Zkušenosti s problematikou ekodesignu při konstrukci

K problematice Energy Saving na obráběcích strojích bylo napsáno již více článků. My jsme se rozhodli vytvořit vlastní koncepci, která vznikala na základě úvah, aby to nebyla jen reakce na nějakou „módní vlnu“, ale aby to zákazníkovi něco smysluplného přineslo.

Především je energetická spotřeba ovlivněna vlastní konstrukcí stroje. To však není účelem tohoto článku. Chtěli bychom stručně prezentovat možnosti, které nabízíme zákazníkovi v následující fázi, kdy je již stroj v provozu a je využíván zákazníkem.

Nejvíc energie se ušetří, když je stroj vypnutý. Pokud neuvažujeme o tomto extrému, chtěli jsme vytvořit možnost, aby za určitých situací bylo možné vypnout část stroje (v té době nepotřebnou). Na základě této úvahy jsme vytvořili tři úsporné režimy pro vypínání. U každého z těchto režimů si obsluha může nadefinovat, co se má v případě aktivace tohoto režimu vypnout (hydraulika, lednička chladicí kapaliny, lednička pomocného vřetena, osvětlení, pohony, stroj atd.). Každý z těchto režimů se může dále aktivovat automaticky zadaným nastaveným časem, který se začne počítat až po zastavení obráběcího cyklu a když na stroji není žádný CNC pohyb. Další alternativou pro zapnutí některého ze tří režimů je ruční spuštění pomocí tlačítek Režim 1 (2, 3). Možnosti vypínání jednotlivých funkcí stroje a ještě v závislosti na čase se stávají pro zákazníka velmi variabilní a tedy reálně použitelné.

Následující ukázky demonstrují možnosti, které si může zákazník na ovládacím panelu stroje vyvolat.

V levé části obrazovky je vidět okamžitá spotřeba stroje, pohonů CNC a ostatních agregátů. Pod tím je obdobně vidět spotřeba stroje, CNC pohonů a ostatních agregátů během měřeného úseku.

Na závěr je vhodné uvést, že tyto funkce byly již vystavovány na letošním veletrhu EMO v Hannoveru na stroji ET 2000 a věříme, že budou našimi zákazníky pozitivně přijaty.

Ing. Zdeněk Zbranek
vedoucí elektrokonstrukce Toshulin
………………………………………………………………………………………………………………………………………..

V roce 2009 se firma TOS Varnsdorf připojila jako jeden z partnerů ke Strojní fakultě ČVUT v Praze, která přihlásila do třetí výzvy dotačního programu TIP projekt s názvem Ecodesign ve stavbě obráběcích strojů, č. FR-TI3/655. Projekt byl Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR schválen a řešení bylo započato v roce 2010.
Jedním z dílčích cílů řešeného projektu byly modifikace strojů s ohledem na dosažení nižší úrovně spotřebované elektrické energie. TOS Varnsdorf se v tomto ohledu zaměřil na dva ze svých strojů, a sice stroje WHN 13 CNC a WRD 150. Pro identifikaci největších spotřebičů elektrické energie bylo provedeno velmi důkladné proměření strojů. Jednak v režimu naprázdno, jednak při obrábění vzorového obrobku, který byl pro tyto účely navržen týmem pracovníků řešitele, tedy VCSVTT, FS ČVUT v Praze. Z měření vyplynuly tři základní oblasti, které mají největší podíl na spotřebě elektrické energie – pohony stroje, periferie stroje (různé agregáty apod.) a stlačený vzduch. Dále budou popsány inovační kroky realizované u stroje WRD 150.

Podíváme-li se blíže na oblast pohonů, máme zde dvě základní skupiny. Pohony jednotlivých os stroje a dále pak hlavní pohon vřetena. Jednou z možností, jak snížit spotřebu pohonu, je snížit hmotnost přesouvané skupiny. Proto jsme ve spolupráci s řešitelem projektu navrhli nový stojan stroje WRD 150. Zadání bylo „jednoduché“ – návrh nového stojanu s výrazně nižší hmotností, zachování nebo zlepšení tuhosti a samozřejmostí bylo zachované rozhraní pro připojení dalších skupin stroje, jako je vřeteník, výměna nástrojů apod. Byl tedy navržen svařenec vyplněný hliníkovou pěnou, jehož hmotnost byla nižší zhruba o 25 % vůči původní variantě stojanu. Konstrukce stojanu však umožnila přepracování uchycení motorů osy X a následně i odstranění saní stojanu. Celková úspora hmotnosti celé přesouvané skupiny stojan tedy činila téměř 50 % vůči původní variantě stroje. Měření spotřeby elektrické energie však ukázala, že snížení hmotnosti přesouvané skupiny má pouze nepatrný přínos ke snížení spotřeby. Došlo ale ke snížení špiček odběrů při rozjezdech a brzdění, což je pozitivní změna a cenná informace do budoucna.

V oblasti hlavního pohonu vřetena byly podniknuty v rámci řešení projektu kroky vedoucí ke snížení pasivních odporů v celém řetězci hlavního náhonu. Tyto drobné úpravy, v porovnání se zcela zásadním snížením hmotnosti stojanu, však přinesly v konečném důsledku podstatně výraznější úspory spotřeby energie. Navíc bylo při zkouškách zjištěno, že tato úspora je úměrná otáčkám vřetena. Čím větší otáčky, tím větší úspora energie.

