Energeticky úsporné výrobní stroje

Oborová přehlídka trendů, poslední výstava EMO Hannover, potvrdila, že na energetické úspory se soustředí mnoho pozornosti jak zákazníků, tak firem – většinou výrobců menších a středních obráběcích strojů. Z těch nejviditelnějších to byly například: DMG Mori Seiki, Starragheckert DST, Kapp Niles, Emco, Okuma nebo Mazak.

Cílem článku je popsat základní oblasti, ve kterých je možné hledat potenciál pro energetické úspory při konstrukci a využívání výrobních strojů. Obsažené informace pocházejí jak z vlastních měření a analýz, tak z dostupných článků, výzkumných zprav a firemních materiálů. Doporučení a příklady jsou v článku rozčleněny podle oblastí, kterých se týkají.

První oblastí je celková koncepce stroje, volba základní kinematiky, velikost pracovního prostoru a váhová kategorie nosných dílů. Snížení hmotnosti pohyblivých dílů vede zákonitě k nižším požadavkům na instalované a reálné příkony pohonů a tím i ztráty v motorech a komponentech pohonů. Nejčastější je v tomto ohledu záměna litinových odlitků za ocelové svařence, váhová úspora bývá v řádech až desítek procent při stejné statické tuhosti. Využití kompozitních materiálů se až na výjimky zatím v oboru obráběcích strojů neprosazuje.

Uživatelé při výběru volí mezi stroji: a) univerzálními/specializovanými, b) stroji pro kusovou/středněsériovou/velkosériovou výrobu. V každém případě na míru šitý a nepředimenzovaný stroj lépe hospodaří s energií, neposkytuje však volnost v případě změny technologie směrem k náročnějším operacím, rozměrnějším obrobkům či velkým sériím.

Snížení času a energie potřebné na výrobu dílu je u velkosériové výroby možné dosáhnout využitím speciálních strojů. Podobně i sdružení pohybových os u vícevřetenových strojů přináší obvykle energetické úspory na jednotku výstupu. Firma Chiron uvádí u svého stroje následující parametry: výrobní čas dílu byl snížen na 21 %; náklady byly sníženy na 29 %; spotřeba energie na jeden díl byla snížena na 39 %; úspora místa na hale až 87 %. Vícevřetenové frézovací stroje pak nabízí řada dalších výrobců, jako například Stama, Emag nebo Danobat. Z českých firem nabízí podobně specializované automaty firma Tajmac-ZPS.

Do koncepce stroje spadá využitelnost instalovaných výkonů vřetena a pohonů. Ta záleží nejenom na technologických možnostech nástrojů, ale zejména na celkové konstrukci stroje, dynamických vlastnostech nosné struktury a pohonů. Při snaze zvýšit katalogové parametry strojů se můžeme dostat mimo reálné limity mechanických dílů a ve výsledku využívat instalované výkony jen částečně, s výrazně sníženou účinností.

V řízení strojů, jejich NC os a zejména v nastavení PLC je značný potenciál pro energetické úspory. Kromě zde zmíněných témat je vhodným nastavením PLC podmíněna velká část opatření popisovaných i v dalších částech článku.

Všichni významní výrobci umožňují ve svých řídicích systémech nastavit automatické hibernační režimy. Ty během odstávek stroje automaticky vypínají/hibernují jednotlivé funkční celky stroje, tak aby pokud možno jen minimálně snížily jeho připravenost. Podobnému „Power-managementu“ jsme již uvykli u přenosných počítačů nebo kancelářských tiskáren, u obráběcích strojů jsou však, s ohledem na prioritní tepelně-deformační stabilitu, využívány minimálně. Jejich potenciál je však zvláště u malosériové výroby obrovský.

Energeticky úsporný efekt mají i opatření snižující čas potřebný na jeden obrobek, zvyšující produktivitu a snižující zmetkovost – to jsou standardní zájmy výrobců i uživatelů strojů. Na úrovni řídicích systémů můžeme zmínit softwarové kompenzace teplotních deformací stroje, které svou kvalitou rozhodují o době nutného temperování stroje před přesnou výrobou. Další kategorií jsou adaptivní funkce pro nastavení rychlosti posuvu podle aktuálního stavu řezného procesu. Stroj zrychlí posuvy (podobně jako override na řídicím systému), pokud nástroj není v záběru nebo je využíván jen částečně. To je výhodné například pro frézování s proměnnou axiální hloubkou při větších sériích. Systém musí znát nástroje a materiál a musí projít „učící fází“. Z výrobců systémů tuto funkci nabízí Heidenhain jako modul AFC, dále pak firmy Omative, Caron, na svých strojích má podobnou funkci i japonská Okuma.

