技術情報

工作機械における省エネルギーの考察
多くの産業分野において、 省エネルギーの検討が多く行われてきました。 工作機械は多くのモータと付属機器で構成されており、 これらは加工中にエネルギー消費が急激に変化します。 例えば、 主軸のスピンドルモータと冷却装置は、 高速で材料を削り取る荒加工中では定格出力付近で稼働しますが、 仕上げ加工中ではその消費電力量は大きく減少します。 工作機械を構成する各機器類と生産性および品質との間には、 極めて密接な相互依存関係があります。 生産工程中の詳細な試験から各構成機器類の消費電力量まで、 省エネルギーの可能性を評価し、 その達成方法を決定することが可能です。

生産財産業の様々な場面において、 省エネ
ルギーが重要な製品特性になってきました。
材料搬送用に使用されるギアモータは、 ここ
数年、 省エネルギー機器に分類されています。 工作機械を使用する製造現場では省エ
ネルギー推進に向けて多くの試みを行っています。 エネルギー節約の可能性は、 工作機
械のベースロードに関係し、 これは非生産工程においてもエネルギー消費を必要とします。
実質、 工作機械の付属機器がベースロードを決定します。 付属機器において高効率モータを使用する他に、 適切なエネルギー管理を行うことによりベースロード低減に関する多くの可能性を見出すことができます。 エネルギ―
管理を用いて非生産工程での機械制御を行うことによりエネルギー消費を具体的になくすことが可能です。
セットアップ作業中における各種作業支援に
より、 省エネルギーを進めることができます。
理由は、 これらが非生産工程を短縮し、 ベー
スロードの影響を低減するためです。 当然、
スクラップ発生により、 1 良品あたりの消費エ
ネルギーが増大します。 それゆえ、 最初の部品から始まる精度によって製造することは、工作機械の省エネルギーに関して決定的な要因になります。 バランスのとれた温度の振る舞いと正確な位置測定技術により設計された工作機械は、 省エネルギーの面ではっきりとした強みを持ちます。

フライス加工中に必要なエネルギー

モータドライブのエネルギー効率

フライス加工工程の必要電力は以下の消費グ
ループに分類することができます。
• 冷却潤滑剤処理• 圧縮空気生成• 各付属機器への電力供給• 主軸用スピンドルモータや送り軸用モータのCNC 制御以上の各グループには、 比例計算によって得られた照明、 換気、 空調用のエネルギーがそれぞれ加わります。 フライス加工に必要なエネルギーは、 フライス加工機の大きさや加工作業により大きく異なります。

主軸と送り軸のモータは、 工作機械の中心機器です。 モータドライブの省エネルギーは、 供給電力と消費電力の比、 すなわち、 モータ効率によって決まります。 工作機械のモータドラ
イブシステムは、 電気エネルギーを機械動力に変換します。 モータドライブシステムは、モー
タ用電源、 モータドライバ、 機械要素部品で構成されます。 モータ効率に関するデータは、
通常、 定格電力値を参照します。 他の定格値では、 各機器の効率が著しく変化します。

外部処理
冷却潤滑剤: 5.1kW
圧縮空気: 1.3kW
工作機械の付属機器:
3.1kW
送り軸:
0.25kW
13 kW

工作機械の
電力量

圧縮空気の平均消費電力量は、 準備、 荒加工、 そして仕上げ加工の段階において、 わず
かしか変化しません。 その平均値は約 1.3 kWです。 主軸への潤滑油充填、工具交換、ワー
ク清掃に圧縮空気を必要とします。 また、 主軸、 工具計測、 リニアエンコーダのエアパー
ジ用にも少量ながら必要とします。
工作機械では、 主軸スピンドルモータと送り軸モータの CNC 制御のほかに、 多くの付属
機器 （パレット交換、 冷却機器、 油圧機器、自動化機器） でも電気を消費します。 付属
機器の消費電力量は、 準備、 荒加工、 仕上げ加工といった各工程間において、 わずか
600 W しか変化しません。
準備工程での 2.5 kW の消費電力量のうち、付属機器が大部分を占めています。それゆえ、必要に応じて付属機器の機能を停止にすることにより、 実際にエネルギー節約の可能性があります。
今回の実験によると、 主軸のスピンドルモータ
や送り軸用モータを一緒に CNC 制御するには、 全体の 27 % の電力を必要とします。
どちらの加工工程でも、 送り軸用モータの平均消費電力量は 250 W で、 その多くは垂直Z 軸の保持力により定まります。 加速 ・ ブレー
キ過程では、 短いピーク値がわずかに発生し
ます。

