Energetická efektivita moderních výrobních strojů i hodnota absolutní spotřeby energie se stává v posledních 10 letech jednou z hlavních užitných vlastností obráběcích strojů. Snižování negativních dopadů na životní prostředí se pomalu řadí mezi seznam zásadních užitných vlastností strojů: přesnost, jakost, výkon, spolehlivost a hospodárnost. U moderních obráběcích strojů se na celkové spotřebě podílí velká řada spotřebičů, které přímo nerealizují obrábění, ale zajišťují „režijní energetické náklady stroje“. Multifunkční obráběcí stroje pak představují nejsofistikovanější reprezentanty z kategorie obráběcích strojů s nejvyšším počtem dílčích spotřebičů a také s nejvyšším podílem „režijních energetických nákladů stroje“. Téma analýzy spotřeby stroje a především téma snižování spotřeby energií je obzvlášť významné u multifunkčních strojů. Na druhou stranu můžeme samotný koncept spojení například soustružnického a frézovacího stroje do jednoho stroje považovat za energeticky velmi racionální koncept, který naopak spojuje „režijní energetické náklady“ dvou strojů a v součtu je spotřeba nižší, než u dvou samostatně stojících strojů. Ať již budeme nahlížet multifunkční stroje jakoukoli uvedenou optikou, představují dnes výrobní jednotku s významnými energetickými nároky a je namístě věnovat pozornost pochopení jejich spotřeby a uplatňování opatření ke snižování této spotřeby. Poznatky výrobců a uživatelů strojů v posledních letech potvrzují výhody energeticky efektivních strojů a výroby. Znalosti získané z aplikací a výzkumných projektů Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při Fakultě strojní ČVUT v Praze (dále jen RCMT) ve spolupráci s českým výrobním průmyslem ukazují, že je možné zachovat vysokou produktivitu výroby při dosažení nižší spotřeby energie. To přináší uživateli nesporné ekonomické výhody. Jedním ze zájmů uživatelů strojů na vybraných trzích v Asii (Rusko, Čína, Indie) i Evropě je energetická efektivita instalovaných strojů a z toho plynoucí potenciální úspory. Segment energeticky efektivních strojů v dnešní době neobsahuje pouze malé a střední stroje, ale zasahuje i do oblasti těžkých strojů. Základní trend Hledisko energeticky efektivního stroje pro složitou výrobu, typicky využitím multifunkčního stroje, je nutné uvažovat již při návrhu nového stroje. Jen tak je možné vytvořit systém, který bude plně optimalizovaný z pohledu přímé spotřeby energie pro chod stroje, ale i z pohledu omezení zbytečného plýtvání s energií. Například nevhodně umístěné agregáty s vysokými tepelnými ztrátami vyžadují dodatečné chladicí okruhy. Nebo je použito nevhodně koncipovaného emulzního a odpadního hospodářství bez správného řízení. V případě rozhodnutí modifikovat již vyrobený stroj nebo výrobní linku či technologii podle zásad energetické efektivity, je nutné vždy zvážit aplikaci jen těch modifikací, které nesnižují užitné vlastnosti daných zařízení. Zpravidla lze nalézt několik možností modifikace stroje, z nichž ale jen některé jsou vhodné. Je tedy nutno postupovat případ od případu a vždy vážit všechny relevantní okolnosti a dopady tak, aby bylo dosaženo žádaného cíle v zadaných okrajových podmínkách. Jen tak lze splnit předpoklad tzv. cost-efective opatření. Schéma procesu je uvedeno na obr. 2. Proces modifikace stroje Celý řetězec činností, které vede ke zvýšení energetické efektivity stroje, je možné popsat ve čtyřech krocích (obr. 2): 1. krokem při návrhu úprav strojního zařízení je důkladná analýza aktuálního stavu a vytipování míst, kde dochází ke zbytečným energetickým ztrátám. V současné době lze jako typický příklad uvést fluidní okruhy strojů, mařící často významnou část dodávky kapaliny v odpadní větvi. Případně chladicí zařízení, podchlazující (a tedy tepelně destabilizují) strojní části kvůli špatně nastavenému řízení. Ve 2. kroku následuje návrh souboru opatření, které lze na daném stroji aplikovat. Jako příklad může být uvedena změna řízení agregátů, návrh softwarových úprav v řídicím systému, výměna komponent za energeticky efektivnější nebo změny ve výrobní technologii. Ve 3. kroku jsou ze souboru opatření vybrány ty, které budou na stroji nasazeny. Nejsou posuzovány jen vstupní náklady, ale také technické nároky realizace, přínosy opatření a frekvence využití. To je nejčastěji vyjádřeno dobou návratnosti. Výpočet návratnosti nemusí zahrnovat jen investice a úspory, ale rovněž nepřímo i zvýšení kvality výroby. 