基于碳足迹方法的数控机床绿色度评估**

李 涛 杨庆东 祝英平

(①北京信息科技大学,北京 100192；②北京工研精机股份有限公司，北京 101318)

基于碳足迹方法的数控机床绿色度评估**

李 涛①杨庆东①祝英平②

(①北京信息科技大学,北京 100192；②北京工研精机股份有限公司，北京 101318)

从机床绿色设计的自然属性出发，选取对机床绿色特性影响较大的因素进行研究分析。主要是从机床结构件材料耗能和加工过程中电能的消耗研究，采用碳足迹的方法，建立面向数控机床绿色度的计算模型。根据得到的二氧化碳量，对数控机床设计方案进行绿色度的评价，并提出改进方案。最后，将该评价方法用于小叶片五轴联动立式加工中心的设计中，验证了该方法的有效性。

数控机床；绿色度；碳足迹；能源消耗

现代数控机床日益高速化、结构轻型化，用户对机床的绿色度和适应性要求也愈来愈高，绿色度表示的是机床对环境的影响程度，对数控机床进行绿色度评价显得尤为重要。文献[1]建立了碳排放模型，并对机床制造过程碳排放特性进行分析，根据碳排放量情况，提出了节能减排的措施建议；Johnson等研究了英国典型的空气源热泵系统从原材料生产、产品制造安装及使用到报废处理整个过程的碳排放，进而对碳排放贡献比较大的关键部件进行了分析[2]；文献[3-4] 为了给低碳产品开发提供辅助支持，采用模块化思想和生命周期分析方法建立了基于产品结构的碳足迹分析模型；文献[5] 提出了一种新的流水车间调度问题的数学规划模型，考虑峰值功率负载、能源消耗和相关的碳足迹，并通过具体的案例验证结论。

本文主要是从数控机床制造和使用阶段的能源消耗着手，利用碳足迹的方法，对数控机床的绿色度进行评估。

1 碳足迹方法

碳足迹起源于生态足迹的概念，但现在已形成其特有的含义。碳足迹是对某一产品或活动在生命周期内直接及间接引起的温室气体排放量的度量，以二氧化碳质量当量为单位。

计算出的碳排放量是评估数控机床绿色度的重要指标，碳排放量的值是一个相对指标，指数大小并不能完全代表该方案的合理性，而是一种考虑用户加工目标的评价指数。碳排放量可指导设计者针对用户的加工目标和绿色度要求选择合理的设计方案，也可根据评价结果对用户提出适应度建议，并且可以从局部碳排放量分析出耗能最多的零部件，从而设计出更适合于用户自身需求的产品。

2 碳排放量的计算

2.1 概述

本文主要从数控机床的制造阶段和使用阶段研究二氧化碳的排放量。从机床构成而言，机床基础部件、运动部件等铸铁或钢质部件占数控机床的90%左右，是机床原材料碳排放的主体；在机床的使用阶段，最大的能源消耗就是电能，机床正常运行过程中，主要分为加工状态和待机状态，其中机床冷却润滑系统、控制系统、照明系统等辅助系统的电能需求构成了“常值”能耗；主轴系统、驱动系统等电能需求构成了“可变”能耗。

2.2 制造阶段碳排放量计算

机床制造阶段包括零部件原材料制备、零部件毛坯加工、零部件的热处理、零部件的机加工、整机装备等，其中原材料制备是该阶段高能耗环节。

原材料制备阶段碳排放量CEm计算公式如下：

(1)

式中：Gi为数控机床主要结构件的重量；EFmaterial为原材料碳排放当量系数。

2.3 使用阶段碳排放量计算

机床加工过程电能消耗主要分为辅助运动电能消耗、空切削运动电能消耗和材料去除电能消耗三大部分。

2.3.1 辅助运动

辅助运动主要分为喷冷却液和自动换刀，消耗电量E1计算公式如下：

E1=(P1+P2)·t1

(2)

式中：P1为冷却泵的功率；P2为自动换刀的功率；t1为辅助运动消耗的时间。

2.3.2 空切削运动

空切削运动主要分为主轴旋转、主轴旋转加速、进给运动和快速进给，消耗电量E2计算公式如下：

E2=P·t2

(3)

式中：P为空切削运动中消耗的平均功率；t2为空切削运动消耗的时间。

2.3.3 材料去除

材料去除功率Pc计算公式如下：

(4)

不同加工方式的材料去除率公式也不同，式(5)～(7)分别为车削外圆、车端面和钻孔时材料去除率Q的计算公式：

Q=π·n·f·ap(D-ap)

(5)

Q=π·n·f·ap·D

(6)

Q=π·n·f·D2/4

(7)

式中：n为工件转速；f为进给量；ap为背吃刀量；D为工件加工表面的直径。

铣削加工功率P计算公式如下：

(8)

vf=fn

(9)

式中：k的值为5.4。

材料去除时间t的计算公式如下：

(10)

式中：L为工件车削长度；f为进给量；n为主轴转速。

材料去除消耗的电能E3计算公式如下：

E3=Pc·t

(11)