2

測定箇所：
モータ用電源の
入力側
銅損

主軸:3.25kW

CNC制御
外部処理
冷却潤滑剤: 1.5 kW
圧縮空気: 1.3kW

工作機械の付属機器:
2.8kW
送り軸:
0.25kW

7.4 kW

工作機械の
電力量
CNC制御
ハウジング部品加工中に必要な平均電力量
上側：荒加工、下側：仕上げ加工

主軸:
1.55kW

主軸用スピンドルモータ

銅損
摩擦損

摩擦損

入力電力
機械動力

例 2: 穴 ・ キャビティ加工
穴 ・ キャビティ加工では、 荒加工および仕上げ工程が必要です。 ここで送り軸の平均電力量は 100W です。 主スピンドルは 15kW の電力量を必要とします。

結論
CNC 全体の電力量のうち、 送り軸の占める部分は小さく、 これ以上の省エネルギーはあまり望めません。 一方、 スピンドルモータの選択
が消費エネルギーに大きな影響を与えます。
スピンドルモータを定格電力値よりも、 かなり低い値で操作する場合、 エネルギー収支に対するマイナス面の影響により、 モータドライブ
固有の損失が比例して増加します。
主軸が金属材料の最大切削量を制限する場
合、 フライス加工時間は当然長くなります。
結果、 付属機器が生成するベースロードにより、 エネルギー効率が悪くなります。 例えば、
非同期モータの代わりに同期モータを使用するなど、 スピンドルモータの効率を検討することによって、 フライス加工工程でのより省エネ
ルギー設計の可能性もあります。

主軸用スピンドルモータ
平均電力[kW]

冷却潤滑剤の処理 （ポンプ、 温度管理など）
は、 フライス加工機の外部で行います。 荒加工で必要とする平均電力量は 5.1 kW です。 仕上げ加工で必要とする平均電力量は1.5 kW まで減少します。 準備工程では、 ほとんど電力を消費しません。 ドライ加工の場合、エネルギーと資源の使用効率を高めるといった優れた可能性があります。 しかし、 多くのフライス加工の場面では、 冷却潤滑剤を用いな
いと、 スクラップ発生率が増えてしまい、 平均
消費電力量が増大することにつながります。

例 1: 正面フライスでの荒加工
近軸の送り速度での正面フライスによる荒加工においては、 送り軸モータの平均消費電力
は 200W です。 主スピンドルは定格出力である約 19kW に達します。

送り軸用モータ

配電盤

フライス加工中の消費電力量
ここでは、 主スピンドルと送り軸の消費電力量
を項目別に示しています。
フライス加工における必要電力の観察実験に用いたハウジング部品

モータドライバ

送り軸用モータ

正面フライスでの荒加工におけるモータドライブの平均消費電力
正面フライス：D=60 mm、回転速度: 4100 rpm、切込み深さ:4mm

主軸用スピンドルモータ
平均電力[kW]

今回の例では、 大きさ 150 mm x 50 mm x
25 mm のアルミニウム製ハウジングを加工エリ
ア 850 mm x 700 mm x 500 mm のマシニン
グセンタによってフライス加工しています。 上
述のグループの平均消費電力量を合計した
値は、荒加工で 13 kW、仕上げ加工で 7.4 kWです。 荒加工と仕上げ加工中の電力量バランスから、 個々の消費グループ間でのエネル
ギーの配分に関して、 より詳細な情報を得ることができます。

モータ用電源送り軸用モータ

穴・キャビティ加工におけるモータドライブの平均消費電力
穴・キャビティの大きさ：D=20 mm、エンドミル:D=10 mm、側面許容公差:5mm、切込み深さ:2x5mm、回転速度: 16000 rpm

3工具交換の回数が消費エネルギーに影響します。 例えば、 15kW のフライス加工では、工具交換のために周期的に加工作業を停止します。 スピンドルモータの起動時、 ピーク値
で約 60kW の電力を必要とします。 回生ありの場合、 配電盤に 48kW を戻しますが、 回
生なしの場合、 運動エネルギーを熱に変換します。

