Scheda tecnica

Aspetti dell'efficienza energetica delle macchine utensili
In molti settori industriali sono sempre più all'ordine del giorno le questioni relative all'impiego efficiente di energia. Le macchine utensili presentano numerosi sistemi di azionamento e gruppi ausiliari, il cui assorbimento di energia durante la lavorazione può variare notevolmente. Durante la sgrossatura con elevato volume di materiale asportato l'azionamento del mandrino principale e il sistema di alimentazionedel lubrorefrigerante funzionano pressoché al punto di esercizio nominale, mentre la potenza assorbita in finitura cala drasticamente. La
correlazione tra i singoli componenti e gruppi di una macchina utensile e gli aspetti della produttività e della qualità è molto stretta. Da un
esame dettagliato dei processi produttivi fino alla potenza assorbita delle singole utenze è possibile valutare i risparmi potenziali e definire
le misure per un impiego efficiente dell'energia.

In molti settori dell'industria dei beni di investimento, l'efficienza energetica è diventata una delle caratteristiche principali di unprodotto. I motoriduttori per sistemi di trasporto di materiali sono stati già da tempo
suddivisi in classi di efficienza energetica.
Le strategie per incrementare l'efficienza
energetica nella produzione utilizzando lemacchine utensili sono svariate. I potenziali
si concentrano soprattutto nel carico basedelle macchine utensili, il quale comporta
un assorbimento di energia anche durantefasi non produttive. Il carico base viene determinato principalmente dai gruppi ausiliari
di una macchina. Oltre all'impiego di motori
efficienti dal punto di vista energetico nei
gruppi ausiliari, è anche possibile ridurre il
carico base mediante un sistema di gestione dell'energia. Nelle fasi non produttive leutenze vengono in tal caso disattivate inmodo mirato dal controllo numerico dellamacchina.
Misure concepite per supportare l'operatore
nella fase di allestimento migliorano sicuramente l'efficienza energetica in quanto si
accorciano le fasi non produttive e si contiene l'influenza del carico base sul bilancio
energetico. Gli scarti incrementano inevitabilmente il dispendio energetico per ogni
Novembre 2012

pezzo realizzato che ha superato positivamente il controllo. Ottenere l'accuratezza
richiesta sin dal primo pezzo può pertanto
rappresentare un fattore decisivo nell'efficienza energetica di una macchina utensile.

Le soluzioni che presentano un comportamento termico equilibrato e un sistema
di misura di posizione preciso vantano già
pertanto un netto vantaggio.

Potenza richiesta nella fresatura
Il fabbisogno energetico di un processo difresatura si ripartisce tra i gruppi di utenze di• preparazione lubrorefrigerante,• generazione aria compressa,• alimentazione elettrica di gruppi secondaridella fresatrice,• pacchetto di controllo CNC con mandrino
principale e assi di avanzamento.
A questo si aggiunge l'energia da calcolare
in percentuale per illuminazione, ventilazione
e climatizzazione dello stabilimento di produzione. Il fabbisogno energetico di un processo di fresatura dipende fortemente
dalle dimensioni della fresatrice e dal tipo
di lavorazione.

Esempio della potenza richiesta
da un processo di fresatura

Nell'esempio descritto un pezzo in alluminio di 150 mm x 50 mm x 25 mm viene
fresato su un centro di lavoro con un'area
di 850 mm x 700 mm x 500 mm. La potenza
complessiva media di tutti i gruppi di utenze
elencati sopra è di 13 kW per la sgrossatura
e di 7,4 kW per la finitura. Le potenze registrate per sgrossatura e finitura forniscono
maggiori chiarimenti rispetto alla distribuzionedel consumo energetico tra i singoli gruppi
di utenze.

