Energetická náročnost obráběcích strojů, část 3: Inteligentní technologie

Spotřeba elektrické energie pro pohon obráběcích strojů nebyla v minulosti nikdy tak často probírána jako v poslední době. Důvod je všeobecně známý – vysoká cena elektřiny. Japonští výrobci obráběcích strojů systematicky snižují spotřebu elektřiny a současně u strojů optimalizují jejich konstrukci. Kromě toho vyčíslují jejich uhlíkové emise. Dnes, v závěrečné části naší trilogie, se zaměříme na přístup jednoho z největších světových výrobců číslicově řízených obráběcích strojů, společnosti Okuma.

Ta snižuje emise CO₂ u svých strojů třemi hlavními způsoby. Jednak snižováním energetické spotřeby (s ohledem na udržení dlouhodobé přesnosti), dále pak proaktivním vypínáním aktuálně nepotřebných periferií, a v neposlední řadě zkracováním časů cyklů. K realizaci těchto záměrů vyvinula společnost Okuma inteligentní funkce a systémy, jejichž přehled udává tab. 1.

Snížení spotřeby energie při obrábění lze docílit přenosem několika výrobních procesů, probíhajících na jednoúčelových strojích, na víceúčelový obráběcí stroj. Podobného efektu docílíme použitím pětiosého obráběcího centra. Teoreticky dojde ke zkrácení výrobního času, tudíž i k energetické úspoře. Bohužel je ale celkový efekt znehodnocen problémy s udržením přesnosti obrábění v důsledku složitosti konstrukce těchto strojů. Přesnost obrábění musí být udržována zahřívacími přestávkami v obrábění, častými kontrolami rozměrů obrobků a korekcemi zjištěných odchylek. Neproduktivní časy obrábění se tak prodlužují.

Společnost Okuma k vyřešení tohoto problému přijala vizi postupného přechodu obráběcího stroje dnešní úrovně řízení procesu na stroj schopný autonomního udržování konstantní přesnosti při současném snižování spotřeby energie.

Dnešní výchozí stav obráběcích strojů tohoto japonského výrobce je charakterizován vysokou přesností stroje, vizualizací příkonu, možností vyčíslení spotřeby energie podle operací, možností analýzy využití příkonu a také možností snížit časy cyklů. Tomu odpovídá úroveň 1 až 3 v tab. 2. Účast operátora při zahřívacích cyklech a stabilizaci přesnosti během obrábění je nutná. Od roku 2001 jsou součástí strojů společnosti Okuma funkce Thermo-Friendly Concept a ECO suite, schopné zajistit vyšší inteligenční úroveň 4. Stroje mají nejen vysokou produktivitu, ale navíc autonomně udržují stabilitu přesnosti a redukují při tom spotřebu energií za vybraných operačních podmínek. Na nejvyšší úrovni inteligence 5 by byl stroj schopný činnosti na úrovni 4, ale za všech operačních podmínek. Dále uvedeme příklady dosažení úrovně 5. K realizaci strojů úrovně 4 a 5 jsou použity vyvinuté patentované inteligentní technologie. Úroveň 6 není zatím konkretizována.

Jedním ze způsobů udržování dlouhodobé stálosti přesného obrábění je systém předehřívání stroje a průběžného ohřevu různých částí stroje tak, aby se vyrovnalo tepelné pole stroje a kompenzovaly se tepelné deformace. TFC snižuje čas a energii spotřebovanou na procesy zahřívání a korekce rozměrů pro zachování vysoké přesnosti. Na obr. 1. vlevo je výsledek snížení času potřebného k tepelné kompenzaci stroje LB 3000EXII. Uplatněním TFC byly časové ztráty zkráceny z 68 minut na 3 minuty. Ročně to představuje 0,2 tuny CO₂ na stroj. Prostřední obrázek ilustruje výsledek snížení emisí CO₂ na stroj o 41 tun díky rozšíření regulačního rozsahu klimatizačního systému udržujícího stabilitu přesnosti stroje. Jestliže stabilitu teploty podporuje TFC, stačí regulace klimatizace v rozsahu ±5 °C, čímž se sníží frekvence spínání i spotřeba energie. Vpravo na obr. 1. je další příklad využití TFC na velkém portálovém obráběcím centru. Při změně okolní teploty o 8 °C stačí TFC udržet požadovanou přesnost obrábění bez podpory chladičů. Ročně se tak sníží emise CO₂ o 13 tun na stroj.

