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从绿色机床到蓝色工厂


  保证生产的持续发展是越来越多制造企业希望解决的、且必须解决的挑战难题。因此,我们有足够理由对已经采用的某些成功方法及其迄今所取得的效果进行更加仔细地考察。
  
  “在全球不断发展的背景之下,能源和资源效率是核心挑战难题。”德国机床制造商协会(VDW)会长MartinKapp先生这样说。“在创造价值的过程中,在初期就会涉及到机床,因此,它们是实现生产持续性发展和产品持续性发展的重要因素。”MartinKapp会长补充说。在探讨生产中的能源和资源效率问题时,机床可能仅仅是问题的一部分。但是,作为能源驱动产品,它们却处于核心地位。虽然在考虑机床成本因素时,能源效率早已是必须予以明确考虑的一个方面,但是,能源效率正在越来越多地成为人们明确要求的一个产品特性。
  
  新机床加工单个工件耗能更少
  
  在DeckelMahoPfronten公司里,降低能耗的这个理念已经深入人心。对于这家公司而言,许多年以来,能源效率一直是发展新型铣床的一个挑战难题。DeckelMaho公司的ThomasGarber博士说:“如果人们将现代化机床与较为老式的机床做个比较,就会清楚地发现,特别是在能源效率领域内,已经发生了很多变化。尽管新机床的尖峰功率消耗可能会更高一些,但是,它们的生产效率显然已经提高了很多,这就意味着与老式机床相比,每个工件要求的能源消耗更少。一系列的建造措施都对这种趋势做出了贡献。据Garber博士称,其中最重要的措施是结构优化和能源再回收。
  
  显然,结构性优化的目的是减少运动质量,从而减少加速所需的能源。Garber博士说:“极其成功的Duo–Block系列就是通过细化机床结构从而减少运动质量的范例。”该系列机床不采用移动式床架,而是采用可以支承较轻滑架的巨大固定式床架。在Duo-Block概念中,运动质量减小了,而同时保留了刚性。Garber博士继续说:“除了结构优化之外,能源回收是取得大幅度节省能源效果的重要措施。”在这里,当伺服驱动装置制动时,动能被转换成电能。在所有DeckelMaho机床上,这种能量被输送到一个中间线路里,或者甚至输送到工厂的电源网络中。不过,我们了解到,这种能源再回收也有一个颇有意思的副作用:因为加速所需的能量被回收,因此,为提高能源效率而采用的轻型结构的意义也就随之减小了。就采用大功率重型机加工而言,不适合的轻型结构,对工艺过程强大力量所产生的振动冲击,几乎不能发挥什么抵抗作用。Garber博士解释说:“多亏有能源回收,即使振动阻尼质量较大的机床也仍然能够高效运行。”因为100%的能源回收是不可能达到的,尽管如此,在开发能源高效机床的工作中,轻型结构仍然继续起着重要作用。
  
  据Garber博士称,提高能源效率的进一步措施,是对零部件和外围设备进行优化。在此基础上,多年来DeckelMaho公司仅只使用高效电动机。摩擦损失极低的导轨、低张力阀门或者用于生产环境、配备中央冷却的水-水热交换器等也都对降低机床能源消耗发挥着贡献作用。液压器件使用的压力贮存池(pressurereservoirs)可在不需要液压动力的时候,将泵关闭。显然,重量补偿可降低垂直坐标驱动装置上的负荷。

  避免能源损失的机床功能
  
  据了解,所有这些都是发展高效机床的先决条件。但是,对能源效率高的生产而言,还有另外一个调整杠杆。Garber博士解释说:“为了让机器能以最大精度工作,而不必让机器在预热阶段等待,机床用户有时让机器在夜间,甚至在周末也保持运转。”甚至在休息时间或其他没有工作的阶段里,通常也不关闭机器。这样造成的能源损失是相当大的。我们了解到,DeckelMahoPfronten公司采用优化生产的一系列功能,支持机床用户降低能源损失。例如,通过采取DMG自动停机等措施,在加工完成之后,机器可以自动关闭,或者转换成可配置的备用模式。加工各别零部件时,机器的运转时间可以预先设置。采用DMG唤醒功能,可以让机床重新启动,例如,可以为某个班次工作的开始时,设计一个暖机程序。
  
  总部设在纽伦堡的西门子传动技术分部将自己视为机床生产厂家和机床制造行业的合作伙伴,尽力确保持续性发展课题不会被忽视。西门子公司的宗旨是在所有阶段给客户及客户的最终用户提供支持,解决机床寿命周期内的各种问题。西门子公司传动技术分部的JochenBretschneider博士说:“为了开发未来能源效率高的机床,我们与SinumerikCtrl-Energy公司合作,采用传动和电动机零部件、CNC及传动功能、PC软件解决方案以及‘Sinumerik制造卓越’(‘Sinumerik-Manufacturing-Excellence’)服务等各种措施,不仅仅是给客户提供一种单一的解决方案,而是提供范围广泛的各种解决方案,用于机床的能源高效运转。对于各别案例而言,确定哪种措施将会在何种具体时间点上产生最佳效应是很重要的。
  