主軸用スピンドルモータ

測定箇所：
モータ用電源の
入力側

2 台のマシニングセンタ (MC) と 3 つの加工ス
テーションを持つ生産ラインとの間にて消費電力を比較することによって、 省エネルギーの可能性を示します。
準備工程において、 消費グループの中には、
消費電力量が、 わずかしか減少しないものもあるため、 非生産工程をできるだけ短時間にする必要があります。 より小さな生産バッチ用のマシニングセンタでは、 使用していない付属
機器の機能を停止することによって、 消費電力を大きく削減することができます。 この他に冷却潤滑剤の循環用に省エネルギー性のポンプを使用することにも、 節約の可能性があり
ます。

準備工程
加工工程

MC 1

入力電力[kW]

送り軸用モータ

配電盤

MC 2

生産ライン

3種類の生産方法と必要な入力電力 左側:作業工程別

CNC
付属機器
冷却潤滑剤
圧縮空気

MC 1

MC 2

生産ライン

右側:消費グループ別

しかし、 付属機器 （油圧、 スピンドルの冷却）、
もしくは圧縮空気機器の機能を停止した場合、別の影響も起こります。
付属機器からの排熱や温度安定化機能を突然停止することにより、 工作機械の骨組みが熱変位を起こした場合、 スクラップ部品が発生し、 製造工程におけるエネルギー収支を損ないます。 それゆえ、 選択して付属機器の機能を停止することにより、 熱変位をあまり起こさずに工作機械の機能を最適化します。 いずれにせよ、 エネルギーの節約には、 バランスを考えて慎重に計画を立てる必要があります。

フライス加工工具交換

CNC には、工作機械と周辺装置のエネルギーを集中管理する役割があります。
付属機器制御用の出力を持ち、 生産工程での各イベントに関連した特別な PLC 機能のある制御装置もあります。

フライス加工時間[s]
モータ用電源の入力電力 上側:回生あり

平均入力電力[kW]金属切削時には大きな電力を必要とするため、 フライス加工工程が工具交換のために停止しする度に、平均入力電力が落ち込みます。
回生機能搭載電源は、 工具交換に要する時
間が 100s より短い時 （1 分間で 0.6 回の工具交換を行う）、 より効率的に機能します。 1
分間あたりの工具交換数が多い処理では、 回生機能搭載電源がより適しています。 輪郭フライス削りなど、 工具交換回数が少ない場合
は、 回生なしの電源の方が適しています。

モータドライバ

入力電力[kW]NC 制御装置のモータ用電源には、 回生ブ
レーキの " あり " および " なし " の選択ができるものもあります。 回生なしの場合、 ブレーキ中の運動エネルギーを抵抗によって熱に変換します。 回生ありの場合、 電気エネルギーに変換して配電盤に戻します。
しかし、 回生に必要な経路と平滑に必要な機器は、 モータドライブが電力を使用しない場合でさえも損失を起こします。 電力損失は、 回
生電力が発生していない場合もわずかに増えます。 回生機能搭載電源は、 電力損失を補償する以上の回生エネルギーを得られる場
合、 回生機能のない電源よりも効率的に稼働します。 それゆえ、 回生の " あり " もしくは " な
し " も、 機械にどのような運転を求めるかにより決定されます。

モータ用電源

入力電力[kW]

モータドライブの加速過程は、 引換えに必ずブレーキ過程を必要とします。 慣性により発生するモータの回転エネルギーは、 そのほとんどが電気エネルギーに再変換されます。

入力電力[kW]

使用しない付属機器の機能停止

モータ用電源の回生効率

下側:回生なし

電力損失分が回生エネルギーより大きい

電力損失分が回生エネルギーより小さい

回生あり
回生なし

1分間当たりの工具交換回数
電源効率の考察（回生ブレーキ機能搭載/非搭載）

45

スピンドルモータと DD モータの制御ループでは、 フィードバック信号の小さな雑音でもモータ電流の大きな変動の原因になります。

セットアップ中の非加工時間
NC プログラムの各ブロック内には、 最初に固定したワークで測定する必要のあるワークの基
準データムと関連する値を入力します。 ワーク
測定用タッチプローブにより、 迅速かつ安全に基準データムの測定が可能です。
予め設定したタッチプローブの測定サイクルとタッチプローブと NC 制御装置間において遅延を発生しないインターフェースユニットを使用することにより、 非加工時間をかなり短縮すると同時に加工精度を向上します。 タッチプロー
ブ TS シリーズと NC 制御装置のプローブ機能を組み合わせることによって基準データムを自動的に設定できます。 これにより、 不良品発生の原因になる、 セットアップ中の誤差を防ぐことが可能です。

