Grundsätzlich lassen sich für eine systematische Steigerung der Energieeffizienz vier Hebel identifizieren, die über alle Technologien und den gesamten Lebenszyklus wirken: Die Grundlage bilden energieeffiziente Komponenten und Systeme. Darauf aufbauend erschließen die Rückgewinnung von Brems-Energien und die bedarfsorientierte Regelung von Antrieben weitere Einsparungen. Der dritte Hebel besteht schließlich in einem systematischen System-Design auf der Basis einer mechatronischen Systemsimulation.

Doch damit nicht genug: Ist die Maschine oder Anlage gebaut beziehungsweise in Betrieb, so schlummern auch hier noch enorme Einspar-Reserven durch eine möglichst effiziente Steuerung der Prozesse mittels geeigneter Online-Analyse-Tools - der Hebel Nummer 4! Die systematische Einbeziehung der Energieeffizienz in den Konstruktionsprozess beginnt mit der Projektierung beziehungsweise Auswahl der Antriebskomponenten. Die meisten derzeit verfügbaren Auslegungstools für Elektromotoren und Antriebsregler beschränken sich auf das Spannungsfeld minimaler Achskosten bei höchster Achsperformance.

Die Auswahl und Projektierung der Antriebe erfolgt dabei typischerweise anhand der Drehmoment-/Drehzahl-Kennlinien. Neue Ansätze gehen einen entscheidenden Schritt weiter, indem sie bei der Auslegung zusätzlich die Antriebsverluste - also den realen Wirkungsgrad des Antriebs - berücksichtigen. Damit finden Anwender auch den energieeffizientesten Antrieb für die Applikation.

Ein Beispiel: In dem für diese Zwecke von Rexroth entwickelten Auslegungstool „Indrasize" wählt der Konstrukteur zunächst den entsprechenden Mechanik-Typ der Achse wie Kugelgewindetrieb, Zahnstange oder -riemen, Walze oder linearen Direktantrieb aus. Danach pflegt er menügeführt die Kinematikdaten und Motion- Profile - auch mit Bewegungsgesetzen höherer Ordnung wie Polynomen und Sinuiden - ein.

Als Ergebnis gibt das Tool eine Vorschlagsliste der für diese Aufgabenstellung optimalen Antriebsausrüstung aus. Das Auslegungstool setzt die Eingaben in Beziehung zu den hinterlegten Datenbanken mit den Leistungsprofilen aller Rexroth-Motoren und Antriebsregler. Die so projektierten Komponenten und Systemlösungen entsprechen damit in Leistung, Funktion und Energieverbrauch genau den Anforderungen der jeweiligen Aufgaben.

Die mechanische Co-Simulation

Auch die verbesserte Dimensionierung über diesen höheren Detailgrad bleibt in gewissem Rahmen ein heuristisches Modell. Der tatsächliche Verbrauch hängt immer stark von der realen Einbausituation mit mechanischen Einflussgrößen ab.

Die Wirkungsgrade von modernen Servoachsen liegen heute – rein auf die Komponenten bezogen – bereits bei etwa 90 %. Um den maximalen Gesamtwirkungsgrad für eine Maschine zu erzielen, kommt es im praktischen Einsatz auf die optimale Abstimmung der Abläufe, die Wahl des Arbeitspunktes für die Achsen und ein intelligentes Energiemanagement an.

© Rexroth

Daher wurden zusätzlich mechatronische Systemmodelle entwickelt, die auch komplexe Baugruppen und komplette Maschinen dynamisch simulieren.

Durch diese Technik der Co-Simulation besteht die Möglichkeit, eine dynamische und ganzheitliche Betrachtung vorzunehmen, die entscheidende Hinweise zur Optimierung sowohl der Taktzeiten als auch der Energieeffizienz gibt. Mittels einer FEM-Simulation lässt sich schließlich die mechanische Konstruktion der Maschine verbessern und so ein Optimum bezüglich der mechanischen Steifigkeit und Schwingneigung sowie dem minimalen Energieverbrauch finden.

Um den Energieverbrauch zu senken, ohne die Maschinenperformance zu beeinträchtigen, können beispielsweise Leichtlaufdichtungen in der Lineartechnik eingesetzt werden oder man verwendet gewichtsreduzierte Komponenten für die bewegten Massen. Mit Hilfe mechatronischer Simulationsmodelle analysieren die Spezialisten von Rexroth im Mechatronic Support die Bewegungsabläufe der kompletten Systemlösungen im Hinblick auf das Zusammenspiel von Steuerung, Antriebstechnik, Motoren und Mechanik.

Die mechatronischen Simulationen bilden neben der reinen Kinematik auch Nichtlinearitäten wie Lose/Spiel und Reibung ab und führen so zu aussagekräftigen Ergebnissen am „virtuellen Prototyp" der Maschine. Die Konstrukteure werden so in die Lage versetzt, bereits in der Konzeptphase verschiedene Ausrüstungskonfigurationen und Maschinenkonzepte hinsichtlich der Regeldynamik und Genauigkeit zu bewerten können.

