Повишаване на енергийната ефективност на металообработващи машини

Производствената ефективност е важен фактор по отношение на баланса на жизнения цикъл на машините и продуктите. Според проучвания най-значимото отрицателно въздействие на металообработващите машини върху околната среда е свързано с енергопотреблението им във фаза на експлоатация.

Също така енергийните разходи са двуцифрен процент от общите разходи за жизнения цикъл. Енергийната ефективност на металообработващите машини е актуален въпрос, чието разрешаване се мотивира от няколко страни - производителите и потребителите се стремят да понижат производствените разходи, а законодателството изисква редуциране на въздействията върху околната среда.

Металообработващите машини включват множество двигатели и спомагателни компоненти. Енергийната консумация на оборудването варира в значителни граници в зависимост от вида на извършваните операции.

Например при груба обработка с висока степен на отнемане шпинделното задвижване и охлаждащата система работят при мощност, близо до номиналната, докато при финишна обработка енергопотреблението е значително по-ниско. Между отделните компоненти и модулите, както и между производителността и качеството, съществува силна зависимост.

Потенциалът за реализиране на енергоспестяване и мерки за подобряване на енергийната ефективност могат да бъдат оценени на ниво от консумацията на самия процес до отделния компонент.

Една от потенциалните възможности за енергийни спестявания е базовият товар на металообработващата машина, за който се изразходва енергия дори във фази с нулева производителност. Базовият товар се определя в голяма степен в зависимост от спомагателните компоненти на машината.

Освен използването на енергийно ефективни двигатели в тези компоненти съществуват редица други възможности за редуциране на базовия товар. Някои от енергоконсуматорите например могат да бъдат изключени от машинното управление при нулева производителност.

Отделянето на брак неминуемо увеличава консумацията на енергия, поради което провеждането на производствения процес на детайлите с висока точност е от решаващо значение за енергийната ефективност. В това отношение машините с балансирани термични характеристики и технология за прецизно измерване на позицията имат съществени предимства.

Определяне на енергийния профил

Първата задача при измерването на енергийната ефективност на една металообработваща машина е да се определят границите на системата. Насоки за това са дадени в международния стандарт ISO 14955-1:2017 дори за по-редки случаи, например в които машините са оборудвани с топлообменни апарати за отпадна топлина.

Втората важна задача е да се избере конкретен работен сценарий, типичен за машината. Той трябва да обхваща както фазите на производство (типични детайли, партиди), така и периодите с нулева производителност (режим на готовност, работа на шпиндела на празен ход, загряване). Следващият фактор е изборът на оборудване за измерване на енергопотреблението.

При определянето на енергийния профил на машината трябва да се следят три вида енергийни потоци - трифазният 50-херцов променлив ток в няколко точки, енергопотреблението на задвижванията и консумацията на сгъстен въздух. В някои случаи е добре да се проведе по-задълбочен анализ и да се измери и топлинната мощност, за да се установи ефективността на охлаждащата система или топлообменниците, както и хидравличната мощност за определяне на ефективността на хидравличните контури/компоненти и на свързаните с тях помпи.

Енергийни нужди при фрезоване

При процес на фрезоване консумацията на енергия е свързана със смазочно-охлаждащата система, генерирането на сгъстен въздух, електрически задвижваните спомагателни компоненти на фрезовата машина и CNC пакета с основния двигател на шпиндела и двигателите по осите.

Към тези групи консуматори трябва да се прибавят и пропорционално изчислените количества енергия за осветление, вентилация и климатизация. Енергийните нужди при фрезоване зависят предимно от размера на машината и конкретната задача по обработка.

Сухата обработка предлага добър потенциал за постигане на енергийна и ресурсна ефективност. В много приложения обаче липсата на смазочно-охлаждаща течност повишава процента на брак и следователно увеличава средното енергопотребление.

Сгъстен въздух е необходим минимум при смазване на шпиндела, смяна на инструмента и почистване на обработвания детайл, като малки количества се изискват и за уплътняване. Средната енергийна консумация за сгъстен въздух се изменя в тесни граници при състояние на готовност, груба и финишна обработка.

Сред консуматорите на електроенергия в машината са и CNC системата с основния двигател на шпиндела и двигателите по осите, както и редица спомагателни компоненти, включително устройството за смяна на палети и системите за охлаждане, хидравлика и автоматизация.

Ефективност на задвижващите компоненти

Двигателите на шпиндела и по осите са сред основните компоненти на една металообработваща машина. Както е известно, енергийната ефективност на задвижващите елементи се определя от съотношението между доставената и консумираната мощност.

Мрежата от задвижващи компоненти, която включва захранващ модул, задвижващи модули, двигатели и механични елементи, преобразува консумираната електроенергия до налична механична мощност. Данните за ефективността на тези компоненти обикновено се отнасят до номиналната мощност.

За други номинални стойности ефективността на отделните компоненти може да варира значително. Обикновено захранващите и задвижващите модули могат да предложат стойности на ефективност над 95%.

При сравнението на енергопотреблението по време на грубо челно фрезоване и фрезоване на кръгови джобове става ясно, че задвижванията по осите отговарят за много малък дял от консумацията на енергия. От друга страна, изборът на шпиндел може да повлияе в съществена степен върху разхода на електроенергия.

Ако шпинделното задвижване работи при много по-ниска от номиналната си мощност, процесът на фрезоване неминуемо ще отнеме повече време. Резултатът е понижаване на енергийната ефективност поради генерирания от спомагателните компоненти базов товар. Потенциал за по-добра енергийна ефективност при фрезоване съществува и по отношение на ефективността на шпинделния двигател - например чрез използване на синхронни вместо асинхронни двигатели.