位置エンコーダの信号を内挿分割した場合、
1 信号周期内の短いレンジの偏差 ( 内挿誤差） が含まれます。 その値は、 通常、 信号
周期の約 0.5% です。 内挿誤差の周波数が増えた場合、 送り軸ドライブは誤差曲線に従う
ことができません。 しかし、 内挿誤差により余分な電流成分が生成されます。 それゆえ、 ト
ルク一定の場合、 消費電力量とモータ効率は悪化します。 余分に必要となるエネルギーは熱に変換され、 通常、 モータの冷却システ
ムを用いて放熱しなければなりません。 当然、
この冷却システムを稼働するのにも、 エネル
ギーを消費します。

処理 1

DD モータ搭載のロータリーテーブルにおいて、光学式エンコーダと磁気式組込み型エンコー
ダの比較試験により、 位置信号の品質の高さの重要性を説明します。 16 384 分割の角度
エンコーダ RCN 226 は、 目立たないほどわず
かな雑音しかモータ電流に発生しません。 そして、 発熱もあまりありません。
これと比べて、 磁気走査方式の場合、 信号
分割数がかなり粗くなり、 同じ設定条件では、モータ電流に大きな雑音が発生します。
-1
例えば、 約 30 min のシャフト回転速度において、 実効電流値は、 光学式エンコーダの値より大きい 15 A です。 当然、 モータ内での発熱もより大きいものになります。

処理 2

タッチプローブにより、 非加工時間の短縮、 製
造品質の改善、 スクラップ発生の防止、 そして生産性の向上が可能です。
これにより、 製造品の 1 個あたりに必要なエネ
ルギーを削減します。
非加工時間の短縮を説明するのに 2 つの処理例を比較することで説明します。 ここでは、ダイアルゲージとハイデンハイン製のタッチプ
ローブによる機上計測でのセットアップ時間を比較しています。 ここで、 工作機械の消費エ
ネルギーのベースロードは 4kW です。
処理 1• 加工前のワークを機械軸に平行にセット• 加工面の 1 つの角を基準データムとしてセット• 加工前のワークの上面を工具軸の基準
データムとして設定
処理 2• 2 つのザグリ穴の中心を使って、 ワークを
機械軸側に平行にセット• その 1 つのザグリ穴の中心を基準として
セット• 加工前のワークの上面を工具軸の基準
データムとして設定

時間短縮結果ハイデンハインのタッチプローブ TS を使用することで、 上記のセットアップに要した時間は、
約 4 分 (72%) の短縮が可能となりました。

時間短縮結果ハイデンハインのタッチプローブ TS を使用することで、 上記のセットアップに要した時間は、
約 5 分 (77%) の短縮が可能となりました。

エネルギー節約結果
1 日で 10 回のセットアップ、 稼働日 220 日とした場合、 1 年に 580 kW のエネルギーを節約します。 これは、 EU のエネルギー効率クラス A++ の冷蔵庫 5 台分の年間消費エネル
ギーにおよそ相当します。

エネルギー節約結果
1 日で 10 回のセットアップ、 稼働日 220 日とした場合、 1 年に 730 kW のエネルギーを節約します。 これは、 EU のエネルギー効率クラス A++ の冷蔵庫 6 台分の年間消費エネル
ギーにおよそ相当します。

タッチプローブ

速度制御

角度エンコーダモータ

DDモータにおける制御ループ

時間[s]

時間[s]
エンコーダを搭載したDDモータのモータ電流
A:光学式エンコーダを使用した内挿誤差の小さい場合
B:磁気エンコーダを使用した内挿誤差の大きい場合

タッチプローブ

1 分 25 秒

1 分 30 秒

ダイヤルゲージ

時間[h]ダイヤルゲージ
5 分 30 秒

6

信号品質があまり高くないエンコーダでは、モータのエネルギー損失がより大きくなります。
さらに、 強制冷却するために余計に必要なエネルギーをエネルギー収支に含まなければなりません。 モータの省エネルギーを向上するには、 信号品質の高いエンコーダが必要不可欠
です。

位置制御

モータ電流[A]

工作機械は消費エネルギーのベースロードが比較的大きいため、 非加工時間が加工工程の省エネルギーに重大な影響を及ぼします。
部品 1 個に必要なエネルギーを削減するために、 工具のセットアップなどの非加工時間を最小限にする必要があります。 原則として、 機械の生産性を上げることが最も効率的です。

モータ電流[A]

モータの省エネルギー制御と
位置エンコーダ

温度[°C]

