机床能源效率:当前问题

机床包括许多电机和辅助部件。在运行过程中，能源消耗变化很大。例如，主轴传动和冷却系统，在粗加工时以较高的去料率工作，接近额定功率，但精加工期间的功耗显著降低。单个组件和子组件与生产率和质量指标之间存在着密切的相互依赖关系。从过程本身到单个组件的电力消耗，可以评估节约潜力，并确定更有效地使用能源的措施。

一个潜在的节省领域来自机床基本负荷，即使在非生产阶段也会消耗能源。基本负荷基本上是由机器的辅助部件决定的。除了在这些部件中使用节能电机外，还可以发现许多减少基本负载的机会。例如，一些能源消耗者可以在非生产阶段由机器控制关闭。

报废不可避免地增加了每个零件的能耗。因此，从第一部分开始的精确制造可以对能源效率起决定性作用。具有平衡热行为和精确位置测量技术的机器设计在这里具有明显的优势。

铣削过程中的能量需求

铣削过程的功率需求分为以下几个消费群体:

• 冷却润滑剂加工
• 压缩空气产生
• 电动铣床辅助部件
• 数控控制包与主轴和进给轴电机

按比例计算的照明、通风和空调能量必须添加到这些组中。铣削过程的能量需求主要取决于铣床的尺寸和加工任务。

干式机加工在提高能源和资源效率方面有很大潜力。然而，在许多铣削应用中，不使用冷却润滑剂会增加废品率，因此也会增加平均能源消耗。

最小的主轴润滑，刀具更换和工件清洗需要压缩空气。需要少量作为密封空气。平均压缩空气功率在生产准备、粗加工和精加工过程中变化很小。

机器电力消费者包括主轴和进给轴电机的CNC控制，以及众多的辅助组件，包括托盘更换和冷却，液压和自动化系统。

传动元件效率

主轴和进给轴电机是机床的核心部件之一。驱动元件的能量效率取决于输出功率与消耗功率的比率。驱动器网络将消耗的电能转换为传递的机械能。驱动网络组件包括电源模块、驱动模块、电机和机械组件。效率数据一般是指额定功率。对于其他额定值，单个组件的效率可能有很大差异。供电模块和驱动模块可以达到95%以上的效率值。

比较粗面和圆袋铣削期间的功耗表明，进给驱动只消耗CNC总功耗的一小部分。另一方面，主轴的选择会显著影响能耗。如果主轴驱动器运行远低于其额定功率，驱动器的固有损耗成比例增加，对能量平衡产生负面影响。如果主轴限制最大可能的金属去除率，铣削过程不可避免地需要更长的时间。结果是:由于辅助部件产生的基本负荷，能源效率降低。通过考虑主轴电机的效率，例如使用同步电机而不是异步电机，也有可能更有效地设计铣削工艺。

蓄热电源模块

每一次驱动的加速都需要相应的制动过程。来自驱动器移动质量的能量大部分被重新转换为电能。在非再生供电模块中，制动释放的动能通过制动电阻转换为热。一个再生电源模块将这些能量返回到电网。然而，即使驱动器没有功率需求，返回能量所需的路径和平滑电网电源所需的组件也会产生损失。即使电力不被再生，功率损失也会略有增加。因此，当再生能量超过补偿更高的功率损失时，再生电源模块比非再生模块更有效地运行。因此，机器操作决定了采用哪种类型的供应模块。

工具更换频率也会影响这个决策。在一个例子中，一个功率为15kw的铣削操作因更换刀具而周期性中断。启动主轴需要大约60千瓦的峰值功率。蓄热式电源模块为电网提供48kw的电力。高金属切削功率要求意味着铣削过程因刀具更换而中断的频率越高，平均输入功率就会下降。

当两次换刀的时间间隔小于100秒(相当于每分钟换刀0.6次)时，再生电源模块的工作效率会更高。在每分钟更换许多工具的过程中，再生电源模块通常被证明是更好的选择。在不频繁更换刀具的轮廓铣削过程中，其优点在于非再生系统。

