面向未来的节能型结构设计
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未来,零件的价格受到的能源费用的影响比今天的要大得多,这一费用一直以来都是困扰企业的一个严重问题。老式的生产设备吞噬掉了更多的能源,它们向企业发出了投资改造的信号。面向未来的金属加工机床在设计时已经考虑到了能源价格的影响。

图1 通过一系列的精心设计使得Specht平台机床能够明显节约能耗,优化了的机床加工空间,把对空气流量的需求减少了1/3,从而也减小了排气系统的能源消耗
今天,总拥有成本(TCO)在资金紧张的企业中是一个重要的竞争因素。在这个成本中,不仅仅考虑了机床使用过程中的费用,还考虑了机床使用时所消耗的能源费用。在这一背景下,MAG集团的一项最新研发项目蕴含着两个新的研发目标:让机床的能源消耗更加合理,同时提高机床的能源利用率。这种Specht平台机床是专门为汽车工业而研发设计的,是一种适合于在大批量生产中使用的机床。对于这种新型机床,其设计要求为能源消耗比旧型号要降低30%。这就为机床设计者提出了一系列需要解决的新问题。

避免耗能大的加热阶段

其他机床生产厂在生产类似型号机床时遇到的问题是:为了保障机床的加工精度,整个机床系统首先应该达到稳定的工作温度。在这一个预热阶段,整台设备是按照满负荷工况运行的。这个约占机床总能耗6%的预热阶段在新的设计方案中不能继续使用,并且应大幅的缩短。
为此,机床的许多部位都安装了温度传感器,对机床各个重要部位的温度进行测量,并把温度检测的结果发送给外部的控制计算机。在计算机中,记录了机床精确的膨胀系数。根据传感器发送的数据,计算机绘制出一张机床的3D热状态模型图,并把这个模型传送给机床的控制系统。机床的控制系统根据这个热状态模型确定出各个关键部位的修正系数。在理想的情况下,采用这种方法后新型机床可以完全省略预热运行过程。目前,这种方案还处于理论阶段,但随着每一种新机床的问世,这种3D模型都得到了改进,更加准确,使得下一步的改进提高成为可能。
现在,这种技术的实际应用已经成为最有利的证据:在当前研发的第二代Spech机床中,仅缩短预热时间就可以把单班制生产的能耗降低6%(图1)。
新型机床设备研发的另一个重点是外部设备,具体讲就是机床的电气控制柜。在许多机床中,电气柜都要求进行冷却降温,因为电气柜中的元器件对温度非常敏感。实际做法是使电气柜不受外界环境温度的影响进行最大可能的冷却。即使是在盛夏,温度也很少接近让冷却系统满负荷工作的温度范围,且还应使机床始终可以在满负荷工况下工作。
在新一代的加工机床中,电气柜根据其内部温度进行冷却。温度调节系统所消耗的能源很少,只占整个机床能源消耗的1.2%。这样,在这种新一代机床真正开始加工之前,就比以前的设备节约了约8%的能耗。

电气柜温度的智能化调节

在正式的切削加工过程中,另一项新技术开始发挥作用减少机床的能源消耗。机床的加工空间经过了优化设计。现在的加工中,每分钟都要从机床的加工空间里抽取几立方米的空气,以便对机床的加工空间进行清理。这样一方面提高了加工过程的可靠性和切削工件的表面质量;另一方面也增大了通风设备的换气流量。
新型机床优化后的加工空间有所减小,但保证了有足够的空间安装大型工件。在减小加工空间之后也相应的减少了通风换气的气体流量。改变了气流的流动方式,现在是通过机床工作台中部的换气孔进行换气,将换气时的空气流量减少到了540m3/h,而原来的老型号则为1500m3/h。
另一个重要的节能措施就是能源的回收再利用。“可回收能源的”驱动模块将转动能量回收并存储在一个储能器中,在生产加工过程中可以重新使用这些存储起来的能量。它的储存能力非常大,根据不同的加工方式,其回收再利用的能源不少于1%。
其他结构设计的改进也超出了通常的简单模仿,能够充分满足设计任务书的要求。例如,对机床使用的电磁阀进行了优化设计,其功率也由原来的30W降低到8W,从而明显降低了能耗。

当生产停顿或机床停机时,切断用电设备的供电也有着很大的节能作用。当前的机床在待机工况时所需的能源比满负荷工况时减少50%。通过进一步的优化使得新型机床的待机能耗降低到了20%左右。通过温度补偿技术,使得机床冷却循环系统能够在待机时断电。
在将来的机床中,其待机耗能数值将会下降到满负荷时的5%左右。这种待机功能要求机床在不工作时除了液压系统之外,润滑系统、冷却系统和线性轴驱动系统等的电力供应都要被切断。

自动适应生产节拍的机床

在新一代的机床中,自动化的生产节拍调整功能也会集成到机床的控制系统之中。也就是说:机床能够实现动态的定位运动,在必要时即可加速运动,也可减速运动。这种根据生产调节的运动方式可以节约一大部分能源。
另外,机床的切削加工过程本身也成为人们节能关注的焦点。干式切削加工早已成为技术焦点,因为可以省去冷却液所要支付的费用。在这种背景下,所有的Specht平台机床从一开始就采用了干式切削加工技术。即使是在湿式切削加工中使用这种新型机床,它所消耗的能源也比传统的机床
本文作者:Manfred Berger
原载:MM现代制造
上载于:2009-8-28 9:48:01

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