• Čeština
  • English
  • Français
  • Deutsch
  • Italiano
  • Русский

Ekodesign v konstrukci obráběcích center

Ve vydání č.11 časopisu MM Průmyslové spektrum vyšel článek Ing. Dalibora Odstrčilíka, konstruktéra divize CNC, k tématu Ekodesign v konstrukci a následném provozu výrobních zařízení:

Ekodesign v konstrukci obráběcích center

V poslední době se stále častěji ve spojení s výrobky objevují pojmy ekodesign, či zelené stroje. Jedná se o vývoj a konstrukci výrobků zaměřenou na minimalizaci jejich negativního dopadu na životní prostředí. Výrobce obráběcích strojů Tajmac-ZPS se u svých obráběcích center touto problematikou zabývá v celé řadě oblastí a je zapojen i do projektu FR-TI3/655 - Ecodesign ve stavbě obráběcích strojů.

Ekodesign můžeme definovat jako systematický proces navrhování a vývoje výrobku, který vedle klasických vlastností, jako je funkčnost, ekonomičnost, bezpečnost, ergonomičnost, technická proveditelnost, estetičnost apod., klade velký důraz na dosažení minimálního negativního dopadu výrobku na životní prostředí, a to z hlediska jeho celého životního cyklu.

Elektromagnetické a akustické emise

Současná legislativa určuje některé oblasti spojené s ekodesignem. Evropské technické normy kladou požadavky na elektromagnetické a akustické emise, které stroje Tajmac-ZPS beze zbytku splňují. Dále jsou zde nebezpečí způsobená zpracovávanými materiály a látkami při obráběcím procesu (mlhy, dýmy, prach) a tato jsou odstraněna instalací odlučovačů a separátorů aerosolů a olejové mlhy.

Ekodesign - obr. 01
Obr. 1. Obsluha stroje může rozhodnout (s ohledem na charakter práce), zda funkci použije pomocí uživatelské obrazovky.

Taktéž nasazení tukového mazání pohyblivých částí stroje místo olejového mazání je z hlediska ekodesignu krok správným směrem. Starší způsob mazání lineárních vedení a kuličkových matic používaný na obráběcích strojích byl založen na principu olejového ztrátového mazání. Při tomto způsobu mazání bylo nutno nastavit mazací interval velmi krátký (cca 30 minut) s ohledem na „stékání“ oleje z vedení. Při tomto režimu byla orientační spotřeba mazacího oleje cca jeden litr oleje za půl roku jednosměnného provozu. Používané mazací oleje kontaminovaly chladicí kapalinu a způsobovaly zkrácení její životnosti. Bylo tedy nutné stroje dovybavit sběrači oleje z chladicí kapaliny. Nový způsob mazání využívá jako mazací médium plastické mazivo, které má mnohem lepší mazací vlastnosti a lépe drží na mazaných místech. Je tedy možné prodloužit interval mazání (až na několik týdnů). Mazací interval se určuje podle dráhy ujeté posuvovou osou. Při tomto způsobu mazání je spotřeba tuku cca 1 kg za 2,5 roku jednosměnného provozu. Při této spotřebě a s ohledem na stabilitu tuku nedochází ke kontaminaci chladicí kapaliny.

Úspory energií

Mimo legislativní oblast lze najít další prostor pro zelené vlastnosti strojů, jako jsou úspory energií, optimalizace použitých materiálů pro stavbu stroje a optimalizace dimenzování pohonů a pomocných agregátů strojů. Je otázkou, zda Evropská unie do budoucna nepřikročí k definici dalších technických norem spojených s ochranou životního prostředí.

Ekodesign - obr. 02
Obr. 2. Za jistých okolností je možné použít elektronickou teplotní kompenzaci a tím eliminovat energeticky velmi náročnou klimatizaci.

Nejen vzhledem k ekodesignu, ale i k neustále rostoucím cenám energií se společnost Tajmac-ZPS zaměřila na možné úspory. Stroje produkce Tajmac-ZPS jsou třífázové elektrické spotřebiče, jejichž provozní příkon se pohybuje obvykle v oblasti 25–100 kVA. K provozu požadují také přívod tlakového vzduchu, jehož spotřeba činí cca 6 000 l.hod-1.

V oblasti hlavní činnosti stroje, tedy v obráběcím procesu (typicky se jedná o operace frézování, vrtání a soustružení) jsou možné dvě oblasti úspor elektrické energie. První oblast se týká optimalizace řezných podmínek. Problémem ale je, že proces třískového obrábění dílců bývá optimalizován podle jiných hledisek, jimiž jsou zejména cyklový čas, přesnost tvaru a kvalita povrchu. Z toho vyplývá, že úspora energie je v rukou koncového uživatele stroje, který většinou určuje technologii obrábění. Druhou oblast tvoří optimalizace elektromagnetických obvodů motorů. Zde je výrobce závislý na výrobcích motorů vřeten a posuvů (Siemens, Heidenhain a Fanuc) a jejich vývoji.