Preparazione esterna
Lubrorefrigerante: 5,1 kW
Aria compressa: 1,3 kW

Gruppi secondari dellamacchina: 3,1 kW
Azionamenti
di avanzamento
0,25 kW
13 kW

Il lubrorefrigerante viene preparato centralmente all'esterno della fresatrice (pompaggio, regolazione della temperatura). Per lasgrossatura sono richiesti in media 5,1 kW.
Per la finitura il fabbisogno medio di potenza
si riduce a 1,5 kW. Nelle operazioni preliminari alla produzione non viene pressoché
assorbita alcuna potenza. La lavorazione asecco offre enormi potenziali per incrementare l'efficienza energetica e delle risorse.
In molte applicazioni di fresatura, l'eliminazione del lubrorefrigerante può tuttavia comportare un netto incremento degli scarti edi conseguenza un peggioramento del bilancio energetico.
La potenza media dell'aria compressa variasolo in minima parte nelle fasi di operazioni
preliminari alla produzione, sgrossatura efinitura e si aggira in media sull'1,3 kW
circa.
L'aria compressa è richiesta per la lubrificazione minima del mandrino, in caso di cambio utensile e per la pulizia del pezzo e inridotte quantità come aria di pressurizzazione(mandrino, misurazione utensile, sistemi di
misura lineari).
Tra le utenze elettriche della macchina siannoverano, oltre al controllo CNC con
mandrino principale e assi di avanzamento,
numerosi gruppi secondari (cambia pallet,
raffreddamento, impianto idraulico, automazione). La potenza assorbita dai gruppi
secondari è diversa negli stati di esercizio
di operazioni preliminari alla produzione,sgrossatura e finitura di soli 600 W. Con

2

Potenza
elettrica dellamacchina

Mandrino
principale:
3,25 kW

Controllo CNC

Preparazione esterna
Lubrorefrigerante: 1,5 kW
Aria compressa: 1,3 kW
Gruppi secondari dellamacchina: 2,8 kW
7.4 kW

Azionamenti diavanzamento 0,25 kW

Potenza
elettrica dellamacchina
Controllo CNC

Mandrino
principale:
1,55 kW

Potenza media richiesta per la produzione di un pezzo campione,
in alto: sgrossatura, in basso: finitura

una potenza assorbita di 2,5 kW i gruppi
secondari determinano in misura rilevantel'energia assorbita nelle operazioni preliminari alla produzione. La disattivazione mirata
dei gruppi secondari offre pertanto potenziali considerevoli.
Nel caso considerato il pacchetto di controllo
CNC con tutti i motori di avanzamento e

mandrini principali attivi necessita sia insgrossatura sia in finitura di appena il 27 %della potenza complessiva. La potenza
media degli azionamenti assi si assesta inentrambi i casi sui 250 W e viene determinata in misura massiccia dalla forza di arresto dell'asse verticale. Soltanto nelle operazioni di accelerazione e decelerazione si
presentano valori di picco di breve durata.

Gli azionamenti del mandrino principale e diavanzamento sono tra i componenti centralidella macchina utensile. L'efficienza energetica di un componente di azionamento
dipende dal rapporto tra la potenza ceduta equella assorbita e si ripercuote così nel grado
di rendimento. L'insieme di azionamenti diuna macchina utensile trasforma la potenzaassorbita a livello elettrico in potenza ceduta
a livello meccanico. Tra i componenti dell'insieme di azionamenti rientrano il modulo
di alimentazione, i moduli di azionamento,i motori e i componenti meccanici.
I dati relativi al grado di riferimento si basanosul punto di esercizio nominale. In altri punti
di esercizio il grado di rendimento dei singolicomponenti può divergere notevolmente.
I moduli di alimentazione e azionamento
HEIDENHAIN raggiungono un grado di efficienza di oltre il 95 %.