1.1 Pohony NC os a jejich napájení

V oblasti vlastních servomotorů pohybových os obráběcích strojů dominují synchronní motory s permanentními magnety v rotoru. V případě asynchronních motorů se podle evropské legislativy od června 2011 nesmějí používat motory třídy IE1, tedy motory se „základní“ účinností. Předpis se však nevztahuje na motory vyrobené výhradně pro napájení z měničů podle IEC 60034-25, tedy například motory pro pohon obráběcích vřeten (např. Siemens 1PH7, resp. 1PH8). U asynchronních motorů vřeten je možné snížit tokotvornou složku proudu („flux reduction“) při vektorovém řízení a zvýšit účinnost při nízkých momentech – umožňuje to například systém Sinamics S120.

U vřeten pokračuje trend vytlačování asynchronních motorů účinnějšími motory synchronními, zejména u vřeten s vestavěným motorem. Zvláštní kategorií jsou pak reluktanční synchronní motory uvedené na trh například společností ABB. Motor se vyznačuje odlišnou konstrukcí, která připomíná krokový motor. Výrobci udávají, že reluktanční motory mají výbornou účinnost v širším otáčkovém spektru a lze čekat, že je stále častěji uvidíme jako pohony vřeten – již je využívá například Okuma.

Frekvenční měniče pohonů všech významných výrobců dokážou energii rekuperovat a díky stejnosměrnému meziobvodu využívat energii v rámci celé soustavy pohonů (energie získaná ze zpomalování jednoho motoru se využije pro zrychlení druhého). Většina systémů pak dokáže i krátkodobě rekuperovat do sítě, typicky při brzdění vřetena. To však nemusí být nutně výhodné, neboť moduly s možností rekuperace se vyznačují celkově nižší účinností, takže celkově jsou výhodné až od určité frekvence startu a zastavení vřetena, typicky výměny nástroje. Studii na toto téma prezentuje firma Heidenhain, potenciál pro úspory je však celkově malý, rekuperace do sítě se u obráběcích strojů vyplatí až od určité frekvence start – stop vřetena (výměny nástroje).

Mnohem zajímavější a složitější je téma rekuperace brzdné energie u velkých tvářecích strojů, lisů a bucharů.

Přítomnost periferií na obráběcích strojích je vynucena požadavky na jejich výkonnost, přesnost a stupeň automatizace. Podíl periferií (většinou fluidních systémů) na celkové spotřebě energie strojem je značný a obvykle jsou zodpovědné za více než 2/3 spotřebované energie. Motto úspor energie v oblasti periferií pak je: požadovat jen to, co nutně potřebuji. To pak znamená na úrovni každého z funkčních celků (chlazení řezného procesu, chlazení stroje, manipulace s nástrojem apod.):
• Vědět, co při dané operaci od dané periferie (funkčního celku) potřebujeme – „minimální požadavky“;
• vědět, jaká je energeticky nejúspornější cesta pro uspokojení požadavku (vhodný komponent a jeho řízení);
• realizace zařízení umožňujícího plnit tyto „minimální požadavky“ v dostatečně širokém spektru podle technologického určení stroje;
• automatické nebo přednastavené řízení periferií na „minimální požadavky“ a vypínání krátkodobě nepotřebných spotřebičů;
• pokud je s danou funkcí spojena prodleva stroje, např. výměna nástroje, nebo naopak zkrácení času výroby, zahrnout do úvahy i spotřebu celého stroje v daném časovém intervalu;
• provést energetickou i ekonomickou analýzu a porovnat varianty.
Postupovat podle uvedených bodů není snadné a v případě každého z funkčních celků narazíme na mnoho variant, technických problémů a nejistot. Následující kapitoly se věnují nejvýznamnějším typům periferií.