Pohony a agregáty strojů

K optimalizaci dimenzování pohonů a pomocných agregátů strojů lze dospět za pomoci výpočtů (v poslední době i mechatronických). Je třeba stanovit potřebné velikosti krouticích momentů a výkonů motorů vřeten a posuvů a kontrolovat další kritéria z důvodů dobrého fungování servoregulace. K tomu je potřeba podrobná znalost zátěžových spekter, kterou tvoří síly potřebné k urychlování hmot, síly překonávající tření v mechanismech a řezné síly. Výsledek optimalizace lze pak ověřit měřením na prototypu stroje a tím verifikovat, případně optimalizovat matematické simulační modely. Cílem je nasazení minimální možné velikosti motorů a pomocných agregátů, čímž se především šetří energie a materiál potřebný k jejich výrobě. Při výběru a dimenzování pohonů je nutno někdy i volit neekologická řešení – resp. kompromisy. Například pokud má mít lineární nebo rotační osa vysokou dynamiku, je nutno použít lineární či prstencové motory. Vlivem nepřítomnosti mechanického převodu mezi motorem a zátěží musí motor v tomto případě vyvíjet vysokou sílu či krouticí moment. Toho dosáhne velkými proudy ve vinutí motoru, které jej zahřívají Jouleovým teplem, a to je nutno odvést. Výsledkem tohoto řešení je vyšší dynamika, ale i vyšší spotřeba energie.

Ohledně asynchronních motorů, u nás využívaných v pomocných agregátech, platí od června 2011 Směrnice EU 2005/32/EG, která direktivně zavádí používání 2- až 6pólových asynchronních motorů se zvýšenou účinností. Tyto motory musejí mít minimálně třídu účinnosti IE2 podle IEC 60034-30. Nákupní cena elektromotoru s třídou účinnosti IE2 je o 20 až 30 % vyšší než cena elektromotoru s účinností IE1. Účinnost motorů je až o 7 % vyšší. Návratnost této investice je závislá na provozním využití motoru v konkrétní aplikaci.

Stroj v klidovém režimu

Tajmac-ZPS se zaměřil při úsporách energií také na situaci, kdy stroj neobrábí, což je z hlediska aplikace silně pod kontrolou výrobce stroje. Na první pohled by se jevilo nejjednodušší stroj v tomto případě vypnout hlavním vypínačem – odpojit od všech energií. K tomu však v praxi zpravidla dochází jen na konci pracovní směny a z pohledu provozu stroje to nemusí být optimální řešení z důvodu jeho znovuuvedení do vhodného povozního stavu (jeho temperace). Během směny stroj stále neobrábí, protože se mění dílce, stroj se seřizuje, je přestávka, čeká se na polotovary nebo nástroje, probíhá údržba stroje a podobně. Byla stanovena čtyři opatření k dosažení úspor energií, účelově ovládaných provozovatelem stroje.

První z nich realizuje důsledné vypnutí všech spotřebičů energií, jejichž činnost není nutná v režimu nouzového zastavení stroje. Jedná se zejména o různé ventilátory a chladicí agregáty. Kromě úspory energie se dosáhne i dalšího efektu, a to snížení hlučnosti stroje, které se uplatní například v době pracovní přestávky.

Druhým opatřením je zavedení funkce automatického vypnutí hlavního vypínače po dokončení obrábění dílce. Tato funkce byla zavedena nejen kvůli úsporám, ale také kvůli častým přáním zákazníků. Je zde tedy vidět i finanční či ekologické cítění z praxe.

Třetí opatření spočívá v zavedení funkce automatický stop stroje a je analogií dobře známého úsporného režimu, který používají osobní počítače. Funkce je aktivována, pokud je stroj po určitou dobu v klidu. Bylo změřeno, že pokud stroj neobrábí, ale je zapnut, odebírá ze sítě proud cca 6 A, který je třeba na chod napájecích zdrojů, osvětlení pracovního prostoru, činnost pomocných agregátů a regulaci servomechanismů. Obsluha stroje může rozhodnout (s ohledem na charakter práce), zda tuto funkci použije pomocí uživatelské obrazovky – viz obr. 1. Stroj po době nastavitelné v parametrech řídicího systému automaticky odpojí nepotřebné spotřebiče od elektrické energie a odebíraný proud výrazně poklesne, činný příkon se sníží podle velikosti stroje cca o 2 kW.