セットアップ作業の効率化による非加工時間の短縮

6 分 30 秒

位置決めエンコーダの違いによるDDモータ温度の時間変化(A:光学式、B:磁気式）

7

クローズドループ制御によるスクラップ発生数の最小化
不良品は、 製造工程での生産性を低下させ、製造部品 1 個あたりのエネルギーコストに大きく関与します。 不良品が発生する主な原因は、ボールねじ駆動の送り軸での温度ドリフトです。
ボールねじ全体の温度分布は、 送り速度と駆動力により急激に変化します。 セミクロー
ズドループ制御 （例えば、 リニアエンコーダ
なし、 図 1 の上側） の工作機械では、 結果として長さが変化し ( 通常、 20 min 内で100 μm/ m）、 これはワークに大きな傷が発生する原因となります。

速度および
位置測定

リニアエンコーダを使用した場合 ( 図 1、下側）、
ボールねじの温度上昇 ( 図 2） が精度に影響を及ぼしません。
これは、 駆動軸の機械的な誤差を位置制御
ループで測定し、 その後補正を行う、 クロー
ズドループ制御での運転の時に言えます。

例 : 尾翼レバーカップリングの加工例
小さなバッチ生産における実行可能な精度を評価するために、 レバーカップリングを同じワー
ク材料から 2 回加工して製造しています。 2
回目の加工作業は、 単に 1 回目の加工開始位置から 10mm 下がったところから行っています。 1 回目と 2 回目の加工作業間に、 工
具をワークから上空に離したところで空運転サ
イクルを 20 回行います。
セミクローズドループ制御では、 2 回目のワー
クの輪郭は、 1 回目の輪郭と較べてずれが生じており、 端の部分で観察できます。 セミク
ローズドループ制御では、 このずれの大きさは
44 μm です。 リニアエンコーダを用いたクロー
ズドループ制御では、 端の部分はこのような結果になりません。 このようにして、 最初の部品からの繰り返し再現精度が保証されます。

クローズドループ制御での省エネルギー
今回の例では、 レバーカップリング 22 式を加工するのに 2 時間かかります。 間隔 350mm
で 2 個の穴あけを行う場合、 許容公差 IT7（± 28 μm） で加工する必要があります。 セミクローズドループ制御で 22 式の良品を製造するには、 確実に許容公差 IT7 に従うように、最初に NC プログラムを周期的に 25 分間動かす必要があります。 暖気運転中の消費エネ
ルギーは、 フライス加工中の約 10% です。
速度測定

位置測定

図1

Semi-Closed Loop:
温度ドリフト有り

Closed Loop:
温度ドリフトなし

結果として、 セミクローズドループ制御で良品1 個を製造する場合のエネルギー損失は、 リ
ニアエンコーダを用いたクローズドループ制御
で 22 式の部品を製造する場合より、 19% 高
くなります。
上述の暖気運転を行うセミクローズドループ制
御のフライス加工機により 50 式の部品を製造する場合の電力量は、 8kW のフライス加工で稼働 220 日として、 660kWh のエネルギーを余計に必要とします。

図2

8

9

結論
金属加工工程の解析から、 NC 制御装置が送り軸とスピンドル用モータを制御する際の消費電力は、 全体のわずか 25% から 30% であることがわかります。 一方、 エネルギー収支において支配的なのは工作機械の付属機器
もしくは周辺装置になります。
省エネルギーに関しては、 多くの可能性があります。 工作機械単体での適切な機器の選択を行うことにより、 かなりの節約が実行できます。 NC 制御装置が回生電力機能を使用するかどうかは、 フライス加工中の工具交換、もしくは旋盤加工中のワーク交換の回数によって決まります。 回生エネルギーは工作機械周辺の装置で利用できます。
スピンドルモータの回転速度とトルクを工作機
械の運転条件範囲内に厳密に適応させることにより省エネルギーを図ることが可能です。 ス
ピンドルに汎用性を求める場合、 消費エネル
ギーを抑えるために性能を十分に発揮できな

