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程序CIRP 3（2012）561 - 566
2012年第45届CIRP制造系统会议
基于仿生学的节能机床设计
R. Neugebauera,b，M。Wabnera,*，S。Ihlenfeldta，U.Frieszlig;b，F。Schneidera，F。Schubertc
a弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所IWU，德国开姆尼茨 b机床与生产技术研究所IWP，德国
开姆尼茨大学 c德国开姆尼茨大学轻量化结构研究所
* 通讯作者。电话： 49-371-5397-1458;传真： 49-371-5397-61458。电子邮件地址：markus.wabner@iwu.fraunhofer.de
摘要
机床性能，生产精度和能效是相互依存的设计标准。为了解决这种设计冲突，仿生学 - 这意味着对长期优化生物学原理的技术解释 - 可能是加速现代机床开发过程中创新循环的有效方法。在本文中，将讨论这些方面，并将详细介绍所选择的解决方案。
copy;2012作者。由Elsevier BV出版选择和/或同行评审由D. Mourtzis教授和G. Chryssolouris教授负责。开放访问CC
关键词：仿生学;轻巧的设计;机电一体化;机械工具;生产技术;移动机器
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组件级别（例如物理效应），系统级别（例如运动学， |
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1. 介绍 |
系统集成）和控制级别（例如能源管理，需求优化）。 |
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与组件级别相反，尤其是必须提高内部组件特性（能 |
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几乎没有任何其他话题激烈地引起德国，欧洲和 |
量转换器的效率，摩擦最小化），在系统和管理级别 |
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世界范围内的讨论，这是可持续提高资源效率的问题。 |
上，组件的交互是最小化组件损失的优化任务。 |
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工业化国家，有抱负的发展中国家和越来越多的全体 |
为了有效地实现目标并支持创造过程，使用生命 |
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人口为实现更多安慰的抱负正在满足有限的资源和不 |
本质作为能源和资源有效技术产品的灵感来源似乎是 |
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断增长的保护全球气候的雄心 - 这些全球社会的事 |
有价值的。 |
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实将决定下一步生产工程的挑战20年。欧盟，经济和 |
使用技术产品的自然灵感称为仿生学。仿生学是 |
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组织制定了雄心勃勃的目标，即在未来几年内大幅提 |
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一门跨学科的科学，它解决了生命本质的进化发展 |
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高生活，运输，能源生产和工业等所有领域的二手资 |
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（“生物学”）的编码及其对技术的创新解释[9]。 |
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源的使用效率。生态设计指令2005/32 / EC是欧盟提 |
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仿生学的成功基于这样的理论，即自然解决方案在长 |
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供的框架，也与生产工程相关。该政策的具体实施目 |
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期演化过程中变得几乎是最优的。这些解决方案可用 |
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前正在进行中[1]，并将反映在生产工程行业的具体 |
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于优化技术产品的短期开发。 |
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行动需求中。 |
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著名的莱昂纳多达芬奇（1452-1519）是一位工程 |
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优化机床能效的干预潜力大致可分为 |
先驱，他将自然灵感强烈地用于技术产品，就像他的 |
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分析一样。 |
2212-8271copy;2012作者。由Elsevier BV出版，由教授负责选拔和/或同行评审
D. Mourtzis和G. Chryssolouris教授。开放访问CC BY-NC-ND许可证。 doi:10.1016/j.procir.2012.07.096
562 R. Neugebauer et al. / Procedia CIRP 3 (2012) 561 – 566
用于飞机开发的鸟类飞行。自1950年以来，仿生学越来越多地成为一门自己的跨学科科学。
本文将展示仿生学如何被用于开发机床和生产技术的资源和能源效率解决方案。
在论文的第一部分，将概述现代机床和生产中的仿生学，包括发展目标，生物技术类比，系统和生产水平的实施领域以及工业应用等方面。
第二部分重点关注机床结构层面的仿生学，通过轻量化设计提高其能效。这里将介绍用于预防性评估与解决方案无关的设计方法的一般工具和方法，并将就轻量化机床设计的不同影响进行示例性讨论。将展示自然灵感轻质部件的具体解决方案。
在本文的最后部分，大型冗余机床的例子显示了机电一体化仿真在仿生系统成功开发中的应用。
2. 用于节能机床的仿生学
2.1. 仿生开发过程
生物系统通常只能展示技术解释的长期趋势，自然界可以提供多种方法来改进高度发达的技术系统，如机床。这将在以下关于生产技术中的能量效率的示例中示出。
2.2. 能效作为设计标准
因为机床中能量效率的提高可以被制定为具体问题，所以在仿生学中可以使用“自上而下的过程”。
生产系统中能源消耗的原因是多方面的，因此建议制定子问题以缩小搜索范围。最近几年系统地分析了生产技术能效的子问题（如[1] - [5]）。对能源消耗最重要的影响是
过程力量，
摩擦和流量损失，
电损失，
重量和惯性，
通常存在这些方面之间的相互依赖关系。
分析表明，在能源效率方面，高生产率至关重要
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仿生学是一种支持方法，通过生命本质的灵感来 |
[6]。冷却，液压或气动等基本负载和辅助系统通常 |
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会产生超过机床总能耗的50％[4] [5]，即使它不直 |
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寻找问题的技术解决方案。它基于这样的假设：自然 |
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接对加工过程有贡献。由于这些系统明显限定了基本 |
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界中的解决方案基于进化的长期优化过程，可用于技 |
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负荷，因此每个时间单位的生产零件的增加导致其比 |
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术系统的短时优化。 |
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例减少。为了实现这些目标，需要缩短主要和次要处 |
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仿生学可以分为两个独立的开发过程。第一个是 |
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理时间，这通常伴随着动态的增加。 |
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自上而下的过程，从（技术）问题定义开始，然后搜 |
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优化机床能效的干预潜力可大致分为组件级别 |
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索生物类比及其技术解释。如果可以定义特殊的技术 |
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（例如物理效应），系统级别（例如运动学，系统集 |
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问题并且必须找到创新的解决方案，这个过程可能会 |
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成）和控制级别（例如能源管理，需求优化）[7] ]。 |
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有所帮助。 |
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虽然在组件级别上尤其需要改进内部组件特性（能量 |
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另一个是自下而上的过程，首先是对自然的分析， |
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转换器的效率，摩擦最小化），但在系统和管理级别 |
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然后是生物学原理的抽象和对技术应用的研究。如果 |
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上，组件的交互是最小化组件损失的优化任务。 |
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需要对新的创新产品的灵感，这个过程可能会有所帮 |
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与生物系统相比，传统的机床由极少数的执行器 |
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助。 |
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组成，并且大致总是相同类型的运动学。通常恰好存 |
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一般而言，大自然提供多方面的解决方案，但最 |
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在一个用于一个自由度的驱动器，并且串行轴布置实 |
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重要的问题是他们的技术解释。特别是现在具有自主 |
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现了成形过程的相对运动。在这里，具有适应性的生 |
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性，复杂神经或肌肉骨骼系统的先进生物系统的“重 |
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物系统可以激发技术系统， |
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新设计”带来了巨大的挑战。示例性地，这种生物系 |
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统包含非常多的空间分布的部件，例如致动器（肌 |
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肉），传感器和关节，并且大多数部件是多余的。因 |
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此，即使 |
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