Thermo-Friendly Concept je inovativní inteligentní technologie založená na umělé inteligenci, která kombinuje jak technologii konstrukce strojů, tak řídicí technologie a která odpovídá lidským smyslům. Od svého uvedení na trh v roce 2001 byla začleněna do stále většího počtu strojů a je standardem u 125 modelů strojů Okuma. Tato technologie má prokazatelné dobré výsledky ve výrobě pro zákazníky po celém světě, a to s celkovým počtem více než 50 000 vyrobených jednotek za 20 let.

Energeticky úsporný systém ECO suite plus analyzuje data na základě provozních informací stroje a podporuje zaznamenávání sledovaných emisí CO₂. Používá technologii Thermo-Friendly Concept (TFC) k udržení požadované přesnosti a k proaktivnímu vypínání zařízení bez zásahu obsluhy pro dosažení úrovně 4, tj. autonomního snížení energie se stabilitou přesnosti. Jedná se již o druhou generaci původního systému nazvaného ECO suite.

Chladicí systém, který musí být neustále v provozu kvůli teplu generovanému vřetenem během obrábění, je pro udržení dlouhodobě stálé přesnosti výroby klíčovým systémem na každém obráběcím stroji. Na Green-Smart obráběcích strojích společnosti Okuma může být kdykoli zastaven na základě probíhající optimalizace provozu chladicího systému, a to i během procesu obrábění.

Jakmile byla vyvinuta technologie na úrovni 4, byla společnost Okuma schopna poměrně brzy úspěšně realizovat činnost strojů i na úrovni 5, to znamená udržovat autonomní rovnováhu mezi přesností stroje a minimalizací spotřeby energie, a to za všech podmínek.

Testy snížení spotřeby energie, a to i během obrábění, byly provedeny na ukázce obrobku simulující obrábění ventilu z korozivzdorné oceli, změnami přesnosti obrábění v reálném čase na základě informací o stavu stroje v řídicí jednotce, a autonomním řízením chladicího systému tak, aby provoz stroje zůstal optimální. V první fázi testu byl k optimalizaci použit pouze TFC, čímž byly eliminovány zahřívací cykly motoru a periferií (Warm-up Motor, Warm-up auxiliaries). To znamenalo redukci spotřeby o 20 %. Ve druhé fázi byla připojena k TFC funkce ECO suite plus, čímž úspora energie stoupla na 31 %. K testování bylo použito vodorovné obráběcí centrum MB-5000HII. Předpokládaná míra využití stroje byla 50 %. Simulované obrábění probíhalo osm hodin denně, 20 dnů v měsíci po dobu jednoho roku. Polovina času potřebného k seřízení a k dalším odstávkám stroje byla řízena funkcí ECO suite plus. Průměrná zátěž stroje byla 30 %. Zahřívání si vyžádalo dvě hodiny denně.

Thermo-Friendly Concept, aplikován spolu s ECO suite plus k optimalizaci činnosti chladiče vřetena, dostává průběžně informaci od snímače teploty vřetena. Spolu s údaji o otáčkách vřetena vstupují tato data do diagnostické aplikace, která sleduje ohřívání vřetena a jeho vliv na přesnost obrábění (viz obr. 2.). Na základě těchto údajů je na stroji autonomně rozhodnuto, je-li třeba vřeteno chladit, nebo naopak je možno chladič vypnout. Výsledkem je nejen udržení přesnosti obrábění, ale i úspora energie.

Jiným příkladem může být měření na stroji MB-46VA při obrábění tělesa ventilu, jak ukazuje tab. 2. a grafy na obr. 3. Nasazením TFC a ECO suite plus se doba činnosti chlazení zkrátí ze 7,2 hodiny na 2,2 hodiny. Přesnost obrábění se nezmění.