Рекуперативни захранващи модули

В отговор на всяко ускорение на задвижванията е необходим спирачен процес. Енергията от движението на тези компоненти до голяма степен се преобразува отново в електрическа енергия.

В нерекуперативен захранващ модул отделената от спирачния процес кинетична енергия се преобразува в топлина посредством спирачни съпротивления. За разлика от това, рекуперативните захранващи модули връщат тази енергия към разпределителната мрежа. Пътят за връщане на енергията и необходимите компоненти за изглаждане на мощността в мрежата генерират загуби, дори когато задвижванията не изискват енергия.

Загубите се увеличават малко, дори когато не се регенерира енергия. Това означава, че един рекуперативен захранващ модул работи по-ефективно от нерекуперативен, когато регенерираната енергия компенсира по-високата загуба на мощност. По този начин работата на машината определя кой тип захранващ модул да се използва.

Честотата на смяна на инструмента също оказва влияние върху това решение. Рекуперативните захранващи модули работят по-ефективно, когато интервалът между две смени на инструмента е под 100 секунди (еквивалент на 0,6 смени на инструмента за минута). Често за процеси с множество смени на инструмента за минута рекуперативните захранващи модули са по-доброто решение. При контурно фрезоване с малка честота на смяна на инструмента предимствата са на страната на нерекуперативните системи.

Деактивиране на спомагателни компоненти

Енергопотреблението на няколко групи консуматори намалява почти незначително, когато машината е в състояние на готовност. Затова продължителността на фазите с нулева производителност трябва да бъде сведена до минимум.

При обработващите центри за по-малки производствени серии енергопотреблението може да бъде съществено редуцирано чрез селективното деактивиране на спомагателни компоненти. Потенциални енергийни спестявания могат да се реализират и в резултат на използването на енергийно ефективни помпи в смазочно-охлаждащата система.

Последователното изключване на спомагателни компоненти, например хидравлични елементи и шпинделното охлаждане или агрегата за сгъстен въздух обаче, може да има и негативен ефект. Ако внезапното премахване на отпадна топлина от спомагателни компоненти или на регулиращи температурата елементи доведе до термично разбалансиране в машинната рама, може да се стигне до получаването на некачествена продукция.

Следователно, стратегията за селективно изключване на спомагателни компоненти е най-подходяща за машини с ниска склонност към дисбаланс в резултат на изменение на температурата.

CNC системата може да послужи като основен инструмент за енергиен мениджмънт, използвайки предимствата на специални функции на програмируемите логически контролери (PLC) за обвързване на събития в производствения процес с параметри за управление на спомагателните компоненти.

На събитията могат да бъдат приписани времена на закъснение, така че например двигателите да бъдат спрени и изключени от захранването след определен период на прекъсване (бездействие). На база това могат да бъдат генерирани функции за деактивиране на различни спомагателни устройства, оси, осветлението в работната зона и др. За тези основни функции отговаря машиностроителната компания. Ефективна мярка, която би могла да бъде предприета от страна на потребителите, е адаптирането на енергийния мениджмънт към специфичните навици при експлоатация.

Мониторинг на серво управляваните двигатели

В циклите на управление на шпинделните двигатели и директно задвижваните оси дори най-малкото смущение на сигнала от обратната връзка може да причини значителни флуктуации в тока на двигателите.

Интерполирането на сигнала от позиционен енкодер включва отклонения в малки граници в рамките на един период на сигнала (грешка при интерполация), типично приблизително 0,5% от периода. Ако честотата на грешката при интерполация нарасне, задвижването на подаващия механизъм вече не може да следва кривата на грешките.

От грешката при интерполация обаче се генерират допълнителни компоненти на тока. Следователно, ако въртящият момент се запази постоянен, енергопотреблението и ефективността на двигателя ще се влошат. Необходимата допълнителна енергия се преобразува в топлина, която трябва да бъде разсеяна от охлаждащата система на двигателя, която, от своя страна, също консумира енергия.

Това може да бъде илюстрирано чрез сравнение на ефектите на оптичен и модулен магнитен енкодер на задвижването на ротационна маса. Ъглов енкодер с 16 384 реда генерира едва забележими смущения в тока на двигателя и отделя малко топлина. Поради принципа на магнитно сканиране енкодерът има забележимо по-малко сигнални периоди.

Съществени смущения възникват в тока на двигателя при същите настройки на контролерите. Например при скорост на вала от приблизително 30 min-1, ефективната стойност на тока е с 15 A по-висока, отколкото за оптичен енкодер. Това води до генериране на по-големи количества топлина.

Енкодер с ниско качество на сигнала може да доведе до по-голяма загуба на енергия от двигателя. Допълнително необходимата енергия за активно охлаждане също следва да бъде включена в енергийния баланс. За да се подобри енергийната ефективност на двигателя, енкодерите се нуждаят от висококачествени сигнали.

Минимизиране на брака със затворен цикъл

Детайлите с лошо качество понижават производителността на процесите и следователно допринасят за увеличаване на енергийните разходи на една изработена част. Основна причина за това е топлинният дрифт (изменението в работните параметри вследствие на промяната на температурата) на осите, функциониращи посредством сачмено-винтови двойки.

Температурното разпределение по дължина на сачмено-винтовите двойки може да се измени много бързо в зависимост от скоростта на подаване и движещите сили. При металообработващи машини в полузатворен цикъл получаващите се изменения могат да доведат до съществени дефекти в детайлите.

Ако за измерването на позицията на плъзгача се използва линеен енкодер, повишението в температурата на сачмено-винтовата двойка няма да окаже влияние върху точността. Това е известно като “работа с обратна връзка”, тъй като механичните грешки в задвижването се измерват в цикъла на управление на позицията и съответно се компенсират.