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【摘要】绿色制造是制造业发展的趋势和方向，绿色制造是实现制造业可持续发展的必由之路。机床结构的优化设计，采用标准化、模块化设计模式已经实现机床产品的可拆卸性结构设计。
【关键词】数控车床；绿色设计；机械制造
【中图分类号】G712
资源、环境、人口是当代人类社会面临的三大主要问题，特别是环境问题，正对人类社会的生存与发展造成严重威胁。长期以来我们沿袭的生产模式是生产——流通——消费——废弃的开放循环，这种生产模式导致了废旧或闲置设备的回收和再利用率较低，能源和原材料的浪费现象十分严重，产品的回收利用率很低等问题。为此，在制造业中充分运用绿色制造理念是十分必要的。
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位，有必要在数控车床设计中引入绿色制造理念。
1.绿色制造的内涵
绿色制造，即环境意识制造，它是综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造模式，绿色制造的目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用、直到报废处理的整个产品生命周期对环境的负作用最小，资源利用效率最高，并实现经济社会以及自然的和谐发展。
1.1绿色制造贯穿于产品生命周期全过程
传统的产品生命周期是从“产品的生产到投入使用”为止，也称为“从摇篮到坟墓”的过程 ；而绿色设计将产品的生命周期延伸到了“产品使用结束后的回收处理”，也即“从摇篮到再现”的过程，这就扩大了的产品生命周期概念。在绿色制造环境下绿色产品生命周期包括以下五个过程：绿色产品规划及设计开发过程，产品制造过程，产品使用过程，产品维护与服务过程，废弃淘汰产品的回收、重用及处置过程。
1.2绿色制造与环境保护密切相关
绿色制造是一种环境友好型工业化发展模式，它产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节都对环境无害或危害甚小，这有利于保护环境，维护生态系统的平衡和实现可持续发展。为了实现这一理念，它要求在生产制作过程中分析和考虑产品的环境需求，这是绿色设计区别于传统设计的主要特征之一。同时，绿色制造可以将废弃物的产生消灭在萌芽状态，从源头上减少废弃物的产生，使其数量降低到最低限度，大大缓解废弃物处理的矛盾。
1.3绿色制造要求对资源的优化利用
绿色制造是可持续发展理念在制造业中的体现，由于绿色设计使构成产品的零部件材料可以得到充分有效地利用，在产品的整个生命周期中能耗最小，因而减少了对物料及能源的需求，保护了地球的矿物资源，使其可合理持续使用。
2在数控车床产品的设计中，不仅需要考虑其功能、质量、使用寿命和成本，还要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。数控车床绿色设计主要包括数控车床结构设计的简约性，机床结构的优化设计，采用标准化、模块化设计模式已经实现机床产品的可拆卸性结构设计。
2.1结构设计的简约性
绿色数控车床结构设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的结构，以减少资源的消耗和浪费，从而减少对环境的影响。绿色结构设计主要体现在车床设计的简约性与合理性。
结构简单的产品零部件数量较少，联接方法简单。因此，零件的加工量少，加工过程中的能量消耗、以及夹具、量具、刀具、模具等工艺装备数量也会由于零件数的减少而相应地减少；而且产品的体积小，重量轻，材料消耗少。因此，在满足产品功能要求的前提下，简化产品结构，尽量避免设计可有可无的零件，采用功能多样化和复合化的零件以及简单的联接方法，使整体装置的零件数减少，可大大减少资源消耗。就车床的主传动系统来看，普通车床的主传动系统主要是变速机构的设计，传动链多、传动关系复杂、制造周期长。与之相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大。可无级调速，使主轴箱的结构大大简化；同时，由于齿轮的减少，降低了噪声，也减少了功率或效率损耗。目前，在绿色设计规范下，为简化传动链，数控车床主轴驱动主要有三种形式可供选择：①采用变频电机，可实现多档内自动无级凋速；②采用主轴伺服电机，实现无级调速；⑧由电动机直接驱动主轴旋转，其中，主轴电动机与主轴可通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。