Alimentazione
di reteEfficienza energetica deicomponenti di azionamento

Modulo dialimentazione

Moduli diazionamento

Punto di misura: potenza
in ingresso del modulo dialimentazione

Perdite di calore elettrico

Azionamenti diavanzamento

Mandrino principale

Perdite di calore elettrico
Perdite da attrito
Perdite da attrito

Potenza elettrica
in ingresso

Potenza
meccanica
cedutaEsempio 2: tasca circolare
La tasca circolare viene realizzata con un
ciclo di sgrossatura e uno di finitura. La
potenza media degli azionamenti assi èin questo caso di 100 W. Il mandrino principale richiede una potenza di 1,5 kW.
Riepilogo
Gli azionamenti assi si accontentano soltantodi una ridotta percentuale della potenza
complessiva del CNC e possono pertantoaumentare solo in misura limitata l'efficienza
energetica. Al contrario, la scelta del mandrino principale può influenzare significativamente il bilancio energetico. Se l'azionamento di un mandrino principale lavora ben
al di sotto del punto di esercizio nominale,aumentano in percentuale le perdite propriedell'azionamento con conseguenze negative
sull'efficienza energetica. Se il mandrino
principale limita il volume di asportazione
massimo possibile per unità di tempo di unprocesso di fresatura, quest'ultimo dura
inevitabilmente più a lungo. Ne consegueche l'efficienza energetica risulta peggiorea causa del carico base generato tramite i
gruppi secondari. Per rendere più efficiente
la configurazione dei processi di fresatura è
possibile ricorrere anche al potenziale disponibile in termini di grado di rendimento
dei motori del mandrino, ad esempio impiegando un motore sincrono al posto di
uno asincrono.

Mandrino
principale

Assi diavanzamento

Potenza media assorbita degli azionamenti nella sgrossatura radiale
Testa portataglienti: D = 60 mm, velocità: 4 100 giri/min, incremento in profondità: 4 mm

Potenza media [kW] Esempio 1: sgrossatura radiale
Per la sgrossatura radiale con avanzamento
parallelo all'asse i motori di avanzamento
assorbono in media appena 200 W. Il mandrino principale raggiunge con 19 kW circala propria potenza nominale.

Potenza media [kW] 

Potenza assorbita nella fresatura
La potenza assorbita di mandrino principalee assi di azionamento viene suddivisa indue lavorazioni.

Mandrino
principale

Assi diavanzamento

Potenza media assorbita degli azionamenti nella fresatura di una tasca circolare
Tasca circolare: D = 20 mm, fresa frontale: D = 10 mm, sovrametallo laterale: 5 mm,incremento in profondità 2 x 5 mm, velocità: 16 000 giri/min

3

Alimentazione di rete

Efficienza di moduli di alimentazione con recupero in rete
Ogni operazione di accelerazione di un azionamento impone in contrapposizione anche una decelerazione. L'energia di granparte delle masse in movimento degli azionamenti viene così trasformata in energia
elettrica.

A causa dell'elevata prestazione di lavorazione, più spesso viene interrotta la lavorazione di fresatura per un cambio utensile,più la potenza media in ingresso diminuisce. Il modulo di alimentazione con recupero in rete funziona così in modo più efficiente non appena l'intervallo di tempo tradue cambi utensile è inferiore a 100 s (corrispondente a 0,6 cambi utensile al minuto). Nei processi con molti cambi utensile
al minuto, il modulo di alimentazione conrecupero in rete si rivela nella maggior parte dei casi la migliore soluzione. Per la fresatura profilo con occasionale cambio utensile risulta più vantaggio il sistema senzarecupero in rete.

4

Potenza in ingresso [kW] 
Potenza in ingresso [kW] 

Per il bilancio energetico è determinante il
numero di cambi di utensile. In un esempio
la lavorazione di fresatura viene interrotta
ciclicamente a 15 kW dal cambio utensile.
Per l'avviamento il mandrino principale necessita di un picco di potenza di 60 kW circa.
Mentre il modulo di alimentazione con recupero in rete riporta l'energia nella rete
alla decelerazione a 48 kW per breve periodo, l'energia cinetica viene trasformata incalore con modulo di alimentazione senzarecupero in rete.

