位及企业所开发的产品，都已进入世界先进行列。目前，市场上的产品品种繁多，多达几百台，该项技术已出口新加坡。　

二是机床结构出现的革命性变革有着出色的节能表现

“并联结构”机床，对于业界人士，已经耳熟能详。这是近20年来世界机床设计出现的革命性变革，也是机床工具产品实现整体节能效果优秀产物。“并联结构”完全不同于所有传统机床结构，传统机床结构是串联结构，即是按笛卡尔坐标沿三个坐标线方向运动和绕这三个坐标转动依次串联叠加起来，形成所需刀具的相对运动轨迹的机床结构，其所有的结构几何精度误差、力的传递和刚度的损失，都会形成串联累积而成为致命的薄弱环节。而并联结构机床，是通过多杆结构在空间同时运动来移动主轴头实现加工动作，与串联结构相比，并联结构具有更为简化、刚度更高、动态性能包括精度保证及运动效率更为优越，整体节能效果更为明显。

在世界范围内，大约有十几个国家20多个团队在从事这方面的研发，并且在努力提高性能之中。我国机床工具业的代表，如哈尔滨量具刃具集团与哈尔滨工业大学合作研发的并联结构品种“六杆结构”已批量生产六七台，成功地应用于哈尔滨汽轮机厂叶片加工生产线中；齐齐哈尔第二机床集团与清华大学合作开发的龙门式“混联”结构机床——串联与并联混合机床，是我国独立构思的品种，已成功用于哈尔滨电机厂的大型水电站设备制造中。　

“并联机床”在进行不同功能配置后，可广泛应用于航天、航空、机车、汽车、工程机床、模具工业作铣镗、钻削、磨削、焊接、铆接、打毛刺和装配之用，可以单机使用，也可以多台配置成生产线，以达到整体节能效果的进一步提升。　

三是机床工具概念的变异呈现整体节能的潜力

机床加工领域的进步属于“量变”或称之为“渐变”的例子不少，基本都是围绕加工精度的提升，以实现机床的整体节能效果。由于每十年几乎提升一个数量级，亚微米、纳米加工不断升级等等，这就是技术创新的潜力所在。

一方面，从传统机床的加工工艺体系的以硬克软到以“软”克“硬“的加工工具的出现，带给人令人眼花缭乱、应接不暇的感觉。传统的加工工艺一般是由机床→工具→夹具→工件组成，而工具环节按传统的分类无非是车刀、铣刀、镗刀、钻头、拉刀、砂轮、冲模、压模之类。而所有这些工具无一不是具有一定硬度的实体，如高速钢、工具钢、硬质合金、立方氮化硼、单晶及聚晶金刚石、陶瓷等材料制成的工具。后来，氧炔高温切割方法出现了，电能源的放电加工方法、电化学加工、激光加工方法、电子束加工法、离子注入法、光刻法等陆续出现，直到近年，属于“冷能源”、“软介质”的高压　“水刀”加工方法以崭新姿态登场，配合多座标数控技术在汽车工业新产品试制，可以大大缩短周期，减少能耗。尤其是高压水刀加工在其它应用领域的迅速拓展，显示了以市场需求为导向的节能技术研究与应用，正在形成机床整体节能技术的多元化发展。另一方面，采用5轴加工技术和全套技术，减少装卡次数可以明显降低能源消耗并减少所需机床数量，特别是一次装夾完成整个加工非常有意义,并极大地提高产品精度。

三、实现机床整体节能效果技术创新的理论准备

众所周知，机床产品的整体节能，必须以最少的资源、最低的成本、最微的排放，生产出最大量的高质量产品，才能得以实现这个目标。前文提到的blue　competence明确工业生产持续发展的概念，在原材料使用及加工过程中避免对环境造成恶劣影响上，对此倡议的遵守，但企业家们都知道，blue　competence倡议的产生，不仅仅是市场的需求。因为机床产品系非功能性单元，无法用一个固定的标准来衡量。因此，需要开发一个模块化概念，在这个概念下，每个机床企业的能源消耗的可改进潜力可以被量化。通过模块的改变，可以在不影响其它生产任务的前提下，最大化的节约能源。各种措施必须考虑到机床的使用人员，机床在使用中所消耗的能源才是对环境造成的影响最大的环节。

