馮碩春

中國電子科技集團(tuán)公司第46 研究所設(shè)備開發(fā)部，中國·天津 300220

機(jī)械制造；自動(dòng)化；節(jié)能設(shè)計(jì)

1 引言

機(jī)械制造是能源資源消耗量較大的行業(yè)，從中國現(xiàn)有的機(jī)械制造技術(shù)來說，盡管相比較原有的技術(shù)，中國不斷提高機(jī)械制造自動(dòng)化程度，且生產(chǎn)中的能源消耗量也有所減少，但隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，能源資源的消耗總量不斷的增多。為了改變這種現(xiàn)狀，可以應(yīng)用現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)，對(duì)機(jī)械制造與自動(dòng)化進(jìn)行創(chuàng)新改造，從而提高機(jī)械制造的實(shí)際效能，同時(shí)也可以提升機(jī)械制造業(yè)工程施工的環(huán)保性和節(jié)能性，降低單位工程的資源消耗量，制造出符合社會(huì)需求的機(jī)械產(chǎn)品。

2 機(jī)械制造及自動(dòng)化的概述以及應(yīng)用節(jié)能設(shè)計(jì)理念的價(jià)值分析

2.1 概述

機(jī)械制造及其自動(dòng)化（Machinery Manufacturing and Automation）作為一種新型的生產(chǎn)工藝，包含了各種先進(jìn)工程技術(shù)內(nèi)容，其中包括了工程技術(shù)，編程技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，在有效提升機(jī)械生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上也能更好的保證整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)發(fā)展等方面均有著不可替代的作用。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化應(yīng)用也具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先是安全性。與以往傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)相比，現(xiàn)代的機(jī)械制造及自動(dòng)化很大程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的智能化和自動(dòng)化。例如，當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了問題，設(shè)備會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并做出停機(jī)處理，還可以對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行細(xì)致分析，也能及時(shí)有效的采取相應(yīng)措施，真正有效減少生產(chǎn)過程中事故發(fā)生率，從而切實(shí)保障工作人員的安全。其次是應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備相比，現(xiàn)代機(jī)械制造及自動(dòng)化技術(shù)不僅是生產(chǎn)技術(shù)方面的創(chuàng)新，也帶動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域中的技術(shù)革新。并且當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，也取得了較為理想的效果。最后是節(jié)能化和微型化。微型化是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化技術(shù)中的又一特點(diǎn)，在更加完善性能的基礎(chǔ)上，其造型也更加簡(jiǎn)潔并且便于應(yīng)用，而機(jī)械微型化在在一定程度上減少了能源損耗，在節(jié)能環(huán)保上的效果更是十分顯著。

2.2 價(jià)值分析

相比起傳統(tǒng)的機(jī)械與自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念，節(jié)能理念的滲透則具有著較強(qiáng)的專業(yè)性，這種專業(yè)先進(jìn)的節(jié)能理念可以充分體現(xiàn)在自然環(huán)境設(shè)計(jì)，生態(tài)設(shè)計(jì)以及環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)等方面，并且節(jié)能設(shè)計(jì)在工程制造的過程中，也可以真正實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)再利用。并且機(jī)械制造工程可以有效減少對(duì)環(huán)境的污染，也能在機(jī)械報(bào)廢時(shí)，真正做到重復(fù)使用，加速了人類社會(huì)與自然環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。而機(jī)械制造與自動(dòng)化工程實(shí)踐中，往往需要投入較大的人力物力財(cái)力，利用大量資金真正實(shí)現(xiàn)相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用。那么利用節(jié)能理念，能夠真正做到綠色管理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在獲取一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，緩解中國相對(duì)嚴(yán)峻的資源和環(huán)境態(tài)勢(shì)。而當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)也加強(qiáng)了機(jī)械制造業(yè)的自動(dòng)化水平，也在生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性性能等方面起到了重要的作用。那么機(jī)械制造與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合對(duì)中國工業(yè)化發(fā)展更是起到不可忽視的作用。在機(jī)械制造以及整個(gè)自動(dòng)化發(fā)展過程中，更是務(wù)必要引入節(jié)能環(huán)保技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，真正促使中國產(chǎn)業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路，并縮小與西方發(fā)達(dá)國家之間的發(fā)展差距，間接提升中國有的科研水平和工業(yè)水平。