Jak je obecně známo, jedním z nejdražších médií užívaných při provozu obráběcích strojů je stlačený vzduch. Ekvivalentní příkon spotřeby stlačeného vzduchu, při započítání různých ztrát, odpovídá zhruba 30 W na 1 litr stlačeného vzduchu. Stlačený vzduch je užíván např. pro ofukování pravítek, ofukování kuželové dutiny vřetena, přetlakové těsnění vřetena nebo jednoduché pneumatické obvody. Systémem redukčních ventilů a způsobem řízení byly redukovány provozní tlaky a průtoky ve zmíněných okruzích systému na nejnižší povolenou hodnotu. Dále byl na patu stroje u přívodu stlačeného vzduchu instalován automatický ventil pro úplné uzavření přívodu stlačeného vzduchu po vypnutí stroje. Samozřejmě až po uplynutí určité doby od vypnutí stroje, která je předepsána výrobci komponent, z důvodu ochrany těchto komponent. Bylo tak zamezeno zbytkovým únikům stlačeného vzduchu během odstávek stroje.

Konstrukce inovovaného stroje si vyžádala také inovaci v oblasti hydraulických obvodů a jejich řízení. Byl optimalizován hlavní hydraulický agregát, včetně zvětšení objemu akumulátoru a použití sedlového ventilu. To má za následek zkrácení doby běhu motoru hydraulického agregátu a zároveň prodloužení intervalu mezi spínacími cykly motoru.

Ing. Tomáš Kozlok a kol.
vedoucí vývojových projektů a zkušebny TOS Varnsdorf
…………………………………………………………..……….

Nejnovějším strojem v portfoliu společnosti Fermat je stroj WFT 11. Jde o křížovou horizontální vyvrtávačku s nosností otočného stolu 8 tun. Koncepce a požadavky na stroj byly trhem dány. Tuhý odlitý skelet stroje, kluzné vedení, konkurenceschopná cena, ale také nízká energetická náročnost stroje.

Nízkou spotřebu elektrické energie zákazníci požadují zejména u menších strojů WFC 10 a WFT 11, což je dáno jejich vyšším důrazem na ekonomiku provozu u těchto strojů.

U stroje WFT 11 jsou využity elektrické pohony na všech lineárních a rotačních osách. Bylo tedy nutné hledat energeticky úsporná opatření právě v těchto částech stroje. Zaměřili jsme se zejména na dvě oblasti. Na optimalizace hmotnosti přesouvajících se hmot při zachovaní požadované tuhosti stroje a snížení pasivních odporů ve vedení, které jsou výrazným zdrojem energetických ztrát.

Pro nalezení úspor hmotnosti přesouvajícího se stojanu s vřeteníkem a otočného stolu bylo využito nejen zkušeností konstruktérů z předešlých projektů, ale také simulačních metod (např. MKP).

Pro snížení pasivních odporů u rotační osy otočného stolu bylo použito radiálně-axiální valivé ložisko, které má oproti kluznému vedení výrazně nižší tření ve vedení.

Na lineární osy bylo podle požadavků trhu nutné aplikovat kluzné vedení. Při použití standardních kluzných materiálů (např. Turcite-B Slydway nebo Biplast) nebylo možné pasivní odpory výrazně snižovat i při aplikaci různých druhů olejů a způsobů dávkování. Z tohoto důvodu byla hledána a posléze i nalezena kluzná hmota, jejíž koeficient tření je téměř poloviční oproti standardně používaným materiálům. Díky tomuto řešení došlo nejen ke snížení pasivních odporů o polovinu, což vedlo k výslednému snížení energetické náročnosti stroje, ale také ke zvýšení přesnosti opakovatelnosti polohování a zvýšení přesnosti kruhovitosti při kruhové interpolaci srovnatelné se stroji na valivém vedení.

Je otázkou, jak nově připravované směrnice dopadnou na výrobce OS. V případě horizontálních vyvrtávaček je vidět nejednotnost v koncepčním řešení strojů. Na jednu stranu můžeme nalézt stroje „ze staré školy“ vybavené hydrostatickým vedením, složené z mohutně žebrovaných odlitků a hydraulicky nebo pomocí protizávaží vyvažovaným vřeteníkem. Na druhé straně jsou tu stroje podobné velikosti, kde většina pohybů a kompenzací je realizována pomocí elektrických pohonů. Je otázkou, jestli tyto „modernější“ stroje využívající maximálně potenciál elektrických pohonů a jejich snadné řízení nebudou v budoucnu znevýhodněny pro jejich větší spotřebu el. energie.

Byť se považuji za ekologicky smýšlejícího člověka, myslím si, že směrnice nařizující nucené snižování energetické náročnosti obráběcích strojů není vhodné řešení, neboť obráběcí stroj není vysavač. Jeho koncepce není již několik desetiletí stejná. Vyšší spotřebu el. energie mohou mít některé stroje z důvodu lepších parametrů, které mohou být pro určité zákazníky důležité, a ti proto upřednostní koupi byť „neekologického“ stroje, který však lépe splňuje pro ně důležitější kritéria.

Ing. Michal Dosedla, Ph.D.
vedoucí konstrukce Fermat CZ