一是通过模块化技术在提升效率的基础上实现节省资源

模块化技术是切削加工和生产过程中提高能源利用效率的关键。这项创新技术核心是确保加工过程无缺陷，使用这项技术可以在实际加工前，采用与实际机床完全相同的虚拟机床进行加工，以检查nc程序，如果需要也可以优化nc程序。利用虚拟机床技术，可以最佳地检查并计划加工和生产过程，最大限度缩短准备时间并避免废品产生。而且，由于计算速度快且工作可靠，因此可以更加合理地计划和提升机床整体利用率。此项技术使用户可以在虚拟生产过程中更合理地安排车间加工顺序。简言之：不仅能提高单件加工过程效率，也能提高整个生产过程效率，以致最终达到大面积节省能源的目的。

二是经营管理中采用绿色模式可降低约20%的能耗

绿色模式，指的是绿色制造运行模式，是应用绿色制造技术的生产组织和技术系统的形态与运作方式。它以实现对环境负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化为目标，以人、组织、技术、管理相互结合为实施手段，通过信息流、物料流、能量流和资金流的有效集成，使得产品能够上市快、质量高、成本低、服务好、满足绿色要求，以赢得市场竞争。绿色模式用于进一步降低切削过程中的能源消耗，根据加工要求高效调整切削参数，降低能源消耗。这个软件由相关电子公司开发，能在加工期间收集性能数据并通过数控系统调整加工过程。nc程序进行第一次加工期间，按下按钮时，保存最大切削力。从第二个工件开始，系统基于最大值有效调整切削力，缩短加工时间。而且，要求测量结果仅仅使用绿色模式一项，在工件加工期间即可降低约20%的能耗。

三是采用自适应启闭运行模式来降低非生产时间的能耗

一方面是机床的自动关闭装置使客户可以自定义数控系统待机参数，降低能源消耗。用户可用数控系统控制面板设置不同的系统关机时间，类似于笔记本电脑省电模式——这项功能适用于所有需要数控机床经常执行无人值守换班生产的用户。与机床完成加工时机床通常保持工作状态不同，自动关闭控制机床进入休眠状态，最大限度降低能源消耗。自动关闭功能还能扩展为支持唤醒和预热功能，也能控制机床在设定的时间进入工作状态并预热至工作温度，实现能耗的减少。另一方面是整体节能装置是服务于数控机床的一个新款产品，有类似的降低能耗功能；但其停机指令不来自数控系统，而是来自一个独立硬件系统，这个硬件系统可以连接任何机床制造商的机床。该节能装置也能用预定的功率值检测非生产时间，功率下降至预定值以下时立即使机床进入休眠状态。用户可以单独设置多达10个或更多开关时间。此外，也能关闭加工区照明，还能保证在任何情况下具有重新启动功能，因为该节能装置链接整体节能系统用急停操作状态触发休眠指令；而且允许按键开关短时间不工作，方便维护或编程。再一方面，目前已经出现的具有智能控制机床功能特性的机床，我们称之为自适应控制电火花加工机床，即根据加工参数变化自我调整电极与工件间的放电间隙，从而取得最佳的加工节能效果。

四是整体优化机床的工作程序以及加工过程有助于节约能源

数控机床的整体节能项目的主要目的是优化设计，从而提高设备的能源使用效率。特别是它的运动部件重量降低了50%，因此大幅降低了能源消耗，同时大幅提高了加速度和运动速度。即使大量运动，例如换刀和换托盘，不再使用液压控制，而改为机电控制，这就是通常所说的应用干式加工。由于无需冷却液供应和排放，因此能降低冷却液的采购、存放和运输的有关成本,而且也可以大幅降低工件的清洁成本，以最大限度降低油液对环境的危害，而且能源使用效率更高。其他节能技术措施还包括：驱动系统的能量回收，使用高效电机，使用热交换器，环保照明控制技术，协调齿轮驱动主轴的转速/扭矩，最佳的适应性能范围或使用更高效的能量转换部件。

四、中小型机床企业实现整体节能的创新途径

发展绿色机床，加强节能科技创新，是一项整体性和创新性都很强的系统工程，企业必须树立起有利于绿色机床技术创新和推广应用的节能意识、标准规范体系和产业化促进体系等。在能源效率上坚持整体性观点，而且还意味着机床行业不仅仅优化单台产品，还要与用户和零部件制造商协同合作，提高工艺和最终产品的能源效率。只有通过多方面、多层次的技术、体制和机制的创新，才能加快节能机床的开发与推广应用。