Čtvrté opatření je zaměřeno na úsporu tlakového vzduchu. Na centrální přívod vzduchu do stroje je nainstalován ventil, který po vypnutí hlavního vypínače uzavře parametricky jeho přívod.

Vyjmenovaná opatření se postupně aplikují do hardwaru a softwaru strojů Tajmac-ZPS a přispějí k úspoře energií. Jejich společným rysem je, že nemají negativní dopad na produktivitu strojů či na uživatelskou přívětivost ovládání.

Optimalizace

V rámci optimalizace použitých materiálů pro stavbu stroje lze zmínit kromě snahy o vyšší podíl nasazení plastů zejména úspory mědi v kabeláži, a to díky přechodu na průmyslové sběrnice signálů. Ve starších způsobech kabeláže měl každý elektrický signál vlastní vodič (případně napájecí vodiče), který vedl typicky od PLC automatu umístěného v rozvaděči stroje k příslušnému přístroji. Zavedením průmyslových sběrnic (v podmínkách Tajmac-ZPS je používána sběrnice Profibus) do elektroinstalace strojů dochází ke sloučení signálů z přístrojů, které se nachází na stroji ve vzájemné blízkosti, pomocí slučovače signálů a směrem do rozvaděče se pak přenáší informace po sběrnici. Kromě úspor mědi přinášejí průmyslové sběrnice snížení pracnosti a zvýšení spolehlivosti elektroinstalace.

Další alternativou energeticky úsporných opatření je řešení problematiky klimatizace výrobních prostor a teplotní temperace strojů s ohledem na jejich geometrickou přesnost. S měnící se okolní teplotou a šířením teploty z agregátů stroje se stroj deformuje. Jednou z možností dosažení vhodné výsledné přesnosti je umístnění stroje do klimatizovaného prostoru a samotný stroj, resp. jeho komponenty, vhodně temperovat. Za jistých okolností je možné použít elektronické teplotní kompenzace a tím eliminovat energeticky velmi náročnou klimatizaci. Příklad kompenzace je patrný na obr. 2. Stroj s aplikovanou kompenzací teplotních dilatací je na obr. 3.

Ekodesign - obr. 03
Obr. 3. Stroj s aplikovanou kompenzací teplotních dilatací ECO MCV 1210

Ekologická řešení nemusejí být automaticky ekonomicky nebo technicky problematická. Někdy existují i řešení, která eliminují technické problémy na stroji, jsou energeticky méně náročná a relativně nepříznivý ekonomický dopad je poměrně rychle odbouratelný nebo zanedbatelný. Na strojích společnosti Tajmac-ZPS se používají historicky reflektory s halogenovými žárovkami. Jejich relativně nízká energetická účinnost – asi 2 % – jde ruku v ruce s poměrně vysokým ztrátovým teplem a tím i poměrně vysokou povrchovou teplotou svítidla. Cena svítidla je poměrně nízká, cca 1 500 Kč, což přibližně odpovídá méně než roční ceně nákladů za spotřebovanou energii. Vysoká teplota způsobuje „připalování“ chladicí emulze a jiných částic na čelním skle reflektoru a tím ztráty účinnosti osvětlení. V praxi je životnost vlastní žárovky přibližně 1 rok. Samotná údržba skla je problematická. Teplo vznikající od osvětlovacího tělesa způsobuje prohřátí části stroje a tím jeho teplotní deformaci.

Náhrada za osvětlovací těleso s LED diodami dovolila snížit jmenovitý příkon svítidla asi 5x díky vyšší účinnosti – 70 lm/W oproti 15 lm/W a tím i výrazně snížit ztrátové teplo. Prakticky během životnosti stroje nebude nutno nikdy měnit samotný zdroj světla a výrazně poklesnou problémy se snížením účinnosti osvětlení vlivem znečištěného krycího skla. Energeticky obdobných výsledků by se dosáhlo při použití fluorescentních výbojek. U těchto se ale nevyhneme jejich nižší životnosti a nutnosti občasné výměny.

Současná cena LED svítidla je asi 3x vyšší, z pohledu na životní cyklus stroje se tato částka velmi rychle amortizuje sníženými náklady na údržbu a sníženou spotřebou elektrické energie.

Ekodesign (ve srovnání se standardní výrobou) uplatňuje šetrnější materiály i výrobní postupy vůči životnímu prostředí i zdraví lidí. Je úsporný tam, kde má smysl šetřit a vnáší kvalitu tam, kde to je žádoucí.

Ať aplikovaný účelný ekodesign alespoň trochu zmírní neekologická řešení.

Ing. Dalibor Odstrčilík

Tajmac-ZPS

zdroj: http://www.mmspektrum.com/clanek/ekodesign-v-konstrukci-obrabecich-center.html