Darüber hinaus ermöglicht eine umfassende Energiesimulation die Analyse des Energieverbrauchs der Antriebssysteme und liefert letztendlich schon eine Leistungsbilanz für die Gesamtmaschine. Die Rechenmodelle berücksichtigen dabei sämtliche Filter- und Drosselverluste sowie die Versorger-, Endstufen-, Motorund mechanischen Reibungsverluste, sodass ein aussagekräftiges Simulationsergebnis zustande kommt.

Der Maschinenbeziehungsweise Anlagenbauer nennt als Input für diese Simulation lediglich das Lastprofil mit Moment und Drehzahl sowie die Mechanikdaten mit Kinematik und Massen sämtlicher Achsen. Damit können die Simulations-Spezialisten im Mechatronic Support auch Antriebsauslegungen für nichtlineare Kinematiken mit variablen Lastträgheitsmomenten analysieren und optimieren.

Optimierung im laufenden Betrieb

Ist die Maschine oder Anlage schließlich in Betrieb, besteht bei modernen Steuerungen weiterhin die Möglichkeit, den Energieverbrauch oder die aktuelle Leistung einzelner Komponenten beziehungsweise der gesamten Maschine bei Bedarf zu überwachen.

Beispiel eines Energiemonitors: Hellgrün gekennzeichnet ist der Verbrauch aller Antriebe, dunkelgrün der Verbrauch aller Nebenaggregate und blau dargestellt ist die Zeit für die jeweilige Messung, die bei Bedarf mittels einer Funktionstaste ein- und ausgeblendet werden kann.

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So verfügen beispielsweise die aktuellen Steuerungssysteme von Rexroth über einen Energiemonitor, über den sich die Verbräuche einzelner Antriebe oder Nebenaggregate näher einsehen lassen.

Die antriebsseitigen Verbräuche liest die SPS direkt über Sercos aus den Antrieben, während sie die Verbräuche für die einzelnen Nebenaggregate unter Verwendung von deren Steuersignalen, deren durchschnittlichem Verbrauch sowie entsprechender Modelle während einer Messung berechnet. Welche Komponenten „gemonitort" werden können, gibt der Maschinenhersteller beispielsweise durch Beschalten eines entsprechenden SPS-Funktionsbausteins vor. Mit dem Beschalten legt er weiterhin fest, wann eine Messung gestartet und beendet wird.

Dies kann beispielsweise immer zu Beginn eines Beladevorgangs und am Ende eines Beladevorgangs sein. In der gleichen Weise wie beim Energiemonitor lässt sich der Leistungsbedarf der einzelnen Antriebe oder Nebenaggregate über entsprechende Leistungsmonitore darstellen. Der Leistungsmonitor erhält seine Werte ähnlich wie der Energiemonitor über die SPS - allerdings kontinuierlich in sehr kurzen Zeitabständen.

Vom Monitoring zur Analyse

Noch einen Schritt weiter als das Monitoring gehen unterstützende Analyse-Tools wie „MTX ega" und „MTX cta" von Rexroth zur Taktzeit- und Energie-Analyse, ohne die das oberste Ziel bei der Optimierung einer Anlage - und zwar die Erhöhung der Produktivität bei möglichst effizienter Auslegung aller Prozesse - angesichts der Komplexität moderner Fertigungssysteme nicht zu schaffen ist.

Beispiel für einen Leistungsmonitor: Hellgrün gekennzeichnet ist der Leistungsbedarf der Antriebe und dunkelgrün der Bedarf der Nebenaggregate. In der gleichen Weise wie beim Energiemonitor lässt sich der Leistungsbedarf mittels Funktionstasten (F4/F5) näher analysieren.

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Die Energieanalyse ermöglicht es, den Energieverbrauch der einzelnen Komponenten aufzuzeichnen und zu analysieren. Grafische Darstellungen helfen bei der Ermittlung eines Optimums zwischen Energiebedarf und Produktionsleistung.

So wird beispielsweise deutlich, wann eine weitere Taktzeitreduzierung einen sehr hohen zusätzlichen Leistungsbedarf beziehungsweise eine sehr hohe Spitzenleistung zur Folge hat, oder in welchen Bereichen die bereitgestellte Leistung für eine Komponente reduziert werden kann, ohne die Taktzeit zu gefährden. Dazu lassen sich beispielsweise aus zurückzulegender Strecke und zulässiger Zeitdauer der Energiebedarf sowie die optimale Bewegungsgeschwindigkeit und -beschleunigung errechnen und vorgeben und bei Bedarf erneut mit den Analyzingtools verifizieren.