い速度でスピンドルモータを回転させる必要があります。
位置エンコーダの選択が、 スピンドルモータとトルクモータの効率に大きな影響を与えます。
エンコーダの分解能と精度が不十分な場合、
位置制御ループでの電流値が大きくなります。
目盛線本数の多い位置エンコーダは、 モータ
ドライブに高い効率を求める場合には必須となります。
リニアエンコーダにより精度が向上し、 加工結果の正確さと再現性をより優れたものすることを証明しました。 これにより製造中の無駄、 すなわち、 良品 1 個あたりの消費エネルギーを削減することが可能です。
冷却潤滑剤処理、 圧縮空気供給、 油圧制
御、 そして温度制御用の機器に使用する電力量が、 全体の電力量の多くを占めています。
工作機械のポンプ用に効率的なモータが搭載されている場合、 工作機械単体における消費エネルギーの大部分を節約することができます。 付属機器の機能を選択的に停止できる
NC 制御装置を用いてエネルギー管理を行う
ことによって消費エネルギーを節約することも可能です。 例えば、 加工作業終了後、 遅れてポンプ用モータを電源オフにすることも可能
です。

参考資料
今回記載した内容および製品に関して、 詳しい情報を各営業所にお問い合わせください。
以下のカタログおよび技術情報が、 当社ホームページからダウンロード可能です。

製造工程自体でさえも、 エネルギー節約の可能性が見出せます。 比較的ベースロードの高い工作機械では、 非加工時間の短縮が大変重要です。 ハイデンハイン製タッチプローブを用いてセットアップを行うことにより非加工時間の短縮も可能です。
ハイデンハインは、 金属加工の分野における何十年もの経験で得たノウハウが今回のテーマでもお客様のお役に立てると考えています。

カタログ
NC工作機械向け
リニアエンコーダ

カタログ
オープンタイプ
リニアエンコーダ

Längenmessgeräte
für gesteuerte Werkzeugmaschinen

Juni 2007

カタログ
工作機械用
タッチプローブ

OffeneLängenmessgeräteTastsysteme

Januar 2009

Oktober 2006

カタログ
ベアリング内蔵
角度エンコーダ

für Werkzeugmaschinen

カタログ
磁気式組込み型
エンコーダ

カタログ
高い信号品質のアブソリュート
角度エンコーダ
Absolute
Winkelmessgeräte

Winkelmessgeräte
mit Eigenlagerung

Produktinformation

Baureihe ERM 200

mit optimierter Abtastung

Oktober 2010

Juni 2006

カタログ
ロータリエンコーダ

Messgeräte fürelektrische Antriebe

Juli 2010

November 2007

技術情報
送り軸の精度

カタログ
ベアリングを内蔵しない
角度エンコーダ
Winkelmessgeräteohne Eigenlagerung

September 2007

技術情報
工作機械の加工精度
Technische Information

Technische Information

Genauigkeit von Vorschubachsen

Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen

Messgeräte für Vorschubachsen mit Direktantrieben

Jahr für Jahr werden bei neuen Werkzeugmaschinen Effizienz- und Leistungssteigerungen nachgewiesen. Durch immer höhere Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen werden Bearbeitungszeiten fortlaufend reduziert. Gleichzeitig ermöglichen ständig steigende Arbeitsgenauigkeiten immer engere Tolerierungen der Werkstücke. Dadurch lassen sich einerseits zunehmend kritische Teile fertigen, andererseits wird der Zusammenbau komplexer Baugruppen vereinfacht. Selektive Handmontagen und Nachbearbeitungsschritte
können oft entfallen. Eine höhere Genauigkeit der Teile hat zudem meist eine Erhöhung der Funktionsfähigkeit von Baugruppen zur Folge.
So steigt zum Beispiel die Lebenserwartung von Getrieben bei gleichzeitig geringerer Geräuschentwicklung.

Produktivität und Genauigkeit sind entscheidende Wettbewerbsaspekte von Werkzeugmaschinen. Schnelle Wechsel der Einsatzbedingungen von Werkzeugmaschinen erschweren jedoch Produktivitäts- und Genauigkeitssteigerungen erheblich. So müssen in der Teilefertigung immer kleinere Losgrößen wirtschaftlich und genau gefertigt werden. In der Luft- und Raumfahrt ist höchste Zerspanleistung beim
Schruppen gefordert, während im anschließenden Schlichtprozess mit sehr hoher Genauigkeit gefräst werden muss. Beim Fräsen hochwertiger Formen sind große Zerspanraten beim Schruppen und eine makellose Oberflächenqualität als Schlichtergebnis erforderlich.
Gleichzeitig werden aber höchste Bahnvorschübe benötigt, um die notwendigen feinen Bahnabstände mit vertretbaren Bearbeitungszeiten fertigen zu können.