Moduli diazionamento

Punto di misura: potenza
in ingresso del modulo dialimentazione

Azionamenti diavanzamento

Mandrino principale

Lavorazione di fresatura

Cambio utensile

Lavorazione di fresatura

Tempo [s] Potenza in ingresso del modulo di alimentazione – in alto: con recupero in rete, in basso: senza recupero in rete
Potenza media in ingresso I moduli di alimentazione dei controlli CNC
di HEIDENHAIN vengono realizzati in versione con recupero in rete e senza recupero in rete. Con un modulo di alimentazione
senza recupero in rete, l'energia cinetica
liberatasi durante l'operazione di decelerazione viene trasformata in calore dalle
resistenze di frenata. Il modulo di alimentazione con recupero in rete reintroduce taleenergia nella rete. La diramazione di recupero indispensabile a tale scopo e i necessari componenti per il livellamento dellatensione di rete generano tuttavia anche
perdite se gli azionamenti non necessitano
di potenza. Anche nel normale funzionamento di alimentazione, la potenza dissipata aumenta leggermente. Un modulo di alimentazione con recupero in rete funziona
quindi in maniera più efficiente di uno senza recupero in rete, se l'energia recuperata
in rete prevale sulla maggiore potenza dissipata. La scelta di un modulo di alimentazione con o senza recupero in rete dipende
quindi anche dalle lavorazioni da eseguiresulla macchina.

Modulo dialimentazione

senza recupero in retemaggiore efficienza

con recupero in retemaggiore efficienza

con recupero in retesenza recupero in rete

Cambio utensile al minuto Analisi dell'efficienza di un modulo di alimentazione nelle versioni con e senza recupero in rete

Pianificazione produzione
Preparazione produzione

BAZ 1

BAZ 2

Linea diproduzione

Potenza richiesta [kW] 

Un confronto della potenza assorbita tradue centri di lavoro (BAZ) e una linea di produzione con tre stazioni di lavoro illustra ulteriori potenziali di risparmio. Siccome il
fabbisogno di energia di alcuni gruppi diutenze si riduce essenzialmente soltantonelle operazioni preliminari alla produzione,
le fasi non produttive devono essere mantenute le più brevi possibile. Nel caso dicentri di lavoro per lotti di produzione più
piccoli, il bilancio energetico può essere notevolmente migliorato disattivando in modo
mirato i gruppi secondari. Risultano inoltre
altri potenziali di risparmio se si impiegano
pompe ad efficienza energetica nel circuitodel lubrorefrigerante.

Potenza richiesta [kW] Disattivazione mirata di gruppi
ausiliari

CNC
Gruppi secondari
Lubrorefrigerante
Aria

BAZ 1

BAZ 2

Linea diproduzione

Potenza richiesta da 3 processi di produzione suddivisa per stati di esercizio e gruppi di utenze.

La disinserzione razionale di gruppi secondari (impianto idraulico, raffreddamento
mandrino) o dell'alimentazione di aria compressa può tuttavia avere effetti controproducenti. Qualora l'eliminazione improvvisa
di calore dissipato di gruppi secondari o l'effetto temperante di mezzi comporti variazioni termiche nel telaio della macchina,
possono presentarsi scarti che peggiorano
il bilancio energetico di un processo produttivo. I gruppi secondari possono essere disinseriti in funzione delle necessità in particolare su macchine con ridotta tendenza
alle variazioni termiche. In ogni caso si presuppone tuttavia uno studio accurato dellasoluzione di risparmio energetico.
Il CNC può pertanto essere impiegato
come unità di controllo centralizzato del sistema di gestione energetica di una macchina utensile e della relativa periferia. Per
iTNC 530 sono disponibili a tale scopo speciali funzioni PLC per concatenare gli eventi
nel processo di produzione (ad es. ArrestoNC) con uscite per il comando di gruppi secondari. Agli eventi possono essere assegnati tempi di ritardo affinché ad esempio
gli azionamenti vengano bloccati dopo un
tempo di arresto e venga interrotta l'alimentazione elettrica. Su tale base possono
essere create funzioni per disattivare i diversi gruppi secondari, assi, illuminazione
nell'area di lavoro ecc. Queste funzioni
base possono essere personalizzate dal costruttore e adattate al relativo tipo di macchina. Per l'operatore è utile un ulteriore livello di parametrizzazione in cui il sistema
di gestione energetica possa essere adeguato alle relative consuetudini di impiego.
Nell'esempio illustrato possono essere
configurate funzioni di disattivazione (azionamenti, morsetti, standby, arresto d'emergenza, spegnimento) per le più diverse modalità operative.

Esempio di un menu di configurazione dedicato a costruttori di macchine per disattivare
gruppi secondari, assi, illuminazione ecc.