3 節(jié)能設(shè)計(jì)理念在機(jī)械制造與自動(dòng)化過程中的具體表現(xiàn)

與傳統(tǒng)的機(jī)械制造模式相比較，節(jié)能機(jī)械制造具有明顯的先進(jìn)性。機(jī)械制造與自動(dòng)化的過程中應(yīng)用節(jié)能設(shè)計(jì)理念，貫穿于機(jī)械設(shè)計(jì)的全過程。節(jié)能設(shè)計(jì)理念應(yīng)用在自然環(huán)境生態(tài)環(huán)境生活環(huán)境等多方面的改造上。從設(shè)計(jì)理念上來說，節(jié)能設(shè)計(jì)理念，實(shí)際上是對(duì)自然環(huán)境中的資源進(jìn)行二次利用或者是進(jìn)行循環(huán)利用，將機(jī)械制造自動(dòng)化過程中產(chǎn)生的一些廢料得以回收進(jìn)行回收再次利用。這種情況實(shí)際上可以降低生態(tài)環(huán)境的污染程度，同時(shí)也能夠提高能源應(yīng)用的實(shí)際效能，提高節(jié)能設(shè)計(jì)在機(jī)械制造中的應(yīng)用價(jià)值。中國為了加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，必須全面的進(jìn)行機(jī)械制造與自動(dòng)化技術(shù)的改進(jìn)，有效解決資源能源過度消耗的問題。機(jī)械制造中節(jié)能設(shè)計(jì)理念應(yīng)用以下的評(píng)價(jià)體系（如圖1所示），用來判斷節(jié)能技術(shù)是否提高了機(jī)械制造與自動(dòng)化的機(jī)械效能。

圖1 機(jī)械制造節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4 機(jī)械制造與自動(dòng)化設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用路徑

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

機(jī)械制造自動(dòng)化的過程中，首先必須要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，要將節(jié)能設(shè)計(jì)理念應(yīng)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程中，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以從以下五個(gè)方面展開。

第一，選擇使用機(jī)械高能效型的電機(jī)，電機(jī)是機(jī)械生產(chǎn)中能耗量最大的部件，是其核心部件，因此在進(jìn)行機(jī)械制造的自動(dòng)化過程中必須首先要關(guān)注電機(jī)?；谥评湓O(shè)計(jì)的要求可以選擇能耗量低、高效率的電機(jī)，目前中國的機(jī)械設(shè)計(jì)中普通機(jī)床上一般用的是導(dǎo)軌的y 系列電機(jī)，這種電機(jī)基本上被全面淘汰。其能耗高、效率低，決定了其必將被淘汰的命運(yùn)。電機(jī)被淘汰后又用了升降電機(jī)y90-l6，這種電機(jī)的效率達(dá)到了百分之七十二，盡管這種電機(jī)的能效量達(dá)到了百分之七十以上，但從中國出臺(tái)的規(guī)定《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能耗限定值及能效等級(jí)》可以看出電機(jī)能效不能低于百分之八十一，因此這兩種電機(jī)必定被淘汰[[]]。由此可見，在機(jī)械設(shè)計(jì)電機(jī)的選擇上，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，就必須要淘汰這兩種已經(jīng)被淘汰的電機(jī)。

第二，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能，實(shí)際上就是減少機(jī)械制造的無用功的時(shí)間，提高工作的綜合效率，這種設(shè)計(jì)有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)械制造的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)際上是提升工作效率的有效途徑。在這種節(jié)能設(shè)計(jì)中必須要注意移動(dòng)部件屬于高速精密設(shè)備，因此必須要注意精密化設(shè)計(jì)，在符合其基本要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來提高機(jī)械制造的生產(chǎn)效率。

第三，在關(guān)注移動(dòng)部件精密設(shè)計(jì)的過程中還要不斷的優(yōu)化零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些產(chǎn)品的零部件，實(shí)際上是對(duì)移動(dòng)部件的一個(gè)補(bǔ)充。在這一過程中，要想實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)的目標(biāo)，必須要注重這些部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是對(duì)零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少零件的重量，從而有效減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量，以提升其機(jī)械性能。這種設(shè)計(jì)方式一方面可以降低成本，另一方面也不會(huì)污染大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全面優(yōu)化。