Různé přístupy k chlazení komponent a funkčních skupin strojů se mohou diametrálně lišit ve spotřebě energie. Pro porovnání slouží tzv. koeficient účinnosti (COP) vztahující chladicí výkon k nutnému příkonu jednotky. Nejvyšších hodnot, kolem hodnoty 3, dosahují velké kompresorové chladnice (nad 10 kW chladicího výkonu) při dosažení svých nominálních podmínek. Spínání ON/OFF vysoce dimenzovaných chladnic na zlomek jejich instalovaného výkonu je obecně velmi neefektivní.

Příslibem pro budoucnost jsou frekvenčně řízené chladnice (obdoba domácích lednic třídy A+++), s vysokou účinností v celém rozsahu výkonů. VCSVTT ve spolupráci s firmou Kovosvit MAS testovalo prototyp takové chladnice od firmy Rittal s výbornými výsledky jak v účinnosti, tak v teplotní stabilitě na výstupu.

Pokud nepožadujeme teploty chladicího okruhu nižší, než je teplota okolí, je vhodným energeticky výhodným řešením náporový výměník, ideálně s frekvenčně řízeným ventilátorem, jaký nabízí např. firma Hydac. Intenzita chlazení je úměrná teplotnímu rozdílu vůči okolí a nenarušuje výrazně tepelnědeformační stabilitu rámu stroje.

Frekvenčně řízený náporový chladič Hydac FLKS 6E pro výkony do 0,9 kW/K

Další oblastí pro chlazení je klimatizace rozvaděčů. Zde je energeticky výhodné přímé odvádění tepla od měničů (dominantní zdroje) pomocí chladicích desek s vodním labyrintem napojeným na centrální chladnici, nebo použití účinných klimatizací se spojitě řízeným výkonem, například Rittal eBlue.

Dominantním způsobem chlazení řezného procesu je vnější nízkotlaké či středové vysokotlaké emulzní chlazení. Alternativy jako vírová trubice, MQL či ofuk řezu jsou založeny na vysoké spotřebě stlačeného vzduchu a energeticky vychází spíše nevýhodně.

Současným trendem je využití frekvenčně řízených nízkotlakých i vysokotlakých čerpadel. Taková čerpadla nabízí například firmy Grundfos, Spandau Pumpen, Brinkmann Pumps či u vysokotlakých jednotek firma ChipBlaster. Právě posledně jmenovaná firma umožňuje na některých svých agregátech nastavit cílový tlak, kterému vestavěný frekvenční měnič přizpůsobí otáčky. Pokud je takový agregát využíván správně, prakticky nedochází k přepouštění emulze ventilem a tím k výrazným ztrátám. Tlakové úrovně jsou nastaveny M-funkcemi v NC programu podle potřeb jednotlivých operací.

Obecně se v emulzním hospodářství a rozvaze, zda a jak moc chladit, skrývá obrovský prostor pro energetické i ekonomické úspory. To i díky tomu, že vhodně zvolené chlazení umožňuje zintenzivnit řezné podmínky a zkrátit pracovní časy.

Vysokotlaké hydraulické systémy jsou v konstrukci obráběcích strojů využívány zejména k upínání nástrojů, obrobků a palet. Požadavky na průtok oleje jsou tak značně nespojité s lokálními špičkami, a tak je výhodné využít dostatečně velký akumulátor, sedlový ventil a agregát v době minimálních odběrů automaticky vypínat.

Naproti tomu u tvářecích a jiných strojů je hydraulika používána pro hlavní pohony hydromotorů, kde je výhodné využít frekvenční řízení namísto tradičního škrticího ventilu či změny geometrického objemu pístových čerpadel. Konkrétní porovnání jsou uvedena na obrázcích.

Porovnání spotřeby energie při jednom pracovním cyklu vstřikovacího lisu při různě navržených regulacích hydrogenerátoru – odshora: přepouštěcím ventilem, změnou geometrického objemu, frekvenčně řízeným synchronním motorem (Zdroj: Bosch Rexroth, T. Shockel)

U tvářecích strojů se potenciál skrývá zejména ve frekvenčním řízení a rekuperaci brzdné energie. U obráběcích strojů je pak aktuálním trendem nahrazování hydraulicky ovládaných upínacích jednotek elektrickými s přímým pohonem, které jsou obecně dražší, ale účinnější a konstrukčně jednodušší. Tyto stroje tak mohou být zcela bez hydrauliky.

