Technische Information

Aspekte der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen
In vielen Industriebereichen geraten Fragen zur effizienten Nutzung von Energie verstärkt in die Diskussion. Werkzeugmaschinen weisenzahlreiche Antriebe und Hilfsaggregate auf, deren Energieaufnahme während einer Bearbeitung stark schwanken kann. So arbeiten derHauptspindelantrieb und das Kühlschmierstoffsystem beim Schruppen mit hohem Zeitspanvolumen nahe dem Nennbetriebspunkt, während die Leistungsaufnahme beim Schlichten deutlich geringer ausfällt. Die Verflechtung der Einzelkomponenten und Aggregate einer
Werkzeugmaschine mit Aspekten der Produktivität und Qualität ist eng. Aus einer detaillierten Betrachtung von Fertigungsprozessen
bis hin zu der Leistungsaufnahme der Einzelverbraucher lassen sich die Einsparpotentiale bewerten und Maßnahmen zur effizienteren
Nutzung der Energie definieren.

In vielen Branchen der Investitionsgüterindustrie entwickelt sich die Energieeffizienz
zu einem wichtigen Merkmal eines Produktes. So werden Getriebemotoren für fördertechnische Einrichtungen bereits seit
langem in Effizienzklassen eingeteilt. Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz in
der Fertigung mit Werkzeugmaschinen sindsehr vielfältig. Potentiale ergeben sich in
Bezug auf die Grundlast von Werkzeugmaschinen, welche auch in nichtproduktiven
Phasen für eine Energieaufnahme sorgt.
Die Grundlast wird maßgeblich von den
Nebenaggregaten einer Maschine bestimmt. Neben dem Einsatz von energieeffizienten Motoren in den Nebenaggregaten
ergeben sich Möglichkeiten zur Reduktion
der Grundlast über ein Energiemanagement. Dabei werden Verbraucher in nichtproduktiven Phasen gezielt von der Maschinensteuerung deaktiviert.
Maßnahmen zur Unterstützung des Bedieners beim Einrichten verbessern ebenfalls
die Energieeffizienz, da die nichtproduktiven Phasen verkürzt und damit der Einfluss
der Grundlast auf die Energiebilanz verkleinert wird. Ausschussteile erhöhen unweigerlich die Energieaufwendungen pro Gut-

September 2010

teil. Eine Genauigkeit ab dem ersten Teil zu
fertigen kann daher ein entscheidender
Faktor für die Energieeffizienz einer Werkzeugmaschine werden.

Maschinenkonzepte mit einem ausgewogenen thermischen Verhalten und einer
präzisen Positionsmesstechnik sind hierklar im Vorteil.

Leistungsbedarf beim Fräsen
Der Energiebedarf eines Fräsprozesses
verteilt sich auf die Verbrauchergruppen• Kühlschmierstoffaufbereitung,• Drucklufterzeugung,• elektrisch gespeiste Nebenaggregate derFräsmaschine sowie• CNC-Steuerungspaket mit Hauptspindelund Vorschubantrieben.
Hinzu kommt die anteilig einzurechnende
Energie zur Beleuchtung, Lüftung und Klimatisierung der Fertigungshalle. Der Energiebedarf eines Fräsprozesses hängt stark
von der Größe der Fräsmaschine und vonder Bearbeitungsaufgabe ab.
Im betrachteten Beispiel wird ein Aluminiumgehäuse mit den Abmessungen
150 mm x 50 mm x 25 mm auf einem
Bearbeitungszentrum mit der Arbeitsraumgröße 850 mm x 700 mm x 500 mm gefräst. Die mittlere Gesamtleistung alleroben angeführten Verbrauchergruppen beträgt beim Schruppen 13 kW und beim
Schlichten 7,4 kW. Die Leistungsbilanzen
beim Schruppen und Schlichten liefern näheren Aufschluss über die Verteilung desEnergieverbrauchs auf die einzelnen Verbrauchergruppen.
Der Kühlschmierstoff wird außerhalb der
Fräsmaschine zentral aufbereitet (Pumpen,
Temperierung). Beim Schruppen werden
hierfür im Mittel 5,1 kW benötigt. Bei
Schlichten reduziert sich der mittlere Leistungsbedarf auf 1,5 kW. In der Produktionsbereitschaft wird nahezu keine Leistung
aufgenommen. Die Trockenbearbeitung
bietet hier große Potentiale zur Steigerung
der Energie- und Ressourceneffizienz. In
vielen Fräsapplikationen kann ein Wegfall
des Kühlschmierstoffs jedoch zu einer
deutlichen Erhöhung des Ausschusses unddamit zu einer Verschlechterung der Energiebilanz führen.
Die mittlere Druckluftleistung ändert sich inden Phasen Produktionsbereitschaft,
Schruppen und Schlichten nur geringfügig
und liegt im Mittel bei ca. 1,3 kW.
Druckluft wird für die Minimalmengenschmierung der Spindel, beim Werkzeugwechsel sowie zum Reinigen des Werkstücks und in geringen Mengen als
Sperrluft (Spindel, Werkzeugvermessung,
Längenmessgeräte) benötigt.
Zu den elektrischen Verbrauchern der Maschine zählen neben der CNC-Steuerung
mit Hauptspindel und Vorschubantrieben
zahlreiche Nebenaggregate (Palettenwechsler, Kühlung, Hydraulik, Automatisierung). Die Leistungsaufnahme der Nebenaggregate variiert in den Betriebszuständen
Produktionsbereitschaft, Schruppen und
Schlichten nur um 600 W. Mit einer Leis-