2.2优化结构设计
优化车床构件的相互位置关系及其相关尺寸的大小，将会整个机构的体积和重量，从而影响原材料消耗。特别是对于箱体、壳体类等大型零件，其重量系数高，对材料消耗的影响较大。两种曲柄滑块传动机构，曲柄长度r为滑块行程s的一半，滑块行程很大时，整个机构的尺寸随之增大。图2（b）的机构利用杠杆作用使曲柄长度减小，从而减小了整个机构的外廓尺寸。团此在进行结构设计时，合理布置构件，使机构的结构紧凑，外廓尺寸减小，可减少产品的材料消耗。
除了车床构件的位置关系外，在对车床进行合理化设计的同时还要注意改善车床各零部件的受力状况以及零部件的结构工艺性，这主要包括改善零件的可加工性和零件的切削加工量两方面。
2.3采用标准化、模块化设计
产品的标准化、模块化设计可以减少拆卸的工作量，解决产品品种规格、设计制造周期和生产成本之间的矛盾，同时又可为提高产品质量、方便维修，增强产品竞争力提供必要条件。
2.3.1标准化设计
在设计中实行标准化的程度不仅影响到产品的质量和劳动生产率，而且也是影响材料消耗的重要因素之一。标准化设计便于用先进工艺和专用设备进行大批量专业化生产，从而提高生产设备、原材料和能源的利用率，同时采用标准化设计，可简化零件规格，从而大大减少工艺装备的品种和数量。
2.3.2模块化设计
模块化设计是在对一定范围内的产品进行结构分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场上的不同需求。 这其中所谓的模块是一组具有相同结合要素（指联接部位的形状、尺寸和联接件之间的配合或接触等）且能互换的单元，它们的功能可以相同或不同。模块即为构成产品的单元，减少了零部件数量，简化了产品结构。 2.4 产品的可拆卸性结构设计（Design for Manufacturing and Assembly， DFMA）
产品达到其使用寿命终期时，而且造成大量的资源浪费。如将其全部报废丢弃，不仅对环境造成污重复利用，如在设计时，能考虑到哪些零部件可以回收并将其设计成可拆卸的，这样可节省大量的原材料，以便于产品报废后对这些零部件的拆卸回减少对环境造成的污染。
2.4.1数控车床可拆卸性设计的基本要求
为实现数控车床的可拆卸性结构设计，应在易于成型和制造的前提下，通过功能集成、零件组合减少零件数量，减少紧固件数量同，时要易于接近拆卸部位、有足够的操作空间、便于观察拆卸。采用特殊工艺明显降低了制造和维护成本，具有良好的经济和生态效益。
2.4.2拆卸信息描述
为了对数控车床进行高效快捷的拆卸，必须对机床进行有效的拆卸信息描述，通常情况下拆卸设计所需信息包括产品数据（零件图、工艺文件、零件基本数据、领部件连接结构、功能及所用材料等）和使用数据（产品使用条件和场所、产品使用中的维修及零部件更换数据等）。这些信息可归纳为三个方面，即拆卸过程信息、拆卸零部件信息、拆卸约束信息（包括功能约束、几何约束、工夹具约束等）。
2.4.3可拆卸性方法设计
实现可拆卸性设计的方法有两种，一种是基于“典型图谱”的可拆卸性设另一种是计算机辅助可拆卸性设计（CADFD）。
基于“典型图谱”的可拆卸性设计方法是以成组技术为基础的模块化设，这是利用成组技术，将连接结构的可拆卸特征，按产品类型、连接方式等进行分类编码，以形成典型的可拆卸结构图谱，供新产品设计时查阅参考。在产品设计时，首先要检索典型可拆卸结构图谱，从而尽量减少新产品设计的工作量和不必要的重复，同时也保证了产品具有良好的可拆卸性能。
计算机辅助可拆卸性设计（CADFD）就是将基于“典型图谱”的可拆卸性设计过程由计算机辅助完成，并对设计决策给出相应的评价及修改建议。（如图1）
图1计算机辅助可拆卸性设计流程图
计算机辅助可拆卸性设计是一个复杂的系统，它主要包括产品结构设计模块、结构可拆卸性评价模块、模拟分析模块、模拟评价模块和工艺参数生成模块五个方面的内容。
3.结论
绿色制造是制造业发展的趋势和方向，绿色制造是实现制造业可持续发展的必由之路。通过对数控车床产品的绿色化设计的研究分析，建立了其基本要求，依据这些基本要求数控车床的结构进行绿色化设计，有利于保护环境，维护生态系统的平衡。
参考文献
[1]刘飞，曹华军，张华，等.绿色制造的理论与技术[M].北京：科学出版社，2005
[2]刘光复，刘志峰，李钢，等.绿色设计与绿色制造[M].北京：机械工业出版社，1999
[3]刘飞，陈晓慧，张华.绿色制造.北京：中国经济出版社，1998
[4]梁洁，刘飞，陈晓慧.面向物能资源优化利用的产品工艺规划.第三届环境保护技术及装备学术年会论文集，1997.10