Im Gesamtfehlerbudget einer Werkzeugmaschine spielen die Positionierfehler der Vorschubachsen eine entscheidende Rolle. Sie werden
im Folgenden näher betrachtet und anderen Fehlern gegenübergestellt. Dabei stellt sich die thermische Dehnung der Kugelgewindespindel als das Hauptproblem bei der Positionserfassung mit Spindel und Drehgeber heraus. Der dadurch verursachte Positionierfehler überwiegt oft die thermisch bedingten Strukturdeformationen und geometrischen Fehler von Bearbeitungszentren. In mehreren Versuchen
wird der Einfluss der Erwärmung des Kugelgewindetriebs – auch in Abhängigkeit von seiner Lagerung – auf das Bearbeitungsergebnis
dargestellt. Wird ein Längenmessgerät zur Positionserfassung verwendet, spielt jedoch die thermische Dehnung der Spindel keine Rolle– die Positionsdrift ist vernachlässigbar. Bei steigenden Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindigkeit von Werkzeugmaschinen gewinnt deshalb die Positionserfassung mit einem Längenmessgerät zunehmend an Bedeutung.

Die Genauigkeit heutiger Werkzeugmaschinen wird mit einer zunehmenden Zahl
neuer und überarbeiteten Prüf- und Abnahmetests ermittelt. Waren früher rein geometrische Abnahmetests an der Tagesordnung, so werden heutzutage verstärkt
dynamische Tests wie Kreis- und Freiformtests, thermische Untersuchungen z.B.
nach ISO/DIS 230-3 und – im Fall von Produktionsmaschinen – Fähigkeitsuntersuchungen bei der Abnahme bzw. routinemäßigen Überprüfung eingesetzt. Die
unterschiedlichen Einflüsse des Schneidprozesses, der geometrischen und thermischen Genauigkeit, der statischen und
dynamischen Steifigkeit sowie des Positionierverhaltens der Vorschubachsen auf dieerzielbare Genauigkeit des Werkstücks lassen sich immer differenzierter analysieren.
Für den Anwender der Maschine werden
dadurch deren Fehler immer transparenter.

Das Reduzieren thermischer bzw. systematischer Fehler einer Werkzeugmaschine
durch langwieriges Optimieren einzelner
Fertigungsschritte ist bei ständig wechselnden Aufträgen und der damit verbundenen
sinkenden Größe der Fertigungslose kaum
noch möglich. Die ´Genauigkeit des ersten
Teils´ gewinnt immer größere Bedeutung.
Insbesondere die thermischen Fehler von
Werkzeugmaschinen finden dadurch zunehmend Beachtung.

März 2006

Im Hinblick auf stark wechselnde Einsatzbedingungen in der Fertigung gewinnt die thermische Genauigkeit von Werkzeugmaschinen immer
mehr an Bedeutung. Besonders bei kleinen Fertigungslosen und damit ständig wechselnden Maschinenaufträgen kann kein thermischstabiler Zustand erreicht werden. Gleichzeitig gewinnt aber die Genauigkeit des ersten Werkstücks eine große Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit von Fertigungsaufträgen. Ständige Wechsel zwischen Bohren, Schruppen und Schlichten verstärken die Schwankungen im
thermischen Zustand einer Werkzeugmaschine. Während der Schruppbearbeitung steigt die Fräsleistung auf Werte oberhalb von 80 % an,
beim Schlichten werden Werte unterhalb von 10 % erreicht. Die zunehmenden Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten sindverantwortlich für die Erwärmung der Kugelumlaufspindeln in den linearen Vorschubantrieben. Daher spielt die Positionserfassung in den
Vorschubantrieben eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen.

Eine wesentliche Quelle thermischer Verlagerungen sind die Vorschubachsen auf
Basis von Kugelgewindespindeln. Abhängig von den Vorschubgeschwindigkeiten
und -kräften können sich die Temperaturverteilungen auf den Kugelgewindespindeln sehr schnell ändern. Die dabei entstehenden Längenänderungen (typisch:
100 µm/m innerhalb von 20 min) können
auf Werkzeugmaschinen ohne Längenmessgeräte zu signifikanten Fehlern am
Werkstück führen.
September 2007

Direktantriebe haben sich in vielen Bereichen der Halbleiter- und Elektronikherstellung einen festen Marktanteil erobern können. Auch im
Werkzeugmaschinenbereich finden sie zunehmend Verwendung. Für die Direktantriebstechnik sprechen geringer Verschleiß, niedriger
Wartungsaufwand und eine höhere Produktivität. Dazu müssen jedoch Steuerung, Motor, Mechanik der Vorschubachse und Positionsmessgerät optimal aufeinander abgestimmt sein.