2

Gehäuse für die Betrachtung
des Leistungsbedarfs eines Fräsprozesses
externe Aufbereitung
Kühlschmierstoff: 5,1 kW
Druckluft: 1,3 kW

Nebenaggregate derMaschine: 3,1 kW
Vorschubantriebe:
0,25 kW

13 kW
elektrische
Leistung derMaschine

Hauptspindel:
3,25 kWCNC-Steuerung

externe Aufbereitung
Kühlschmierstoff: 1,5 kW
Druckluft: 1,3 kW
Nebenaggregate derMaschine: 2,8 kW
7,4 kW

Vorschubantriebe:
0,25 kWelektrische
Leistung derMaschine
CNC-Steuerung

Hauptspindel:
1,55 kW

Mittlerer Leistungsbedarf für die Fertigung eines Gehäuseteils,
oben: Schruppen, unten: Schlichten

tungsaufnahme von 2,5 kW bestimmen
die Nebenaggregate maßgeblich die Energieaufnahme in der Produktionsbereitschaft. Eine bedarfsgerechte Deaktivierung
von Nebenaggregaten bietet daher erhebliche Potentiale.
Das CNC-Steuerungspaket mit allen Vorschubmotoren und Hauptspindel benötigt

im betrachteten Fall sowohl beim Schruppen als auch beim Schlichten gerade 27 %der Gesamtleistung. Die mittlere Leistung
der Vorschubantriebe liegt in beiden Fällen
bei 250 W und wird maßgeblich durch die
Haltekraft der vertikalen Achse bestimmt.
Lediglich in Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen treten kurzzeitig Spitzenwerte auf.

Hauptspindel- und Vorschubantriebe gehören zu den zentralen Komponenten einer
Werkzeugmaschine. Die Energieeffizienz einer Antriebskomponente ist abhängig vom
Verhältnis der abgegebenen zur aufgenommenen Leistung und spiegelt sich somit im
Wirkungsgrad wieder. Der Antriebsverbund
einer Werkzeugmaschine setzt elektrischaufgenommene in abgegebene mechanische Leistung um. Zu den Komponenten
des Antriebsverbunds zählen ein Versorgungsmodul, Antriebsmodule, Motoren unddie mechanischen Komponenten.
Wirkungsgradangaben beziehen sich typischerweise auf den Nennbetriebspunkt. In
anderen Betriebspunkten kann der Wirkungsgrad einzelner Komponenten deutlich
abweichen. HEIDENHAIN Versorgungsund Antriebsmodule erreichen Wirkungsgrade von über 95 %.