[5]刘志峰，刘光复.工业产品可拆卸性设计系统模型研究.中国机械工程，1998，9（1）
[6]陈友熙.新的制造战略一绿色制造.中国机械工程，1997，8（3）
【关键词】数控车床；绿色设计；机械制造
【中图分类号】G712
资源、环境、人口是当代人类社会面临的三大主要问题，特别是环境问题，正对人类社会的生存与发展造成严重威胁。长期以来我们沿袭的生产模式是生产——流通——消费——废弃的开放循环，这种生产模式导致了废旧或闲置设备的回收和再利用率较低，能源和原材料的浪费现象十分严重，产品的回收利用率很低等问题。为此，在制造业中充分运用绿色制造理念是十分必要的。
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位，有必要在数控车床设计中引入绿色制造理念。
1.绿色制造的内涵
绿色制造，即环境意识制造，它是综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造模式，绿色制造的目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用、直到报废处理的整个产品生命周期对环境的负作用最小，资源利用效率最高，并实现经济社会以及自然的和谐发展。
1.1绿色制造贯穿于产品生命周期全过程
传统的产品生命周期是从“产品的生产到投入使用”为止，也称为“从摇篮到坟墓”的过程 ；而绿色设计将产品的生命周期延伸到了“产品使用结束后的回收处理”，也即“从摇篮到再现”的过程，这就扩大了的产品生命周期概念。在绿色制造环境下绿色产品生命周期包括以下五个过程：绿色产品规划及设计开发过程，产品制造过程，产品使用过程，产品维护与服务过程，废弃淘汰产品的回收、重用及处置过程。
1.2绿色制造与环境保护密切相关
绿色制造是一种环境友好型工业化发展模式，它产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节都对环境无害或危害甚小，这有利于保护环境，维护生态系统的平衡和实现可持续发展。为了实现这一理念，它要求在生产制作过程中分析和考虑产品的环境需求，这是绿色设计区别于传统设计的主要特征之一。同时，绿色制造可以将废弃物的产生消灭在萌芽状态，从源头上减少废弃物的产生，使其数量降低到最低限度，大大缓解废弃物处理的矛盾。
1.3绿色制造要求对资源的优化利用
绿色制造是可持续发展理念在制造业中的体现，由于绿色设计使构成产品的零部件材料可以得到充分有效地利用，在产品的整个生命周期中能耗最小，因而减少了对物料及能源的需求，保护了地球的矿物资源，使其可合理持续使用。
2在数控车床产品的设计中，不仅需要考虑其功能、质量、使用寿命和成本，还要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。数控车床绿色设计主要包括数控车床结构设计的简约性，机床结构的优化设计，采用标准化、模块化设计模式已经实现机床产品的可拆卸性结构设计。
2.1结构设计的简约性
绿色数控车床结构设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的结构，以减少资源的消耗和浪费，从而减少对环境的影响。绿色结构设计主要体现在车床设计的简约性与合理性。
结构简单的产品零部件数量较少，联接方法简单。因此，零件的加工量少，加工过程中的能量消耗、以及夹具、量具、刀具、模具等工艺装备数量也会由于零件数的减少而相应地减少；而且产品的体积小，重量轻，材料消耗少。因此，在满足产品功能要求的前提下，简化产品结构，尽量避免设计可有可无的零件，采用功能多样化和复合化的零件以及简单的联接方法，使整体装置的零件数减少，可大大减少资源消耗。就车床的主传动系统来看，普通车床的主传动系统主要是变速机构的设计，传动链多、传动关系复杂、制造周期长。与之相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大。可无级调速，使主轴箱的结构大大简化；同时，由于齿轮的减少，降低了噪声，也减少了功率或效率损耗。目前，在绿色设计规范下，为简化传动链，数控车床主轴驱动主要有三种形式可供选择：①采用变频电机，可实现多档内自动无级凋速；②采用主轴伺服电机，实现无级调速；⑧由电动机直接驱动主轴旋转，其中，主轴电动机与主轴可通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动。
2.2优化结构设计