Gestione energetica: possibile maschera di configurazione per l'utente

5

Riduzione dei tempi passivi
mediante supporto ottimale infase di allestimento
Grazie al carico base energetico relativamente elevato delle macchine utensili, i
tempi passivi si ripercuotono in misura determinante sull'efficienza energetica di unprocesso di lavorazione. Per ridurre il fabbisogno energetico per ogni pezzo, i tempi
passivi dovrebbero pertanto essere ridotti
al massimo così come i tempi di attrezzaggio e allestimento. In linea di principio, è efficiente ciò che incrementa la produttivitàdella macchina.
Tempi passivi in fase di allestimento
I blocchi di programmi NC fanno riferimento alle origini sul pezzo, che devono essere
dapprima rilevate nella condizione di serraggio del pezzo. Le origini possono essere acquisite con rapidità e sicurezza utilizzando
un sistema di tastatura pezzo. Cicli di tastatura predefiniti e un accoppiamento in tempo reale tra sistema di tastatura e controllo
numerico consentono di ridurre notevolmente i tempi passivi e di incrementare
allo stesso tempo l'accuratezza di lavorazione. In combinazione con le funzioni di tastatura dei controlli numerici TNC, le origini
possono essere impostate in automatico
con il sistema di tastatura TS di HEIDENHAIN. È così possibile evitare anche erroriin fase di attrezzaggio che comportano inevitabilmente degli scarti.
I sistemi di tastatura riducono i tempi passivi,
migliorano la qualità di lavorazione, prevengono gli scarti e incrementano la produttività,diminuendo così il fabbisogno energetico
per ogni pezzo prodotto. I risparmi potenziali in termini di tempi passivi sono illustrati
sulla base di due esempi, mettendo a confronto i tempi di attrezzaggio con comparatore e tastatore HEIDENHAIN su una macchina utensile con un carico base di 4 kW.
Lavorazione 1• Allineamento parallelo all'asse del pezzo
grezzo• Definizione origine su uno spigolo nel
piano di lavoro• Definizione origine nell'asse utensile
sulla superficie del pezzo grezzo
Lavorazione 2• Allineamento parallelo all'asse del pezzo
grezzo tramite due fori
• Definizione origine al centro del primo
foro nel piano di lavoro• Definizione origine nell'asse utensile
sulla superficie del pezzo grezzo

6

Lavorazione 1

Lavorazione 2

Risparmio di tempo
Per questa operazione di allestimento risulta un risparmio di tempo di 4 min ovverodel 72 % circa utilizzando un sistema di tastatura TS di HEIDENHAIN.

Risparmio di tempo
Per questa operazione di allestimento risulta un risparmio di tempo di 5 min ovverodel 77 % circa utilizzando un sistema di tastatura TS di HEIDENHAIN.

Risparmio di energia
Per 10 operazioni di allestimento al giorno
e 220 giorni lavorativi si risparmiano ogni
anno 580 kWh, corrispondenti all'incirca alfabbisogno energetico annuo di 5 frigoriferi
di classe energetica A++.

Risparmio di energia
Per 10 operazioni di predisposizione al giorno e 220 giorni lavorativi si risparmianoogni anno 730 kWh, corrispondenti all'incirca al fabbisogno energetico annuo di
6 frigoriferi di classe energetica A++.

Sistema di tastatura

Sistema di tastatura

1 min 25 sec

1 min 30 sec

Comparatore

Comparatore
5 min 30 sec

6 min 30 sec

Sistemi di misura per l'efficienza
energetica di funzionamento diazionamenti controllati

Regolatore diposizione

Regolatore divelocitàNei control loop di motori per mandrino
principale e assi di avanzamento ad azionamento diretto, anche le più piccole anomalie nei segnali di feedback possono comportare considerevoli variazioni nella
corrente del motore.

Impiegando un sistema di misura con segnali di qualità inferiore, possono verificarsi
maggiori perdite del motore. Inoltre, nel bilancio energetico è necessario considerare
anche il fabbisogno supplementare di energia del raffreddamento attivo.
Per migliorare l'efficienza energetica delmotore, occorre pertanto impiegare sistemi di misura con segnali di elevata qualità.

