Енергийна ефективност при металорежещи машини

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 2/2019 • 12.04.2019


Енергийната ефективност не е сред най-типичните характеристики на традиционните металорежещи машини, при които производителите търсят непрекъснати подобрения в точността, бързината и производителността.

През последните години обаче глобалният стремеж към понижаване на енергийната интензивност и редуциране на въглеродния отпечатък в редица индустриални отрасли задава нови изисквания към оборудването в металообработката. Допълнителен фактор, налагащ поставянето на енергийната ефективност сред ключовите особености на металорежещите машини, е и все по-конкурентният пазар в този бранш в комбинация с нарастващите изисквания на клиентите.

Потребителите на такива машини са изправени пред сложното предизвикателство да оптимизират оперативните си разходи, непрекъснато инвестирайки в повишаване на качеството и производителността. Ето защо намаляването на енергийното потребление на металорежещите машини е сред водещите стратегии за подобряване на пазарната им реализация.

Този тип оборудване включва различни по вид и функция двигатели и спомагателни компоненти, чиято консумация на електроенергия варира значително по време на експлоатация. С оглед редуциране на енергийното им потребление могат да бъдат приложени различни технологични подобрения.

 

Основни области на подобрение

Типичен пример за промяна в консумацията на дадени машинни компоненти в различен режим на работа са основното шпинделно задвижване и смазочно-охлаждащата система.

При работа в груб режим на обработка с високи темпове на отнемане на материал например те функционират при близка до номиналната мощност, което означава и по-висока консумация на енергия. При фрезоване същите компоненти работят с много по-малко потребление. Този пример е показателен за нуждата от интегриране на функции за енергиен мениджмънт на ниво машина, които могат автоматично да регулират или изключват консуматори, които не са в експлоатация в момента.

Така изискването към висока прецизност на обработка още от първия детайл се оказва отлична стратегия за повишаване на енергийната ефективност.
Сред процесите на машинна обработка, които се отличават с най-специфични енергийни потребности, е фрезоването.

При него е необходима енергия за охлаждане на смазочния флуид, за генериране на сгъстен въздух, за захранване на спомагателните компоненти, за захранване на ЦПУ блока с основния шпиндел и двигателите на подаващите оси. В допълнение е нужно електричество за осветление, вентилация и климатизация на машината.

За да станат по-ясни възможностите за енергоспестяване, е полезно да разгледаме един конкретен пример. При фрезоване на алуминиев корпусен детайл с размери 150/50/25 мм металорежещата машина консумира 13 kW за грубата обработка и 74 kW за финишни операции. Машината разполага с работна зона с размери 850/700/500 мм.

Енергийният баланс по време на отделните фази на обработка дава по-детайлен поглед към това как едни същи системи консумират енергия в различни режими на работа. Консумацията на енергия за сгъстен въздух в посочения пример варира в съвсем малки граници при подготовка на обработката - груба и финишна. В този случай тя е средно 13 kW. Сгъстеният въздух се използва за смазване на шпиндела, смяна на инструментите и почистване на детайла.

Системата използва 5,1 kW за температурно стабилизиране и изпомпване на смазочно-охлаждащата течност. Възможност за намаляване на общата консумация на енергия представлява въвеждане на процес на суха обработка.

В някои приложения това би било рентабилно, но в други би създало риск от повишаване на количеството бракувана продукция. Разходите, свързани с това, биха могли да надвишат потенциалните икономии от енергоспестяване. Ето защо оценяването на всяка възможност за подобряване на енергийната ефективност е добре да се извършва локално, на ниво машина и приложение.

Една металорежеща машина включва различни компоненти, които консумират електричество. Такива товари са централното програмно управление с основния шпиндел, двигателите на подаващите оси, системите за смяна на палети, охладителите, хидравличните системи, средствата за автоматизация и т. н.

Обикновено количеството енергия, което спомагателните компоненти използват, е относително постоянно. В горния пример разликата между стойностите й във фазите на подготовка, груба обработка и финишни операции е едва 600 W. Потреблението по време на подготвителния етап до голяма степен се определя от мощността, с която спомагателните системи работят.

Ето защо голям потенциал за енергоспестяване крие ефективното управление на отделните спомагателни компоненти и селективното им изключване, когато не са реално необходими.

Компонентите, управлявани от ЦПУ блока, включват основния шпиндел и двигателите на подаващите оси. Те консумират едва 27% от общото количество енергия, използвано в посочения пример. Средната мощност на подаващите двигатели е 250 W и тя се определя от задържащата сила на вертикалната ос. Кратки пикови нива на мощност се консумират само по време на ускорение и спиране.

 

Консумация при фрезоване

Експертите твърдят, че енергийната ефективност на металорежещите машини може да бъде значително повишена чрез използването на т. нар. рекуперативни задвижвания. Ползата от внедряването им е ясно отчетлива при фрезови операции. Колкото по-честа е смяната на инструментална екипировка например, толкова по-ефективно се оказва задвижването, изчисляват специалистите.