Další možností, která je využita ve standardních provedeních všech modelů obráběcích strojů společnosti Okuma, je Power Regeneration System neboli systém rekuperace energie (viz obr. 4.). Systém umožňuje získat energii při brzdění vřetena a posuvových NC os. Dříve byla tato energie ztracena. Výpočtem bylo na vodorovném obráběcím centru MB-5000HII zjištěno, že za předpokladu, že budeme jeden rok, osm hodin denně, 20 dnů v měsíci obrábět aluminiové obrobky, při 50% využití stroje a 30% zátěži stroje, uspoří Power Regeneration System 17 % energie (viz obr. 5.).

Také hydraulická zařízení mohou přispět ke snižování energetické spotřeby obráběcích strojů. Příkladem může být vývoj hydraulického agregátu nazvaného ECO hydraulics (viz obr. 6.). Agregát má přesné ovládání realizované při ultra nízkých otáčkách s technologií servo řízení. Spotřeba energie je oproti předchozí jednotce o 69 % nižší. Kromě toho jsou podstatně sníženy hlučnost, vibrace a teplota agregátu.

Mezi úsporné periferie můžeme zařadit bezkalovou nádrž chladicí kapaliny (viz obr. 7.). Pro stabilní provoz stroje je důležité odstranit nečistoty (kal) obsažené v chladicí kapalině. Proto je pravidelné čištění nádrže chladicí kapaliny nezbytné. Bezkalová nádrž účinně shromažďuje kal a snižuje znečištění chladicí kapaliny. Potlačením hromadění kalu v nádrži lze také drasticky snížit frekvenci problematického čištění nádrže, což umožňuje stabilní provoz při dlouhých pracovních cyklech stroje.

Trojnásobná filtrace kapaliny dokáže odstranit až 99 % nečistot při obrábění litiny a 97 % nečistot při obrábění slitin hliníku. Díky tomu se výměna chladicí kapaliny a vyčištění nádrže provádí jen jednou za tři roky. Klesají tím i možnosti úniku chladicí kapaliny a případné ekologické škody.

Energeticky úsporný systém ECO suite plus analyzuje data na základě provozních informací stroje a podporuje zaznamenávání sledovaných emisí CO₂. Používá technologii Thermo-Friendly Concept (TFC) k udržení požadované přesnosti a k proaktivnímu vypínání zařízení bez zásahu obsluhy pro dosažení úrovně 4, tj. autonomního snížení energie se stabilitou přesnosti. K proaktivnímu vypínání periferií, a i samotného stroje, slouží následující funkce.

ECO power monitor zobrazuje spotřebu energie jednotlivých periferií odděleně od spotřeby vřetena a NC os a současně zjištěné hodnoty analyzuje. ECO idling stop autonomně rozhoduje o zastavení momentálně nevyužívané periferie. ECO operation řídí pouze nezbytné množství periferií během obrábění.

ECO power monitor spolu s ECO suite plus zjišťuje spotřebu a emise CO₂ každého zařízení. Záznam dat je k dispozici na výstupním portu. Podrobná analýza zjištěných údajů je přístupná na PC.

ECO idling stop rozhoduje o vypnutí periferií, které jsou momentálně nevyužité. Stroj např. monitoruje teploty frézovacího a soustružnického vřetena, jakož i stav chlazení vřeten (viz obr. 8.), a podle odhadu teplotních odchylek rozhodne, je-li nutné vřetena chladit. Spolupracuje při tom se systémem Thermo Active Stabilizer (TAS). Cílem je udržet stabilitu přesnosti stroje. Spolu s ECO suite plus stroj monitoruje CO₂ exhalace.

Pokud jde o úspory energie, bylo zjištěno, že spojením rekuperace energie a funkce ECO idling stop je možné snížit spotřebu periferií na přibližně polovinu. Ze spotřeby celého stroje to dělá 14 %.

Mezi možnosti, jak snížit spotřebu obráběcího stroje, patří zkracování časů cyklů. Uplatní se zde opět řada dílčích systémů, které fungují na strojích Okuma. Jsou to Cycle Time Reduction (easy setting), Thermo-Friendly Concept, 5-Axis Auto Tuning System, Collision Avoidance System, Machining Navi a ServoNavi.