一是努力形成整体节能技术的创新思路

根据机床制造的整体节能要求，具体到节能设计环节，应考虑选择最适合机床应用的零部件，制造零部件的材料符合环保且可以回收利用，具体到节能生产环节，应考虑到机床使用和工件加工过程能够降低空运转功率，减少功率损耗，例如一次装夾加工，能做到节能因素选配机床，并尽可能减少机床使用和工件加工过程中产生的各种废弃物，并保证这些废弃物不污染工作环境和自然环境。总之，做到整体考量数控系统和加工方式、用智能化软件的加工过程以及生产企业的服务以实现整体节能。

二是依靠技术创新进步实现整体节能效果

整体节能的指导思想，就是以提高能源资源利用效率为核心，以转变机床产业的发展方式、调整产品结构、加快技术进步为根本，建立严格的管理制度，实行有效的激励机制，充分发挥市场配置资源的基础性作用与市场需求的主体作用，调动市场主体节能的自觉性，动员企业力量,加快构建节约型的生产方式、产业结构和消费模式，以能源的高效利用促进经济社会可持续的发展。一句话，技术节能是我国实现节能目标的途径之一。首先，努力并坚持开发高效节能工艺的整机零配件和产品，通过联盟方式与自主知识产权解决节能共性和关键技术的示范项目，为节能机床的整体节能提供技术支持。其次，要加快用高新技术和先进技术改造提升自身的传统产业，加快本企业的节能技术改造，通过实施整体节能工程技术措施，尽快形成稳定、可靠的节能工程技术能力，力争在整体节能重点领域的技术研发、技术改造、技术推广上取得新的突破。其三，在工厂规划及建设、设备购置及安装、工艺设计与布局、产品设计与生产、车间排污及能耗、零部件配套等各个环节，加大技术创新力度，提升了能源利用率，减少了交通运输量，降低了物流成本，增强了节能降耗、减排降噪效果。

三是积极推广节能新技术

在能源效率上坚持整体性观点，这意味着机床行业不仅仅优化单台产品，还要与用户和零部件制造商协同合作，提高工艺和最终产品的能源效率。机床节能新技术的推广，立足于建立高效顺畅的企业管理新机制、新模式。它的首要任务，就是继续淘汰落后技术，资源利用效率低，环境污染严重的工艺、设备和装置，有效地降低资源消耗，减少污染排放。其次，加快企业整体节能新技术、新产品的推广应用，采取多种形式加快低能效设备的淘汰更新和高效节能产品的推广应用。其三，通过创新销售模式，倡导机床消费节能，以优异的节能降耗效果带来的经济效益，引导机床用户树立节能意识，积极淘汰高能耗产品、购买节能型产品。

四是打造节能服务企业

机床工具的节能服务企业，指的是为使用机床的客户提供节能诊断、节能技术改造与引导节能新产品等服务的企业。这项工作推广时,政府应对节能服务企业财政补贴。服务的形式，可以通过签署合同来保障节能效果。因为合同能源管理是发达国家普遍推行的、运用市场手段促进节能的服务机制。在本行业，具体是指提供节能服务的企业与用户签订节能管理合同，为使用单位提供节能技术服务，并通过分享节能效益方式回收投资和获得合理利润。采取合同节能管理方式实施节能技术改造，机床用户不仅不需要投入和承担风险，而且在合同期内与提供节能服务的企业分享节能收益，合同实施结束后，则独享全部节能收益。实行合同节能管理，可以大大降低机床使用单位在节能改造中所要承担的资金和技术风险，充分调动节能改造积极性，实践证明，这是行之有效的节能措施，也是利用市场机制促进节能减排、减缓温室气体排放的有力措施，是培育战略性新兴产业、形成新的经济增长点的迫切要求，是建设资源节约型、环境友好型社会的客观需要。数控机床生产企业还应注重与客户共同承担起积极发展并有效利用资源的环保责任；数控系统开发企业更应积极提供数控机床的节能软件和服务，使机床功能的开发、生产和使用更加节能。