MotoreCorrente motore [A] Control loop con azionamento rotativo diretto (motore torque)

Velocità ca. 3 min–1

Tempo [s] Velocità ca. 30 min–1

Tempo [s] Corrente motore [A] 

Un confronto degli effetti di un sistema di
misura angolare ottico e di un sistema di
misura modulare magnetico su una tavola
rotante ad azionamento diretto sottolinea
l'importanza di disporre di segnali di posizione di elevata qualità. Il sistema di misuraangolare utilizzato del tipo RCN 226 con
16 384 linee genera disturbi percettibili nella
corrente del motore e il motore sviluppa
meno calore. Il sistema di misura modulare
dispone di periodi del segnale nettamente
inferiori grazie al sistema di scansione magnetico. Utilizzando le stesse impostazioni
di regolazione si formano notevoli disturbi
nella corrente del motore. Con una velocità
di 30 min–1 circa, il valore effettivo della corrente è quindi ad esempio di 15 A maggiore rispetto ad un sistema di misura ottico.
Ne consegue pertanto un riscaldamento
nettamente superiore del motore.

Sistema di misuraangolare

Corrente motore di un azionamento diretto per encoder di posizione
A: con ridotto errore di interpolazione (sistema di misura angolare ottico)
B: con elevato errore di interpolazione (sistema di misura modulare magnetico)Temperatura [°C] 

Per l'interpolazione dei segnali di un sistema di misura di posizione si formano scostamenti di breve durata nell'arco di un periodo del segnale (errori di interpolazione),pari di norma allo 0,5 % circa del periododel segnale. Se la frequenza degli errori diinterpolazione aumenta, l'azionamento diavanzamento può non seguire più l'andamento di errore. Tuttavia, con gli errori di interpolazione si generano componenti elettriche supplementari. A parità di coppia,
l'assorbimento energetico del motore aumenta di conseguenza e il grado di rendimento peggiora. L'energia supplementare
assorbita viene trasformata in calore. Il calore deve essere normalmente dissipato
raffreddando il motore e impiegando cosìulteriore energia.

Tempo [h] Andamenti termici di un azionamento diretto con encoder di posizione ottico (A) e magnetico (B)7Minimizzazione degli scarti grazie alla tecnologia Closed LoopI pezzi di scarto riducono la produttività diun processo produttivo e contribuiscono inmisura determinante a incrementare i costienergetici per ogni pezzo che ha superato
positivamente il controllo. Una causa essenziale della generazione di scarti è rappresentata dalle variazioni termiche di assi
di avanzamento basati su viti a ricircolazione di sfere.

Rilevamentodella velocità edella posizione

In funzione delle velocità e delle forze diavanzamento si modifica rapidamente la distribuzione termica delle viti a ricircolazione
di sfere. Le variazioni lineari risultanti (tipiche: 100 µm/m nell'arco di 20 min) possono comportare su macchine utensili nel Semi-Closed Loop (senza sistemi di misuralineari, figura 1 in alto) difetti significativi sul
pezzo.
Se il sistema di misura lineare si impiega
per rilevare la posizione della slitta (figura 1
in basso), l'incremento della temperaturadella vite a ricircolazione di sfere (figura 2)
non ha alcun effetto sull'accuratezza. Si parla anche di funzionamento in Closed Loop,in quanto gli errori della meccanica di azionamento vengono misurati e quindi compensati nel control loop di posizione.

Rilevamentodella velocità

Rilevamentodella posizione
Figura 1

Figura 28

Esempio di lavorazione: leva di accoppiamento per impennaggio
Per valutare l'accuratezza ottenibile nella
produzione di piccoli lotti, la leva di impennaggio viene realizzata due volte dallo stesso pezzo grezzo. Il secondo pezzo viene
quindi fresato sfalsato soltanto di 10 mmverso il basso. Tra le due lavorazioni vengono eseguiti venti cicli di lavorazione dello
stesso pezzo sul grezzo. Se si lavora nel
Semi-Closed Loop, i due profili del pezzo si
discostano tra loro di quanto rilevabile dalla
rigatura. Questo scostamento tra i pezzi èdi 44 µm nel Semi-Closed Loop. Se invece
si impiegano i sistemi di misura lineari nel
Closed Loop, tale rigatura non si forma. In
questo modo è possibile garantire una precisione ripetibile sin dal primo pezzo.