第四，機(jī)械制造自動(dòng)化的過程中還必須要進(jìn)行防漏和自動(dòng)回收設(shè)計(jì)的節(jié)能優(yōu)化，要針對(duì)其存在的漏油現(xiàn)象等原料浪費(fèi)情況進(jìn)行優(yōu)化改造，盡可能的減少原料浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。如在數(shù)控立式車床的工作中x 軸采用井下導(dǎo)軌方式，這種方式極易導(dǎo)致液壓油四處飛濺，其會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生不良的影響，因此可以在導(dǎo)軌工作的內(nèi)部設(shè)置防護(hù)罩進(jìn)行引流，將飛濺出的液壓油再次引導(dǎo)回油盒，這種節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效的提高煙油的使用能效，降低使用成本，提高整體的工作效率。

4.2 運(yùn)用環(huán)保型材料進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

除了進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行設(shè)計(jì)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械制造自動(dòng)化應(yīng)該遵循“環(huán)保高效”的利用原則在施工過程中盡量選擇具有“可回收，可再生性”的生產(chǎn)材料進(jìn)行生產(chǎn)，降低不可回收材料的應(yīng)用選擇率。另外這些設(shè)備可以選擇一些環(huán)保材料，滿足容易更換、可循環(huán)使用的要求，以此來降低材料對(duì)環(huán)境的污染率，提高環(huán)保材料的應(yīng)用效率。

4.3 機(jī)械制造工藝的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械制造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在優(yōu)化工藝工序上，機(jī)械制造工藝的優(yōu)化應(yīng)該配合著機(jī)械制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來進(jìn)行，要改變機(jī)械設(shè)備始終處于滿負(fù)荷的狀態(tài)，從而有效的降低機(jī)械設(shè)備的資源能耗量，提升生產(chǎn)效率，提高節(jié)能建設(shè)的實(shí)用性，從而達(dá)到節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

5 上海龍發(fā)機(jī)械廠的機(jī)械制造實(shí)例

該機(jī)械廠在實(shí)際的機(jī)械制造中，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)與零件優(yōu)化結(jié)合起來，實(shí)際上這種節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

在動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)上，主要表現(xiàn)在提高移動(dòng)件的加速度，該廠在最核心的部件電機(jī)選擇好后，將電機(jī)的最大輸出扭距M 值定下來，以一級(jí)電機(jī)輸出效率高于百分之九十一為例子，可以將動(dòng)部件的負(fù)載軸角加速度a 與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量l 驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及m和一級(jí)降速比i 聯(lián)系起來，畫出與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線，從而將本廠動(dòng)部件的負(fù)載軸角加速度a與一級(jí)降速比i的比值降下來，得到系統(tǒng)的最佳響應(yīng)速度。

具體零部件的優(yōu)化流程如下：首先要進(jìn)行橫梁的截面優(yōu)化，不同截面所形成的高度是不一樣的，因此可以利用軟件進(jìn)行綜合分析，分析不同截面下剛度的最大誤差，將其控制在誤差范圍內(nèi)，以便于得出最佳剛度需求，從而進(jìn)行零件建模，實(shí)現(xiàn)零件的有效分析，得出最佳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案[[]]。其次，要進(jìn)行機(jī)械制造自動(dòng)化的控制方式的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，該廠采用液壓控制系統(tǒng)，但由于其本身存在著制動(dòng)工作中液壓油污染環(huán)境、流體傳動(dòng)裝置不宜在高溫下工作以及成本過高等問題，因此在機(jī)械節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，必須要結(jié)合企業(yè)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，盡量利用空氣等無成本的資源，由此可以設(shè)計(jì)出液壓氣動(dòng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)目的[[]]。

6 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然會(huì)以消耗大量的能源和資源作為代價(jià)，中國正在加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的進(jìn)程，針對(duì)中國能源資源消耗量日益突出的問題，進(jìn)行機(jī)械制造與自動(dòng)化的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，勢(shì)在必行。機(jī)械制造與自動(dòng)化的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)必須要結(jié)合工作現(xiàn)狀，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制造工藝以及應(yīng)用材料等的全方面的優(yōu)化，來有效降低機(jī)械制造與自動(dòng)化的成本，提高能源資源的有效率，這種節(jié)能設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用也符合節(jié)能型社會(huì)的建設(shè)要求，可避免出現(xiàn)消耗量大和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。