五、智能化是未来实现机床整体节能的技术创新方向

机床工业的发展壮大得益于智能化新技术在机床工业中持续广泛的应用和推广，实现数控机床的整体节能效果无不带有智能化创新技术应用的烙印。发展机床整体节能技术，关键在于紧密跟随智能化技术的发展步伐。近年来，陆续出现的机床智能化功能的进一步增添，标志着机床技术在发展道路上的质变。因为计算机控制技术、网络技术、软件功能拓展，既为机床智能化提供了物质基础，也为节能智能化提保障与效率。

一是数控系统的模块化设计显示了更快更强的节能效应

数控系统是数控机床的核心，是数控机床的大脑。更快更强的数控系统采用了最新的智能化技术和产品，均具有模块化、开放、灵活而又统一的结构，提供了可视化界面和网络集成功能，具备多通道多数控轴功能，适用于所有工艺并适应整体节能的技术要求，使得数控机床具备了更加强大的运算和处理能力，能够完成更为复杂和精细的加工。此外，采用最新芯片技术的超高速处理器等高端硬件和光纤传输技术在新型的数控系统中得到应用，将大幅度提高数控系统的性能，有利于整体节能设计的一步到位。

二是采用智能化部件实现了高速高精度所形成的有效应

高速高精度并不仅仅是指数控机床对工件的加工速度要高要快，生产的产品精度更高，还要求数控机床在工件加工的整个过程中都要高速运转、精确定位，以减少工件在准备、加工、转运、收储等各个环节占用的时间与损耗，综合提高工厂的生产效率，降低生产成本。具体地说，更高精度的机械产品在实际使用中会带来更多的益处，如减少运转过程中的摩擦和发热，降低能源损耗，使整机运转更加平稳可靠，减少故障出现的几率等。为了实现整体节能所需要的高速高精度的目标，智能化产品厂商们加大了技术投入和开发力度，研发了更多的智能化产品应用于数控机床，如直线电机、电主轴、更高线数的编码器、精度更高更稳定的光栅尺、系统控制断屑、刀具断屑等，这些智能化产品为数控机床实现高速高精度功能与整体节能提供了强有力的支持。

三是采用日渐成熟的复合加工技术以达到节能效应

当今的机械加工更趋向于高精度、多品种、小批量、低成本、短周期和复杂化的加工，复合加工是提升数控机床自适应能力与整体节能效果的一个重要技术发展方向。复合功能使数控机床显著提高了工件成品的生产速度，能够大大消除散列工序加工过程中的运输、装夹及等待时间，使加工周期大大缩短并降低加工车间的在制品数量，杜绝材料与电能、人工的浪费。综合印刷、照相、激光、医疗器械等领域技术，以减少加工辅助时间，达到节能目的。复合加工机床对智能化产品的要求更高。复合功能的实现依赖于针对工件和刀具的实时检测与智能判断、数据运算、刀具管理及系统控制。高灵敏度的探针、高速处理芯片、体积更小、响应速度更快的传感器和执行器等智能化产品和技术在整体节能机床上将会得到更为广泛的应用。

四是采用智能化网络化技术所形成的节能效应

目前，具有网络化功能的智能化产品在数控机床中得到大量应用，这也是智能化产品和技术飞速发展的动力之一。数控系统生产商已经在系统中设置集成网络接口，来满足和适应生产加工的快速化、信息化、网络化与整体节能的要求，而国内使用信息化、网络化机床的用户也正在从中获得巨大的收益。因此，数控机床应具备并实现语音、图形、视频和文本的通信功能。通过网络信息的共享，生产计划调度部门可以实时监控机床工作状态和加工进度，向网络信息的其他使用部门传递共享信息，在网络上观察加工过程、统计报表、跟踪生产进度、查看故障报警、在线诊断及帮助排除故障，成为提高整体节能效果的样板。

综上所述，智能化产品、数控系统和数控机床制造商们根据各自的整体节能研究成果，采用新的环保材料和生产工艺，改变产品结构和方式，研发新的技术手段，改进废弃物的回收方式等，把环保节能的绿色要求和指标嵌入到了数控机床中，以使数控机床对环境的影响降低到最小程度。数控机床的整体节能技术的进步和发展为现代制造业的节能减排提供了良好的发展条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化、网络化、柔性化、绿色化的方向发展。可以预见，随着数控机床整体节能技术的发展和数控机床装备的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的环保革命和可持续发展的局面。

-全文完-