Semi-Closed Loop:variazione termica

Closed Loop:nessuna variazione
termica

Risparmio energetico nel Closed Loop
La produzione di 22 leve di accoppiamentorichiede 2 ore nell'esempio considerato.
La quota funzionale dei due fori con una distanza di 350 mm e una tolleranza IT7 corrisponde a uno scostamento ammesso
di ± 28 µm.
Per la produzione di 22 pezzi conformi lamacchina deve eseguire nel Semi-Closed
Loop il programma NC dapprima ciclicamente per 25 minuti al fine di poter garantire il rispetto della tolleranza IT7. Con funzionamento a caldo, l'energia assorbita è pariad appena il 10 % circa in meno del valorein fresatura.
I costi dell'energia per ogni pezzo conforme
sono pertanto del 19 % maggiori nel
Semi-Closed Loop rispetto alla produzione
di 22 elementi nel Closed Loop con sistemi
di misura lineari. Se ogni giorno vengono
prodotti 50 pezzi nel Semi-Closed Loop con
fase di riscaldamento avviata, per una fresatrice con una potenza richiesta in lavorazione di 8 kW per 220 lavorativi si aggiunge
un ulteriore fabbisogno di 660 kWh.

9

Conclusione
Le analisi dei processi di lavorazione adasportazione di materiale mostrano che lapotenza assorbita del controllo NC con
azionamenti per avanzamento e mandrino
principale è spesso compresa tra il 25 e il
30 % della potenza totale richiesta. I gruppi
secondari nella macchina e nella relativa
periferia assumono, invece, un ruolo determinante nel bilancio energetico.
Per l'efficiente utilizzo dell'energia sono disponibili diverse possibilità. Considerevoli
risparmi si possono già ottenere scegliendoin modo adeguato i componenti della macchina utensile.
A seconda del numero di cambi utensile
durante la fresatura o la tornitura, il controllo CNC può valutare se è opportuno adottare l'opzione di alimentazione con e senzarecupero in rete. L'energia recuperata inrete è in tal caso a disposizione per altreutenze correlate alla macchina.
Adeguando i mandrini principali per velocità
e coppia allo spettro di lavorazione dellamacchina, sono possibili ulteriori risparmi dienergia. Se è necessaria una configurazione universale del mandrino principale, il re-10

lativo motore potrebbe essere azionato con
gradi di rendimento non vantaggiosi, conconseguenti ripercussioni sul bilancio energetico.
L'efficienza di motori di mandrini principali
e azionamenti diretti può essere sensibilmente influenzata dalla scelta dell'encoder
di posizione. Gli encoder con risoluzione e
accuratezza troppo basse determinano
maggiori valori di corrente nel control loop
di posizione. Per ottenere un maggiore grado di rendimento degli azionamenti controllati sono indispensabili encoder di posizione con elevato numero di linee.
È dimostrato che i sistemi di misura lineari
incrementano l'accuratezza contribuendocosì a rendere il risultato della lavorazione
più preciso e riproducibile. In questo modoè possibile ridurre in maniera significativa
gli scarti di produzione e come conseguenza diretta il fabbisogno di energia per ogni
pezzo conforme a specifiche e standard.
I gruppi per la preparazione di lubrorefrigeranti, per l'alimentazione di aria compressa
e dell'impianto idraulico nonché per il raffreddamento raggiungono una percentuale