辅助部件失效

在准备状态下，几个消费群体的能耗仅略有降低。因此，这些非生产性阶段必须尽可能地保持简短。对于小批量生产的加工中心，可以通过选择性停用辅助部件来显著降低能耗。除此之外，在冷却剂和润滑剂回路中使用节能泵还可以节省成本。

然而，辅助部件(如液压和主轴冷却)或压缩空气供应的持续关闭也会产生有害影响。如果辅助部件的废热突然消失，或者稳定温度的介质突然消失，导致机架的热位移，就会导致报废。因此，选择性辅助部件关闭功能最好的机器与小的倾斜热位移。

cnc可以作为机床能量管理的中央控制单元，利用特殊的PLC功能将生产过程中的事件(如NC停止)与用于控制辅助部件的输出联系起来。延迟时间可以分配给事件，例如，电机可以锁定并在静止后断开电流。在此基础上可生成各种辅助装置、轴、工作空间中的光等失效功能。这些基本功能是机床制造人员的职责。对于用户来说，根据特定的使用习惯调整能源管理是有帮助的。

测量伺服控制电机

在主轴电机和直驱进给轴的控制回路中，即使是最小的反馈信号扰动也会引起电机电流的较大波动。

位置编码器的信号插值包括一个信号周期内的短距离偏差(插值误差)，通常约为信号周期的0.5%。如果插补误差频率增加，进给传动就不能再沿误差曲线运动。然而，由于插补误差产生了额外的电流分量。因此，如果转矩保持不变，能量消耗和电机效率会变差。额外的能量需要转换为热量，通常必须通过电机冷却系统消散，这本身就消耗能量。

在直接驱动转盘驱动器上比较光学编码器和模块化磁编码器的效果说明了这一点。一个有16384条线的角度编码器只产生几乎不明显的电机电流扰动，产生很少的热量。由于磁扫描原理，编码器具有明显更少的信号周期。在相同的控制器设置下，电机电流会发生明显的扰动。例如，在大约30min - 1的轴转速下，电流的有效值比光学编码器大15a。结果是更大的电机产生热量。

低信号质量的编码器会导致更大的电机能量损失。主动冷却的额外能量需求也必须包括在能量平衡中。为了提高电机的能源效率，编码器需要高质量的信号。

闭环最小化报废

不良零件降低了生产效率，因此增加了每个制造零件的能源成本。循环滚珠丝杠上进给轴的热漂移是导致不良零件产生的主要原因。

进给量和运动力可以迅速改变滚珠丝杠的温度分布。在半闭环的机床上，长度的变化(通常在20分钟内变化为100 μm/m)会导致重大的工件缺陷。

如果使用线性编码器进行滑块位置测量，滚珠丝杠温度的升高对精度没有影响。这被称为“闭环操作”，因为驱动器机械误差是在位置控制回路中测量的，因此得到补偿。

-本文中的信息由Johannes Heidenhain博士GmbH提供，并由控制工程员工www.heidenhain.us

边栏注释:机床能源效率的组成部分

具有进给轴和主轴电机的CNC控制所消耗的功率通常占金属切削过程所需总功率的30%。辅助部件在能量平衡中起着主导作用。

数控控制操作是否受益于能量回收到生产线功率取决于铣削操作中更换刀具的频率或车削过程中更换工件的频率。

进一步的节能是可能的，这取决于主轴的速度和扭矩是否能密切适应机器的操作范围。如果需要通用主轴设计，其电机可能不得不以低效率运行，从而导致能源消耗的预期后果。

编码器的位置选择对主轴电机和直驱效率有决定性的影响。分辨率和精度不足会在位置控制回路中产生较大的电流值。具有高行数的位置编码器对于伺服控制驱动效率至关重要。

线性编码器提高精度，因此有助于精密和可重复的加工。这使得减少生产浪费和每个好零件的能源需求成为可能。

处理冷却润滑剂，供应压缩空气和液压，并完成冷却占据了总功率的主导份额。高效的泵电机节省了大量的能源。由于机床的基本负荷相对较高，尽量减少非生产阶段是一个高优先级。

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