优化车床构件的相互位置关系及其相关尺寸的大小，将会整个机构的体积和重量，从而影响原材料消耗。特别是对于箱体、壳体类等大型零件，其重量系数高，对材料消耗的影响较大。两种曲柄滑块传动机构，曲柄长度r为滑块行程s的一半，滑块行程很大时，整个机构的尺寸随之增大。图2（b）的机构利用杠杆作用使曲柄长度减小，从而减小了整个机构的外廓尺寸。团此在进行结构设计时，合理布置构件，使机构的结构紧凑，外廓尺寸减小，可减少产品的材料消耗。
除了车床构件的位置关系外，在对车床进行合理化设计的同时还要注意改善车床各零部件的受力状况以及零部件的结构工艺性，这主要包括改善零件的可加工性和零件的切削加工量两方面。
2.3采用标准化、模块化设计
产品的标准化、模块化设计可以减少拆卸的工作量，解决产品品种规格、设计制造周期和生产成本之间的矛盾，同时又可为提高产品质量、方便维修，增强产品竞争力提供必要条件。
2.3.1标准化设计
在设计中实行标准化的程度不仅影响到产品的质量和劳动生产率，而且也是影响材料消耗的重要因素之一。标准化设计便于用先进工艺和专用设备进行大批量专业化生产，从而提高生产设备、原材料和能源的利用率，同时采用标准化设计，可简化零件规格，从而大大减少工艺装备的品种和数量。
2.3.2模块化设计
模块化设计是在对一定范围内的产品进行结构分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场上的不同需求。 这其中所谓的模块是一组具有相同结合要素（指联接部位的形状、尺寸和联接件之间的配合或接触等）且能互换的单元，它们的功能可以相同或不同。模块即为构成产品的单元，减少了零部件数量，简化了产品结构。 2.4 产品的可拆卸性结构设计（Design for Manufacturing and Assembly， DFMA）
产品达到其使用寿命终期时，而且造成大量的资源浪费。如将其全部报废丢弃，不仅对环境造成污重复利用，如在设计时，能考虑到哪些零部件可以回收并将其设计成可拆卸的，这样可节省大量的原材料，以便于产品报废后对这些零部件的拆卸回减少对环境造成的污染。
2.4.1数控车床可拆卸性设计的基本要求
为实现数控车床的可拆卸性结构设计，应在易于成型和制造的前提下，通过功能集成、零件组合减少零件数量，减少紧固件数量同，时要易于接近拆卸部位、有足够的操作空间、便于观察拆卸。采用特殊工艺明显降低了制造和维护成本，具有良好的经济和生态效益。
2.4.2拆卸信息描述
为了对数控车床进行高效快捷的拆卸，必须对机床进行有效的拆卸信息描述，通常情况下拆卸设计所需信息包括产品数据（零件图、工艺文件、零件基本数据、领部件连接结构、功能及所用材料等）和使用数据（产品使用条件和场所、产品使用中的维修及零部件更换数据等）。这些信息可归纳为三个方面，即拆卸过程信息、拆卸零部件信息、拆卸约束信息（包括功能约束、几何约束、工夹具约束等）。
2.4.3可拆卸性方法设计
实现可拆卸性设计的方法有两种，一种是基于“典型图谱”的可拆卸性设另一种是计算机辅助可拆卸性设计（CADFD）。
基于“典型图谱”的可拆卸性设计方法是以成组技术为基础的模块化设，这是利用成组技术，将连接结构的可拆卸特征，按产品类型、连接方式等进行分类编码，以形成典型的可拆卸结构图谱，供新产品设计时查阅参考。在产品设计时，首先要检索典型可拆卸结构图谱，从而尽量减少新产品设计的工作量和不必要的重复，同时也保证了产品具有良好的可拆卸性能。
计算机辅助可拆卸性设计（CADFD）就是将基于“典型图谱”的可拆卸性设计过程由计算机辅助完成，并对设计决策给出相应的评价及修改建议。（如图1）
图1计算机辅助可拆卸性设计流程图
计算机辅助可拆卸性设计是一个复杂的系统，它主要包括产品结构设计模块、结构可拆卸性评价模块、模拟分析模块、模拟评价模块和工艺参数生成模块五个方面的内容。
3.结论
绿色制造是制造业发展的趋势和方向，绿色制造是实现制造业可持续发展的必由之路。通过对数控车床产品的绿色化设计的研究分析，建立了其基本要求，依据这些基本要求数控车床的结构进行绿色化设计，有利于保护环境，维护生态系统的平衡。
参考文献
[1]刘飞，曹华军，张华，等.绿色制造的理论与技术[M].北京：科学出版社，2005
[2]刘光复，刘志峰，李钢，等.绿色设计与绿色制造[M].北京：机械工业出版社，1999
[3]刘飞，陈晓慧，张华.绿色制造.北京：中国经济出版社，1998
[4]梁洁，刘飞，陈晓慧.面向物能资源优化利用的产品工艺规划.第三届环境保护技术及装备学术年会论文集，1997.10
[5]刘志峰，刘光复.工业产品可拆卸性设计系统模型研究.中国机械工程，1998，9（1）
[6]陈友熙.新的制造战略一绿色制造.中国机械工程，1997，8（3）