U obráběcích strojů má stlačený vzduch obvykle tyto funkce: přetlakové těsnění vřetena (tzv. „speerluft“), ofuk pravítek odměřování, ofuk kuželu nástrojového rozhraní vřetena, další funkce. Průtok 1 l/min při 6 bar je ekvivalentem el. spotřeby 18 W za předpokladu ideálního kompresoru a rozvodů – reálně tedy spíše 25 až 30 W. Konkrétní příklad: typická průměrná spotřeba vzduchu středního frézovacího centra může být kolem 120 l/min (při 6 barech), což odpovídá ekvivalentnímu příkonu 3,6 kW(!).

Výsledná účinnost pneumatických systémů se tak odvíjí od účinnosti centrálního kompresoru a rozvodů. V současné době jsou k dispozici různě dimenzované a řízené kompresorové sestavy, s možností frekvenčního řízení. Takové, včetně konzultačních služeb při výběru, nabízí například firma Atlas Copco. Výrazný negativní vliv na spotřebu mají netěsnosti v rozvodech (možné detekovat ultrazvukovými snímači, jak nabízí např. firma Festo), ale i ztráty chladnutím stlačeného vzduchu ve vzdušnících a rozvodech.

Výrobní stroje mohou fungovat bez potřeby stlačeného vzduchu či jen s minimálními nároky. Firma Inpro-Seal nabízí těsnění pro vřetena, která bud’ plně nahrazují přetlakové těsnění stlačeným vzduchem nebo využívají jen naprosté minimum vzduchu. Podobně firma Schneeberger již delší dobu nabízí svůj odměřovací systém AMS integrovaný s vozíky valivého vedení, u kterého není potřeba ofuk pravítka.

Neméně důležitá je i fáze užití stroje ve výrobě. Podle studií německého svazu výrobců VDW se ve využití strojů a organizaci výroby skrývá větší potenciál pro energetické úspory než ve vlastní konstrukci strojů. Pokud přeskočíme otázky, zda je daný dílec vůbec potřeba a zda je vhodně konstruován, zbývá nám několik etap:

• návrh výrobního řetězce;
o vhodný typ stroje/strojů;
o pro vyšší objemy výroby zvážit využití speciálních strojů pro velkosériovou produkci;
• volba nástrojů, řezných podmínek a řezného prostředí;
o využívat intenzivní řezné podmínky;
o typ a množství emulzního chlazení řezu stanovit úsporně s ohledem na každou operaci;
• vygenerování CL dat (trajektorie) a postprocesing do formy NC programu;
o zde obvykle platí, že krátký čas znamená nízkou spotřebu energie;
• odlaďování výroby;
o pokud možno odlaďovat mimo stroj, za použití moderních SW;
• organizace výroby, chování obsluhy, vedlejší neproduktivní časy;
o výroba s minimem vedlejších časů;
o co nejkratší temperování stroje;
o využívání dotykových sond pro ustavení obrobků;
o vypínání stroje během přestávek
o a další.

Každý z bodů v sobě obsahuje množství variant a prostoru pro hledání optima. S velkou jistotou lze však říci, že ekonomické obrábění je i energeticky efektivní a že oba pohledy na věc jsou zde ve velké shodě. Důležité je věnovat přípravě výroby dostatečnou pozornost a zvláště u větších sérií se důsledně pokusit výrobní proces optimalizovat.

Spektrum moderních výrobních strojů a jejich využití je natolik pestré, že nikdy nebude možné jednoznačně říci, jaká je univerzální cesta k minimální spotřebě energie. Důležitou roli vždy bude mít měření příkonů na konkrétních strojích při konkrétních pracovních scénářích, analýza elektroprojektu, strojního kusovníku a nastavení PLC. To vše s uvážením technologických možností stroje a přiměřenosti jednotlivých instalovaných agregátů může dát vodítko pro konkrétní úsporná opatření.

Ing. Tomáš Holkup, Ph.D., a kol.

V článku byly použity informace získané během řešení projektu „FR TI3/655 – Ecodesign ve stavbě obráběcích strojů“, podporovaného Ministerstvem průmyslu a obchodu.

VCSVTT, FS ČVUT v Praze
T.Holkup@rcmt.cvut.cz