significativa della potenza totale. Se la macchina dispone di sistemi di azionamento
per le pompe particolarmente efficienti, si
possono ottenere già considerevoli risparmi. Inoltre, è disponibile un sistema di gestione dell'energia sul controllo CNC con
disinserimento mirato dei gruppi. Gli azionamenti delle pompe, ad esempio, possono essere disinseriti con comando temporizzato al termine di una lavorazione.
Anche nella produzione stessa sono spesso
presenti potenziali di risparmio energetico.
Di massima priorità risulta la riduzione dellefasi non produttive in presenza di un carico
base relativamente elevato delle macchine
utensili. I controlli CNC di HEIDENHAIN
offrono un valido e versatile supporto intale contesto. Ad iniziare dalle soluzioni perla semplice e intuitiva definizione dei programmi con funzioni per l'allestimento dei
pezzi utilizzando i sistemi di tastatura
HEIDENHAIN fino ad arrivare alla guida
precisa e sincronizzata dei movimenti perlavorazioni da tre a cinque assi: l'operatorepuò contare su un know-how frutto di
decenni di esperienza e competenza nel
settore della lavorazione ad asportazione
di materiale.

Ulteriori informazioni
Per ulteriori informazioni sugli argomenti e sui
prodotti descritti contattare HEIDENHAIN
all'indirizzo e-mail info@heidenhain.it o telefonicamente allo 02 27075-1. I cataloghi e
le informazioni tecniche raffigurate sono
disponibili anche in Internet all'indirizzo
www.heidenhain.it nella sezione Download.

Längenmessgeräte
für gesteuerte
Werkzeugmaschinen

CatalogoControllo numerico
continuo iTNC 530

Catalogo
Sistemi di misuramodulari magnetici

Catalogo
Sistemi di misuralineari
per macchine utensili
controllate

Magnetische
Einbau-Messgeräte

iTNC 530
Die vielseitige Bahnsteuerung
für Fräsmaschinen, Bohrwerke
und Bearbeitungszentren

September 2012

August 2012

Catalogo
Sistemi di misuralineari aperti
Absolute
Winkelmessgeräte

OffeneLängenmessgeräte

September 2011

Catalogo
Sistemi di misuraangolari assoluti
con scansione
ottimizzata

TNC 320
Die kompakte Bahnsteuerung
für Fräs- und Bohrmaschinen

mit optimierter Abtastung

April 2012

März 2012

DrehgeberJuli 2010

MANUALplus 620

Juni 2006

September 2011

Catalogo e CD-ROM
Sistemi di tastatura

Catalogo
Sistemi di misuraangolari senzacuscinetto
Winkelmessgeräteohne Eigenlagerung

Tastsysteme

November 2012

September 2011

Juni 2010

Genauigkeit von Vorschubachsen
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.
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.

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.

Scheda tecnica
Accuratezza delposizionamento

Technische Information

Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen
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 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.

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.

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

für Werkzeugmaschinen

Scheda tecnica
Accuratezza dellelavorazioni delle
macchine utensili

Technische Information

Messgeräte für Vorschubachsen mit Direktantrieben
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.
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.

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.

Scheda tecnica
Sistemi di misura per
assi di avanzamento
con motori diretti

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 liefert
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.

Vorschubeinrichtung eines Fräs-Bearbeitungszentrums

März 2006

Die Bahnsteuerung für Zyklenund CNC-Drehmaschinen

Messgeräte fürelektrische Antriebe

Technische Information

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.

CatalogoControllo numerico
continuo
MANUALplus 620

Winkelmessgeräte
mit Eigenlagerung

Catalogo
Sistemi di misura per
motori elettrici

CataloghiControllo numerico
continuo TNC 320
Controllo numerico
continuo TNC 620

September 2011

Catalogo
Sistemi di misuraangolari con
cuscinetto proprio

Catalogo
Trasduttori rotativi

CD-ROM
Presentazione iTNC

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.

Geschwindigkeitsregler

Lageregler




d
dt

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

11

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH sviluppa e produce sistemi di misura lineari eangolari, trasduttori rotativi, visualizzatori diquote e controlli numerici. HEIDENHAIN
fornisce i propri prodotti a costruttori dimacchine utensili e a produttori di macchine e impianti automatizzati, in particolare
per la realizzazione di semiconduttori e sistemi elettronici.

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 8669 31-0
| +49 8669 5061
E-mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de751261 · 00 · A · 04 · 11/2012 · PDF

HEIDENHAIN è rappresentata in oltre
50 Paesi, per lo più con filiali. Sales engineer
e tecnici qualificati supportano l'utente inloco offrendo consulenza e assistenza.