Netzeinspeisung

Energieeffizienz der Antriebskomponenten

Versorgungsmodul

Antriebsmodule

Messort: Eingangsleistungdes Versorgungsmoduls

Stromwärmeverluste

Vorschubantriebe

Hauptspindel

Stromwärmeverluste
Reibungsverluste
Reibungsverluste

Elektrische
Eingangsleistung

abgegebene
mechanische
Leistung

Beispiel 2: Kreistasche
Die Kreistasche wird mit einem Schruppund einem Schlichtzyklus gefertigt. Die
mittlere Leistung der Vorschubantriebe beträgt hier 100 W. Die Hauptspindel benötigt
eine Leistung von 1,5 kW.
Fazit
Vorschubantriebe gehen nur mit einem
geringen Anteil in die Gesamtleistung der
CNC ein und können daher die Energieeffizienz nur geringfügig steigern. Im Gegensatz dazu kann sich die Wahl der Hauptspindel spürbar auf die Energiebilanz
auswirken. Arbeitet ein Hauptspindelantrieb weit unterhalb vom Nennbetriebspunkt so erhöhen sich anteilig die Eigenverluste des Antriebs mit negativen Folgen
für die Energieeffizienz. Begrenzt die
Hauptspindel das maximal mögliche Zeitspanvolumen eines Fräsprozesses, so dauert der Fräsprozess unweigerlich länger.
Die Folge: Die Energieeffizienz wird aufgrund der über Nebenaggregate generierten Grundlast schlechter. Potential zur effizienteren Gestaltung von Fräsprozessen
liegt auch in der Berücksichtigung desWirkungsgrads von Spindelmotoren, zum
Beispiel durch den Einsatz eines Synchronanstatt eines Asynchronmotors.

Hauptspindel

Vorschubachsen

Mittlere Leistungsaufnahme der Antriebe beim Planschruppen
Messerkopf: D = 60 mm, Drehzahl: 4 100 U/min, Tiefenzustellung: 4 mm

mittlere Leistung [kW] f

Beispiel 1: Planschruppen
Beim Planschruppen mit achsparallelem
Vorschub nehmen die Vorschubmotoren
im Mittel nur 200 W auf. Die Hauptspindel
erreicht mit ca. 19 kW ihre Nennleistung.

mittlere Leistung [kW] f

Leistungsaufnahme beim Fräsen
Die Leistungsaufnahme von Hauptspindelund Vorschubantrieben wird für zwei Bearbeitungen aufgeschlüsselt.

Hauptspindel

Vorschubachsen

Mittlere Leistungsaufnahme der Antriebe beim Fräsen einer Kreistasche
Kreistasche: D = 20 mm, Schaftfräser: D = 10 mm, seitliches Aufmaß: 5 mm,
Tiefenzustellung 2 x 5 mm, Drehzahl: 16 000 U/min3

Effizienz von rückspeisefähigen
Versorgungsmodulen

Aufgrund der hohen Zerspanleistung sinkt
die mittlere Eingangsleistung, je häufiger
die Fräsbearbeitung für einen Werkzeugwechsel unterbrochen wird. Dabei arbeitet
das rückspeisende Versorgungsmodul effizienter, sobald der Zeitabstand zwischenzwei Werkzeugwechseln kürzer als 100 s
ist (entspricht 0,6 Werkzeugwechseln pro
Minute). In Prozessen mit vielen Werkzeugwechseln pro Minute erweist sich ein rückspeisendes Versorgungsmodul häufig als
die bessere Wahl. Beim Konturfräsen mit
seltenen Werkzeugwechseln liegen die Vorteile beim nicht rückspeisenden System.

4

Antriebsmodule

Eingangsleistung [kW] f

Vorschubantriebe

Hauptspindel

Fräsbearbeitung

Werkzeugwechsel
Eingangsleistung [kW] f

Für die Energiebilanz ist die Anzahl der
Werkzeugwechsel wichtig. In einem Beispiel wird eine Fräsbearbeitung mit 15 kW
zyklisch durch Werkzeugwechsel unterbrochen. Für das Hochlaufen benötigt die
Hauptspindel eine Spitzenleistung von ca.
60 kW. Während das rückspeisende Versorgungsmodul beim Abbremsen mit kurzzeitig 48 kW in das Netz zurückspeist, wird
die kinetische Energie beim nicht rückspeisenden Versorgungsmodul in Wärme umgesetzt.