Abbildung 1

Erwärmung eines Kugelgewindetriebs beim Abzeilen mit einem mittleren
Vorschub von 10 m/min. Die Thermografie-Aufnahme zeigt Temperaturen
von 25 °C
bis 40 °C.

技術情報
DDモータにおけるエンコーダへの要求仕様

Die Leistungsfähigkeit von Direktantrieben wird entscheidend durch die Wahl des Positionsmessgeräts beeinflusst, den Direktantrieben
stellen hohe Ansprüche an die Güte der Positionssignale.
Optimale Messsignale• erhöhen die Qualität der produzierten Werkstückoberfläche,• reduzieren Vibrationen im Maschinengestell,• verhindern Lärmbelastungen durch geschwindigkeitsabhängige Motorgeräusche und• vermeiden zusätzliche Wärmeentwicklung im Motor.
Die Leistungsfähigkeit eines Direktantriebs wird also entscheidend durch die Wahl des Positionsmessgeräts beeinflusst. Messgeräte mit
optischem Abtastverfahren zeigen Vorteile bei Genauigkeit, Laufruhe und Erwärmungsverhalten eines Direktantriebs. HEIDENHAIN li efert
ein breites Programm von Längen- und Winkelmessgeräten, die sich aufgrund ihrer technischen Eigenschaften speziell für Direktantriebe
eignen.

Aufbau von Direktantrieben
Entscheidender Vorteil der Direktantriebstechnik ist die sehr steife Ankopplung an
die Vorschubmechanik ohne weitere mechanische Übertragungselemente. Dadurch
erlaubt der Regelkreis wesentlich höhere
kV-Faktoren als ein konventioneller Antrieb.

Thermische Stabilität von Werkzeugmaschinen
Lösungen zur Vermeidung thermisch bedingter Maßabweichungen an Werkstücken
rücken stärker denn je in den Fokus desWerkzeugmaschinenbaus. Aktive Kühlungen, symmetrisch aufgebaute Maschinenstrukturen und Temperaturmessungensind heute bereits gängige Maßnahmen.

Die folgende Betrachtung zeigt, dass thermische Fehler gerade bei den Vorschubachsen sehr ausgeprägt sein können. Im Gegensatz zu den Strukturdeformationen
können Fehler der Vorschubachsen durch
die Wahl einer geeigneten Messtechnik mit
einfachen Mitteln deutlich reduziert werden.

Vorschubeinrichtung eines Fräs-Bearbeitungszentrums

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Oktober 2007カタログ
サーボモータ用
エンコーダ

DrehgeberTechnische Information

Magnetische
Einbau-Messgeräte

Geschwindigkeitserfassung an
Direktantrieben
Bei Direktantrieben ist kein zusätzlicher Drehgeber zur Geschwindigkeitsbestimmung
vorhanden. Lage und Geschwindigkeit werden über das Positionsmessgerät – Längenmessgerät bei Linearmotor, Winkelmessgerät bei rotatorischem Antrieb – bestimmt.
Da die mechanische Übersetzung zwischen
Drehzahlmessgerät und Vorschubeinheit
fehlt, muss das Positionsmessgerät übereine entsprechend hohe Auflösung verfügen, um auch bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten eine exakte Geschwindigkeitsregelung zu ermöglichen.

Lageregler

Geschwindigkeitsregler

Winkelmessgerät

Motor

Regelkreis bei rotatorischem Direktantrieb (Torque-Motor)
Durch die höheren kV-Faktoren, die bei Direktantrieben möglich sind, steigt auch der
Einfluss der Signalqualität der Positionsmessgeräte auf das Positionierverhalten.

Direktantriebe erfordern deshalb Positionsmessgeräte mit kleinen Signalperioden undhoher Signalgüte.

September 2005

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ドクタ－ヨハネスハイデンハイン社はリニアエンコーダ、 角度エンコーダ、 ロータリエンコーダ、
長さゲージ、 デジタル表示カウンタを開発 ・製造しています。
ハイデンハインはオートメーションシステムや工作機械メーカー、 半導体製造、 電子機器製
造メーカーに製品を供給しています。

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ハイデンハインは世界 50 ヶ国に営業販売 ・サービス拠点があります。 セールスエンジニアとサービス技術者が、 技術的情報とサービス対応にてお客様をサポートしています。

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