Мощността, консумирана по време на фрезоване, може да бъде подразделена на две – консумираната от основното шпинделно задвижване и от задвижванията на подаващата ос. По време на груба обработка с параксиална скорост на подаване, подаващите двигатели в горния пример консумират средно 200 W. Основният шпиндел достига номиналната си мощност по време на тази фаза на работа, като консумира 19 kW.

В една типична фрезова операция, включваща изработка на кръгъл джоб посредством груба и финишна обработка, средната мощност на захранващите двигатели е 100 W, докато основното шпинделно задвижване се нуждае от 1,5 kW.

Става ясно, че задвижванията на подаващите оси са отговорни за много малък дял от общата мощност, която едно ЦПУ консумира. Ето защо повишаването на тяхната ефективност на практика не дава съществен принос върху цялостното повишаване на енергийната ефективност на системата. Шпинделното задвижване, от друга страна, може да окаже значително влияние върху общия енергиен профил.

Ако то работи доста под номиналната си мощност, вътрешните загуби нарастват пропорционално и нарушават общия енергиен баланс. Ако шпинделът ограничи темповете на отнемане на метал по време на фрезоването, цялата операция ще отнеме повече време. Получава се спад в енергийната ефективност поради базовия товар на спомагателните компоненти. Експертите изчисляват още, че повишаването на ефективността на самите фрезови операции допринася за увеличаване на енергийната им ефективност. Един добър подход в тази посока би бил използването на синхронни вместо асинхронни двигатели.

Системите с ЦПУ подлежат на значителна оптимизация посредством повишаване на ефективността с рекуперативни захранващи модули. На практика, всяко ускорение на дадено задвижване в машината е последвано от съответното спирачно действие. Рекуперативните задвижвания преобразуват кинетичната енергия от движещите се маси обратно в електрическа енергия.

Повечето захранващи модули за ЦПУ блокове, достъпни на съвременния пазар, са проектирани за работа както в рекуперативен, така и в конвенционален спирачен режим. Във втория случай кинетичната енергия, освободена от спирачния процес, се превръща в топлина чрез спирачни резистори.

Едно рекуперативно задвижване може да захрани тази енергия обратно към мрежата, вместо да я остави да се разсее. Въпреки това, процесът, необходим за обратното подаване на тази енергия, и допълнителните компоненти за регулиране на електрическата мрежа генерират загуби, дори когато устройствата не се нуждаят от захранване. Загубата се повишава леко дори когато не се регенерира мощност.

Един рекуперативен захранващ модул работи по-ефективно от един нерекуперативен аналог, когато рекуперираното количество енергия компенсира и надвишава тези загуби на мощност. Ето защо приложимостта и рентабилността на тази технология в дадена машинна конфигурация зависи от вида и спецификите на обработващите операции, които ще се извършват на нея. Както споменахме по-рано, честотата на смяната на инструменталната екипировка пряко влияе върху енергийната консумация.

В един пример, фрезоване с мощност 15 kW бива периодично прекъсвано за смяна на инструмента. Шпинделното задвижване консумира 60 kW при стартиране. Рекуперативното захранване бързо успява да възстанови и подаде 48 kW обратно към мрежата, докато едно нерекуперативно захранване просто би превърнало кинетичната енергия в топлина.


Оценка на потенциала за енергоспестяване

Регенративните захранващи модули работят по-ефективно с увеличаване честотата на прекъсване на металорежещите операции. Работата на такъв модул е високоефективна при интервал между прекъсванията за смяна на инструмента от 100 секунди или по-малко (което прави около 0,6 смени на минута). При контурно фрезоване обаче, което се характеризира с по-редки смени на екипировката, по-ефективно би било използването на нерекуперативна система.

Макар елементарното изключване на спомагателни компоненти да притежава потенциал за енергоспестяване, тази практика може да има сериозен негативен ефект. Внезапното отнемане на отпадъчната топлина от тези компоненти или на температурно стабилизиращия ефект от смазочно-охлаждащия флуид би могло да доведе до пораждането на топлинни измествания в рамките на металорежещата машина, които да причинят влошаване на точността и повишаване на брака. Ето защо е препоръчително да се изключват спомагателни компоненти, когато тяхната работа не влияе драстично върху топлинната картина на процесите.

Централното програмно управление може да служи като блок за управление на енергийното потребление на металорежещите машини и техните спомагателни компоненти. Така могат да бъдат задавани например времезакъснения за дадени събития, за да може двигателите да бъдат изключвани от мрежата след определен период на бездействие. Подобни функции биха могли да бъдат програмирани и с цел деактивиране на спомагателни компоненти, оси, осветление на работната зона и т. н.