所以数控机床使用阶段碳排放量的计算公式如下：

CEe=(E1+E2+E3)·EFelect

(12)

式中：EFelect即电能的碳排放系数，本文选用1.072 kg CO2e/kWh。

3 实例验证

2009年我国正式启动了“高档数控机床与基础制造装备”重大专项，旨在发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展需求。小叶片五轴联动立式加工中心是针对中小型航空发动机叶片工件铣削、车削加工和检测的特殊要求，研制的五轴加工中心，本文将对其进行绿色度的评估。

表1 机床主要结构件的重量

铸件名称重量/kg备注铸件名称重量/kg备注Y溜板296HT研具618HT左转台座122QT床身3340HT台面128HT立柱2080HT摇篮134QT滑座540HT右支座208QT主轴箱290HT丝杠传动部件45045钢

假设机床平均一年运行300天，平均一天运行20 h(两班制)。通过式(1)～(12)可以计算出小叶片五轴联动立式加工中心一年中在制备阶段和使用阶段总的碳排放量约为741 t。其中加工中心零部件的制造主要采用铸铁，铸铁的碳排放系数为4.445kg CO2e/kg，45钢的碳排放系数为5.926 kg CO2e/kg，计算出加工中心制备阶段碳排放量约为37 t；使用阶段的碳排放量约为704 t，占总排放量的95%左右，并且主要集中在材料切除阶段。

表2 机床基本规格参数

规格参数主轴电动机/kW46X/Y/Z电动机/kW8．8/8．8/13．19A/C轴转台电动机最大功率/kW28．2/19．7A/C轴转台电动机额定功率/kW6．62/3．73外围功率/kW10冷却方式水冷

表3 叶片加工的基本参数

叶片长度/mm10叶片横截面尺寸/(mm×mm)小于41×21切削深度/mm0．5主轴转速/(r/min)1500

目前，基于碳足迹的绿色度评估还没有一套完整的标准，所以本论文选用与小叶片五轴联动立式加工中心相近的五轴联动精密加工中心进行比较，五轴联动精密加工中心总碳排放量为926 t，制备阶段碳排放量为90 t，使用阶段为836 t。小叶片五轴联动立式加工中心与其相比，绿色度较好，机床主要结构件材料比较轻量化。不过自身相比，使用阶段耗能相对比较多，通过优化其使用阶段的能耗可显著降低机床生命周期碳排放量，因此使用过程的优化与控制是优化机床碳足迹的关键，可以改善其编程方法和路径，改进主轴的设计，加快机床的换刀速度。

4 结语

本文从控制数控机床质量的源头，即在机床设计完成，投入制造之前，对机床进行科学的绿色度评价。采用碳足迹的方法，通过分析机床制造、加工过程中的能量消耗，建立计算模型，得出最终的碳排放量。评价结果不能用行与不行的标准来判断，而是根据用户个性化需求以及机床本身的结构特点来综合评价，进而选择合理的设计方案。小叶片五轴联动立式加工中心的设计实例证明，这种面向加工目标的绿色度算法是用户易于接受的简单、有效的评价方法。因此，本文提出的基于碳足迹方法的数控机床绿色度评价模式，是一种能够获得最佳效益的适用性评价方法。

[1]李先广,李聪波，刘飞,等. 基于Petri网的机床制造过程碳排放建模与量化方法[J].计算机集成制造系统,2012,18(12):2723-2735.

[2]Johnsonep. Air-source heat pump carbon footprints: HFC impacts and comparison to other heat sources[J].Energy Policy,2011,39(3):1369-1381.

[3]鲍宏,刘光富,王吉凯.采用碳足迹分析的产品低碳优化设计[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，25(2)：264-272.

[4]符永高，万超，赵新，等.基于生命周期的家电产品碳足迹计算方法研究[J].日用电器，2014(11)：50-54.

[5]Kan Fang, Fu Zhao，JW Sutherland.A new approach to scheduling in manufacturing for power consumption and carbon footprint reduction[J].Journal of Manufacturing Systems,2011,30(4):234-240.

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Greenness evaluation research of NC machine based on carbon footprint method

LI Tao①, YANG Qingdong①，ZHU Yingping②

(①Beijing Information Science & Technology University,Beijing 100192, CHN； ②Beijing Precision Machinery & Engineering Research Co., Ltol.,Beijing 101318,CHN)

Starting from the natural properties of green design, the key factor which has a great impact on greenness of NC machine, is analyzed and calculated. This paper uses the method of carbon footprint, focus on the machine structure material consumption and power consumption in the manufacturing process, and computational model for greenness of NC machine is built. The greenness evaluation are conducted for the design schemes of NC machine according to the amount of carbon dioxide, and put forward the improvement plan. Finally, the application effect of the method is shown through the development case study of small blade CNC controlled 5-Axis vertical machining center.

NC machine; greenness; carbon footprint; energy consumption

TH123

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.004

李涛，女，1990年生，硕士研究生，主要从事数控机床绿色设计评价方面的研究。

(编辑 谭弘颖)

2016-06-07)

161212

*国家重大专项：中小型航空发动机零件铣车加工单元研制(2013ZX04001061)