Opakovaná měření ukázala, že volbou optimálních řezných parametrů lze zkrátit čas cyklu až o 34 %. Zkoušky probíhaly na dvoustojanových obráběcích centrech, víceúčelových centrech, vertikálních i horizontálních centrech. Zahrnovaly stroje staré 20 let, 10 let a současnou produkci s instalovaným Thermo-Friendly Conceptem (TFC). Obrábění obsahovalo jak zahřívací operace kvůli dodržení přesnosti, tak kontrolu rozměrů obrobků a probíhalo v rozsahu jedné pracovní směny. Na obr. 9. je vidět pronikavé zlepšení moderního stroje s fungujícím TFC. Zahřívání bylo nutné jen na začátku zkoušky na tři minuty. Během směny nebyly třeba žádné korekce rozměrů obrobku, zatímco na starších strojích byly nutné rozměrové korekce, a to pětkrát a 11krát. Tím produktivita narostla o neuvěřitelných 30 %. S tím souvisí i snížení emisí.

Systém automatického ladění NC os se nazývá 5-Axis Auto Tuning System. Oproti manuálnímu seřizování NC os ušetří až 84 % času. Navíc je automatické ladění kvalitnější, zlepší se přesnost polohování NC os. Collision Avoidance System je důležitým pomocníkem obsluhy stroje. Obsluha využívá tuto funkci například při kontrole nového programu obrábění. Funkce upozorní na možnou kolizi, kdykoli se polohované části stroje přiblíží na nebezpečnou vzdálenost. Úspora času je významná. Machining Navi je funkce, primárně určená k vyhledání optimálních řezných podmínek, za kterých se nevyskytuje chvění při obrábění. Jak je vidět z obr. 10, následkem nevhodných řezných podmínek zůstává nekvalitní povrch obrobku. Kromě toho trpí chvěním nástroj. Machining Navi usnadní operátorovi hledání podmínek bez chvění, a tím podstatně zkrátí přípravu obrábění. Funkce ServoNavi optimalizuje řízení NC os tak, aby se zlepšila přesnost obrábění a kvalita povrchu obrobku. Využívá se zejména při obrábění členitých obrobků, jako jsou formy. Lze uspořit až 13 % času obrábění.

Ze stručného výčtu opatření, konstrukčních i softwarových, je vidět velká snaha společnosti Okuma se ctí se vyrovnat s úkoly, které mezinárodní společenství klade na výrobce strojního zařízení, jmenovitě na výrobce obráběcích strojů. I když obráběcí stroj zřejmě není pro atmosféru planety tak škodlivý jako třeba automobil, přijali zdejší odborníci výzvu dosáhnout do roku 2050 uhlíkové neutrality atmosféry. Alespoň ve vlastních továrnách. Moderní stroje společnosti Okuma však budou mít značný podíl i na dekarbonizaci továren zákazníků firmy. Příkladné je, že se společnost snaží redukovat energetickou spotřebu svých strojů, a dokonce i malé přímé emise CO₂. A to je pro ni věcí cti.

Autoři celé trilogie doufají, že se jim podařilo zaujmout čtenáře vylíčením vlastností energeticky úsporných obráběcích strojů dvou předních japonských výrobců, společností Okuma a Brother. Obráběcí centra obou výrobců se vyznačují vysokou produktivitou, vysokou přesností stabilní i při proměnlivé teplotě okolí, nízkou spotřebou elektřiny, tlakového vzduchu a procesní kapaliny a nízkými emisemi CO₂.
Autoři nenavrhují omezovat používání strojů s elektrickým pohonem, ale doporučují používat stroje s vysokou energetickou účinností. Na konkrétních příkladech bylo ukázáno, že používáním obráběcích strojů s vysokou energetickou účinností mohou podniky citelně snížit výrobní náklady, aniž by utrpěla produktivita a přesnost obrábění. Kromě toho, nízkoenergetický obráběcí stroj přispívá, byť malým dílem, k zastavení oteplování naší planety.