  最终,SinumerikCtrl-Energy公司可以为整个机器寿命周期(从机器制造和运行阶段到机器部分或完全更新的整个机器寿命周期)提供能源效率解决方案。因此,SinumerikCtrl-Energy公司为机床生产厂家及其用户在范围宽广的认知基础上,提供有效的管理。但是,重要的是,为了避免产生额外的安装工作量,他们要提前通知用户,在正确的时间,采取正确的措施。因此,在机床制造过程中,就应该选择、计划和实现最佳传动系统或备用组合功能等。原则上,运行商随后进行任何改动,在经济上都是不合算的。JochenBretschneider博士总结说:“使用控制屏上简单、直观的‘Ctrl’和‘E’的键盘组合,Sinumerik控制屏能够显示和快速评估机床能源消耗及静止时间过程内的能源消耗管理。”
  
  制动能量被保留于中间线路内供选择性回收
  
  Sinamics-S120传动系统允许在中间线路中进行动态能源管理,提供效率极高的网络电源能量回收系统。该系统内的制动能量不会因为制动阻力全部损失掉,而是先保留在中间线路中,然后选择性地输送返回网络电源。JochenBretschneider博士强调指出:“在开发Sinamics传动装置和西门子电动机过程中,人们始终关注能源效率问题。因此,西门子公司的一体化传动模块可以获得高达97%~99%的效率。”西门子公司表示,由于范围广泛的电动机使用效率高达94%的同步技术和效率高达91%的异步技术,这些电动机构成了能源效率高的机床概念的基础。JochenBretschneider博士说:“Sinamics-S120传动系统允许异步主轴在部分负荷状态下运转时,自动减少能源的流动;因此,降低不必要的热量损耗。”采用智能Sinamics-S120供电和回收模块,显然可以完全补偿机器的整个无功功率,从而最终用户不再需要使用价格昂贵、造成损失的无功补偿装置。JochenBretschneider博士说“由于达到工作线路模块(ActiveLineModule)标称额定值的额外电感或电容无功电流可以预先进行选择,使用Sinamics就可以对机床的整个无功电流进行补偿。”为此目的,采用SentronPAC可在供电点上,读取瞬时无功功率;然后,将其作为动态预调值,传递给工作线路模块(ALM)进行补偿。将来,用户采用Sinumerik即可运行机床,而不再需要单独的无功功率补偿装置。
  除了机床行业外,汽车行业也是深深感受到可持续发展挑战的行业。这个行业的许多企业已经在应对这种挑战。例如,大众汽车已经在“ThinkBlue”(“蓝色创想”)的口号下,将公司所有的活动与生态可持续发展联系在一起。大众公司负责生产及物流的董事会成员HubertWaltl先生说:“从研发到销售的整个过程,我们向公司所有人员传达的核心信息是:节约资源、减少排放、延伸回收和培养员工参与。”他强调指出:“除了环境友好的传动技术外,正在酝酿的最大头号生态杠杆是生产。”这就是为什么大众公司开始“蓝色创想工厂”的原因。这是一项新的思想创意,可用于企业所有品牌,是沿着工艺链开发出来的资源节约型生产方式。显然,宗旨是让所有员工了解创意原则,并在他们的日常工作中加以应用。该项创意得到与Fraunhofer机床和成型技术研究所(IWU)和Chemnitz等单位开展的多个合作项目的支持。
  
  但是,蓝色工厂是什么样子?要回答这个问题,研究一下大众公司的环境技术是必要的。在这里,人们确定节约资源的潜在可能性,并采取具体措施。例如,在油漆车间里,Waltl告诉我们:“在更换新颜色的过程中,必须使用溶剂对油漆工具进行清洗。现在,安装了新的颜色系统,因此材料损耗降低了85%。”在油漆房间中,由于新的空气循环,只有原先用量25%的空气必须采用严格仔细的程序进行处理。在车身生产中,使用新的盘式激光,可以将能源效率提高10倍。
  
  实质性减少关键污染物的排放
  
  蓝色工厂的另外一个范例就是空气质量。Waltl说:“根据欧洲大气质量政策,大众公司大幅度地减少粉尘、氧化氮、氨化物、氧化硫以及挥发性有机合成物等主要污染物的排放。”例如,在车身生产过程中,通过完全捕获来自激光焊接产生的烟气,并将其保留在过滤器内,从而达到减少污染物排放的目的。Waltl先生解释说:“由于使用了静电除尘系统,由喷漆引起的漆雾已经微乎其微;在此基础上,又安装了效率非常高的分离系统,微乎其微的漆雾进一步得到降低。在新油漆车间里,最现代化的颗粒分离器已经投入使用,可将粉尘排放再次降低50倍。”
  
  在生产上,能源管理将所有措施集中于有效利用能源方面。显然,这可以促进企业内最佳实践范例的交流,例如在生产中心、组织车间和各种活动中。另外,能源管理开发出企业范围的能源效率标准;相反,这些标准又可以在建造新的生产工厂的过程中得到贯彻执行。这就意味着,例如由于使用了节能通风和照明系统以及反光镜等,在美国查塔奴加市的工厂就可以制订能源效率标准。Waltl先生说:“总体而言,自从引入中央能源管理措施以来,我们已经成功地减少了522000MWh的能源消耗,相当于自2008年以来,减排了296000t的CO2。”为了将来进一步发挥更大潜能,能源管理近期开始针对各别生产领域的能源流动进行分析。主要目标是通过一些小措施,降低设施中的备用能源消耗,从而降低基本负荷功率。

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