Сред факторите, влияещи върху потенциала за енергоспестяване на дадена металорежеща машина, са и периодите на престой. Минимизирането на времето за смяна на инструментите също повишава енергийната ефективност. В този смисъл, използването например на сензорни сонди, вместо на измервателни уреди за инспекция на детайла, може да ускори времето за настройка.

Специалистите изчисляват, че внедряването на сензорни сонди в процеса спестява над 70% от времето, необходимо за извършване на необходимите измервания посредством ръчни измервателни инструменти.

За да стане по-ясна разликата, може отново да въведем две примерни приложения. В първото е необходимо подравняване на заготовката на детайла паралелно на осите, поставяне на еталона в един от ъглите на работното място и задаване на координатната ос на инструмента в горната повърхност на заготовката. Втората задача се състои в подравняване на детайла параксиално посредством два отвора, задаване на точката на работната равнина в центъра на първия отвор и задаване на координатната ос на инструмента в горната повърхност на заготовката.

При извършване на двете задачи последователно с ръчен инструмент и със сонда резултатите показват, че сондата спестява около 4 минути в първата (около 72% от времето) и около 5 минути при втората (приблизително 77% от времето). При десет подобни настройки на ден в реална работна обстановка и около 220 работни дни на годишна база, едно такова сравнително дребно технологично подобрение може да спести около от 580 до 730 kWh годишно.

 

Ефективност при серво управляваните системи

Шпинделните двигатели и двигателите на осите работят при управление в затворен цикъл. Дори най-малкото смущение в техните сигнали за обратна връзка може да причини големи колебания в тока на двигателя. Налице са и фактори, свързани с обратната връзка при позиционирането, които могат да повлияят върху енергийната ефективност.

Данните от енкодера за позициониране често се интерполират с цел подобряване на разделителната способност. Интерполацията включва отклонения на малък обхват в рамките на един период на сигнала (интерполационна грешка) от около 0,5% от периода на сигнала.

Ако честотата на интерполационната грешка се увеличи, в даден момент задвижването на осите вече няма да може да следва кривата на грешката. А ако въртящият момент остане постоянен, двигателят ще консумира повече енергия и неговата ефективност ще се влоши.

Допълнителната необходима енергия ще се превърне в топлина. Тогава ще се породи необходимост охлаждащата система да разсее тази топлина, а самото охлаждане консумира допълнително количество енергия. Като извод - енкодерите с по-високо качество на сигнала се оказват по-добро решение по отношение на енергийната ефективност в сравнение с такива с по-висока разделителна способност, при която нуждата от интерполация е елиминирана.

Използването на енкодери може допълнително да подобри енергийната ефективност чрез потенциално намаляване на бракуваните детайли. Една от основните причини за брак е т. нар. топлинен дрифт на осите, задвижвани посредством сачмено-винтови двойки. Явлението представлява изменение в работните параметри вследствие на промяната на температурата.

Разпределението на топлината по сачмено-винтовите двойки може рязко да се измени с промяна на темповете на подаване и задвижващите усилия. Ефектът е характерен за системи с т.нар. полузатворен цикъл на управление (непълна обратна връзка), които не разполагат с линейни енкодери по подаващите оси. Използването на линеен енкодер е решение за въпросния проблем, тъй като повишаването на температурата на сачмено-винтовите двойки няма да повлияе негативно на точността, просто защото при управление на позицията ще се компенсират механичните грешки в задвижването.

Да разгледаме още един пример. Той касае изработката на лост за включване или изключване на съединител двукратно посредством един и същи шаблон. Вторият детайл се обработва 10 мм под първия. Между двете машинни операции двадесет цикъла на обработка за една и съща част се изпълняват над шаблона. В системи с полузатворен цикъл контурът на втория детайл се отклонява леко от контура на първия детайл. При практическо провеждане на въпросния експеримент разликата е около 44 mm. Включването на линеен енкодер в обратната връзка елиминира ръба.

В посочения пример отнема два часа да се произведат 22 лоста. Разстоянието от 350 мм между двата отвора трябва да има допустимо отклонение от IT7 по международната скала за геометрични отклонения, което позволява грешка от ± 28 mm. За да бъдат произведени 22 годни детайла в полузатворен цикъл, машината трябва първо да пусне цифровата програма да върви циклично в продължение на 25 минути, за да се гарантира съответствие с допуските по клас IT7.

По време на етапа на подгряване обаче енергийната консумация е едва с 10% по-малка в сравнение с тази при реалното фрезоване. Следователно разходите за производство на годен детайл в полузатворен цикъл са с около 19% по-високи в сравнение с тези при производството на 22 детайла при обратна връзка с линейни енкодери. Ако партидата изисква изработка на 50 части на фрезова машина с полузатворен цикъл с включена фаза на подгряване, годишните изчисления на потреблението на електрическа енергия включват допълнителни 660 kW/час, получени от допълнителните 8 kW, консумирани и изгубени под формата на топлина.

Новият брой 6/2019

брой 6-2019

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top