4. krokem je pak verifikace nasazených opatření v praxi. Nejčastěji měřením sledovaných parametrů (spotřeba energie, přesnost výroby, tepelná stabilita atd.). Po ukončeném měření je možné kvantifikovat dopad opatření a vyjádřit jeho skutečný přínos uživateli. Při požadavku na zvýšení intenzity výroby je třeba uvedené postupy uvažovat v kontextu změny celé technologie a vzájemných synergických efektů realizovaných opatření, které dále posílí celkový účinek změny obr. 3). Jak bylo uvedeno, zásadním bodem celého procesu je zjištění původního stavu hospodaření s energií a následné ověřovací měření. Jen tak lze kvantifikovat úsporu energie. Pro sledování vzájemných ovlivnění chodu spotřebičů a stroje je nutné použít sofistikované prostředky, např. vícekanálové měřicí ústředny s dostatečně rychlým záznamem (obr. 4). Pro detailní sledování chování pohonů je pak nutno využít specializovaná zařízení, kterými RCMT disponuje. Podle povahy expertizy je nasazen krátkodobý nebo dlouhodobý monitoring a jsou sledovány všechny zásadní veličiny a parametry stroje během výroby. Příklady řešených opatření Pojďme si nastínit některá konkrétní nasazená opatření, která zvýšila energetickou efektivitu strojů a výroby. 1. Na produktivitu obrábění má nepochybně vliv podoba NC kódu a jeho interpretace strojem. Naladění parametrů pohonů se proto stává důležitou úlohou při zvyšování produktivity obrábění. Řešeným příkladem z praxe je požadavek zákazníka na zkrácení kusového času výroby leteckých dílců na víceosém stroji s řídicím systémem Heidenhain iTNC530. Na stroji se podařilo mírně zvýšit regulační parametry pohonů. Následovala zkouška obrábění a ladění parametrů interpolátoru. Výsledkem byl snížený kusový čas o cca 15 % při nezměněném příkonu stroje. 2. Typickou aplikací pro snížení nákladů je optimalizace fluidních okruhů. Příkladem z praxe je předimenzování dodávky vysokotlaké řezné kapaliny vzhledem k propustnosti použitého nástroje. Často to bývá 50–70 % zmařené dodávky. Problém lze úspěšně řešit instalací frekvenčně řízených agregátů a naladění dodávky v souladu s požadovanými technologickými parametry (chlazení, lámání třísek, životnost nástroje). Uspořit lze zpravidla 20–40 % původní spotřeby energie. 3. Spotřebu energie ovlivňuje také volba geometrie břitu, která má vliv na řeznou sílu a tedy i příkon potřebný pro řezný proces. Především u hrubovacích operací. Zde je volba správného nástroje a jeho geometrie rozhodující. Konkrétním příkladem může být frézování oceli 12050 čelní frézou o průměru 63 mm. Změnou typu břitových destiček s jinou geometrií poklesl příkon vřetene frézky téměř o 50 %, a to při stejných řezných podmínkách, strategii obrábění, produktivitě a dokonce velmi podobné životnosti břitu obou nástrojů. 4. Zásadní výhodnou víceosých strojů je jejich schopnost výroby složitých dílců s minimem nutných vedlejších časů. Příkladem je studie firmy Kovosvit MAS na téma přesunu výroby suportu soustruhu (obr. 5) z několika konvenčních strojů na 5osé obráběcí centrum MCU700. Výsledkem je zásadní snížení počtu upínání, a tím vzniklých nepřesností, eliminace mezioperační přepravy, seřizovacích časů a výrazné snížení neproduktivních časů. Výsledkem je úspora času o 42 % a spotřeby energie o 27 %. Úspěšné případy zvyšování energetické efektivity strojů, které byly ve výrobním průmyslu realizovány ve spolupráci s RCMT ukazují, že tato cesta je otevřená a lze po ní postupovat. Tím je možné rovněž zvyšovat konkurenceschopnost českého strojírenství, což je nepochybně náš společný cíl. Ing. Jiří Vyroubal, Ph.D., RCMT (Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii) Ing. Jan Smolík, Ph.D., Společnost pro obráběcí stroje