Zur genaueren Erfassung und Überwachung (Condition Monitoring) der Verbräuche einzelner Komponenten können auch externe Sensoren über die SPS mit ausgewertet werden. So lässt sich zum Beispiel ein Durchflussmessgerät zur Überwachung des Druckluftverbrauchs in der Maschine über die SPS mit einbinden. Zwei zentrale Menüs der Taktzeit- sowie der Energie-Analyse werden nachfolgend kurz beschrieben:

Diagramme

Excelähnliche Diagramme ermöglichen einen schnellen Überblick an der Maschine. Im Taktzeit-Analyseteil lassen sich die Prozesszeiten (Haupt-, Neben-, Werkzeugwechselzeit etc.) einzeln oder in Summe für die verwendeten Werkzeuge, für die gewünschten Kanäle oder für die durchgeführten Messungen in den verschiedensten Formen grafisch darstellen. In gleicher Weise ist im Energie-Analyseteil der Verbrauch einzeln oder in Summe für die Antriebe (Vorschubachsen und Spindeln) oder Nebenaggregate bezogen auf die Bearbeitung (als Verbrauch während der Haupt-, Neben-, Werkzeugwechselzeit) für die verwendeten Werkzeuge, für die gewünschten Kanäle oder für die durchgeführten Messungen darstellbar. Somit lassen sich schnell Fragen beantworten wie:

• Wo werden welche Zeiten beziehungsweise Energien benötigt?
• Wo liegen die „Big Points"?
• In welchem Bereich ist das Aufwands-/ Nutzen-Verhältnis am günstigsten?
• In welchen Betriebspunkten ist die Verlustleistung am geringsten?

Oszilloskop

Das Oszilloskop-Menü ermöglicht erstmalig eine Signalanalyse mit unmittelbarem Bezug zum Prozess. Signale aus allen Bereichen des Gesamtsystems (Antriebe, SPS, NC, Peripherie) - insbesondere der Leistungs- oder Energieverbrauch der einzelnen Antriebe - stehen dem Anwender hierbei zur näheren Analyse zur Verfügung. Das Oszilloskop-Menü schafft somit Transparenz bezüglich einer zeit- und energieoptimalen Ansteuerung der einzelnen Komponenten und liefert Antworten auf die Fragen:

• Sind die Antriebe (Spindeln und Achsen) optimal parametriert?
• Sind die Programmvorgaben für die Antriebe optimal?
• Werden die Nebenaggregate (Hydraulik, Kühlung) optimal gesteuert?

Energieoptimierung in der Praxis

Welche Einsparungen sich über die genannten Tools in der Praxis tatsächlich erzielen lassen, zeigen beispielhaft die nachfolgend beschriebenen Anwendungen: Splines anstelle klassischer Eilgangbewegungen Die größten Leistungsspitzen treten an Werkzeugen in der Regel beim Werkzeugwechsel auf.

In dieser Phase müssen die Hauptspindel abgebremst und die Vorschubachsen im Eilgang zum Werkzeug-Übergabepunkt gebracht werden. Nach dem Werkzeugwechsel ist die Spindel dann erneut auf die erforderliche Drehzahl zu beschleunigen. Die Vorschubachsen sind in die Ausgangsposition für die nachstehende Bearbeitung zu bringen.

Optimierung einer Teilbewegung mittels Splines.

© Rexroth

Mit diesem Wissen wurden an einem Fräs-Bearbeitungszentrum gezielt die Bewegungen der Vorschubachsen modifiziert. Dabei wurde die an Werkzeugmaschinen üblichen Eilgangbewegungen (G0) innerhalb eines Werkzeugwechsels zunächst verschliffen und schließlich vollständig durch Splines ersetzt.

Das Ergebnis ist im Bild zu sehen. Im Fenster links oben ist die Bahngeschwindigkeit im Eilgangbetrieb (G0) der Vorschubachsen vom Werkzeug- Übernahmepunkt zur Ausgangsposition für die weitere Bearbeitung dargestellt. Entsprechend zeigt das Fenster rechts oben die Bahngeschwindigkeit der Vorschubachsen unter Verwendung einer Spline-Bewegung. Die zeitliche Einsparung liegt für diesen Teil der Bewegung bei etwa 14 %. Die beiden mittleren Fenster auf der linken Seite zeigen den Energiezähler (in Ws) der Y-Achse vor und nach der G0-Bewegung (76867 Ws - 76478 Ws = 389 Ws).

Die beiden mittleren Fenster auf der rechten Seite zeigen entsprechend den Energiezähler der Y-Achse vor und nach der Spline-Bewegung (88062 Ws - 87731 Ws = 331 Ws). Ein Vergleich der beiden Messungen ergibt, dass sich für diesen Teil der Bewegung unter Verwendung eines Splines etwa 15 % Energie einsparen lässt. Die beiden unteren Fenster zeigen das jeweils zugehörige NC-Programm sowie den zugehörigen NC-Satz, der die entsprechende Bewegung vorgibt.

Vorschubachsen und Spindeln aufeinander abstimmen

Untersuchungen an verschiedenen Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass Vorschubachsen und Spindeln oft nicht aufeinander abgestimmt sind.