Versorgungsmodul

Messort: Eingangsleistungdes Versorgungsmoduls

Fräsbearbeitung

Zeit [s] f
Eingangsleistung des Versorgungsmoduls – oben: rückspeisend, unten: nicht rückspeisend
mittlere Eingangsleistung f

Die Versorgungsmodule der CNC-Steuerungen von HEIDENHAIN werden sowohl
rückspeisendend als auch nicht rückspeisend ausgeführt. Bei einem nicht rückspeisenden Versorgungsmodul wird die während eines Abbremsvorganges frei
werdende kinetische Energie über Bremswiderstände in Wärme umgesetzt. Ein
rückspeisendes Versorgungsmodul speist
diese Energie ins Netz zurück. Der dafür
notwendige Rückspeisezweig und die erforderlichen Komponenten zur Glättung derNetzspannung erzeugen jedoch auch dannVerluste, wenn die Antriebe keine Leistung
benötigen. Auch im normalen Speisebetrieb erhöht sich die Verlustleistung geringfügig. Ein rückspeisendes Versorgungsmodul arbeitet dann effizienter als ein
nichtrückspeisendes Modul, wenn die rückgespeiste Energie die höhere Verlustleistung überwiegt. Die Entscheidung für ein
rückspeisendes oder für ein nicht rückspeisendes Versorgungsmodul hängt somit
auch von den zu erwartenden Bearbeitungen auf einer Maschine ab.

Netzeinspeisung

Jeder Beschleunigungsvorgang eines Antriebs erfordert im Gegenzug auch ein Abbremsen. Dabei wird die Energie aus den
bewegten Massen der Antriebe wieder
größtenteils in elektrische Energie umgewandelt.

ohne Rückspeisung
effizienter

mit Rückspeisung
effizienter

rückspeisend
nicht rückspeisend

Werkzeugwechsel pro Minute f
Effizienzbetrachtung eines Versorgungsmoduls in den Ausführungen mit und ohne Rückspeisung

Produktionsbereitschaft
Bearbeitung

BAZ 1

BAZ 2

Fertigungslinie

Leistungsbedarf [kW] f

Ein Vergleich der Leistungsaufnahme vonzwei Bearbeitungszentren (BAZ) und einer
Fertigungslinie mit drei Bearbeitungsstationen verdeutlicht noch einmal die Potentiale:
Da sich der Energiebedarf einiger Verbrauchergruppen in der Produktionsbereitschaft
nur unwesentlich reduziert, müssen die
nichtproduktiven Phasen so kurz wie möglich gehalten werden. Bei Bearbeitungszentren für kleinere Fertigungslose kann die
Energiebilanz durch ein gezieltes Deaktivieren von Nebenaggregaten erheblich verbessert werden. Darüber hinaus ergebensich Einsparpotentiale durch den Einsatz
von energieeffizienten Pumpen im Kühlschmierstoffkreislauf.

Leistungsbedarf [kW] f

Bedarfsgerechte Deaktivierung
von Nebenaggregaten

CNC
Nebenaggregate
Kühlschmierstoff
Luft

BAZ 1

BAZ 2

Fertigungslinie

Leistungsbedarf von 3 Fertigungsprozessen aufgeschlüsselt nach Betriebzuständen undVerbrauchergruppen

Ein konsequentes Abschalten von Nebenaggregaten (Hydraulik, Spindelkühlung)oder der Druckluftversorgung kann jedoch
auch gegenteilig wirken. Führt der schlagartige Wegfall der Abwärme von Nebenaggregaten oder der temperierenden
Wirkung von Medien zu thermischen Verlagerungen im Maschinengestell, so können
Ausschussteile entstehen, welche die
Energiebilanz eines Fertigungsprozesses
verschlechtern. Nebenaggregate lassensich daher besonders auf Maschinen mit
geringer Neigung zu thermischen Verlagerungen bedarfsgerecht abschalten. Einesorgsame Auslegung des Energiesparkonzeptes wird in jedem Fall vorausgesetzt.
Die CNC kann dabei als zentrale Steuereinheit für das Energiemanagement einer
Werkzeugmaschine und der zugehörigen
Peripherie genutzt werden. Für die
iTNC 530 sind hierzu spezielle PLC-Funktionen zur Verknüpfung von Ereignissen im
Fertigungsablauf (z. B. NC Stopp) mit Ausgängen zur Ansteuerung von Nebenaggregaten verfügbar. Den Ereignissen können
Verzögerungszeiten zugewiesen werden, so
dass z.B. Antriebe nach einer Stillstandszeit
geklemmt und stromlos geschaltet werden.
Auf dieser Basis können Funktionen zur
Deaktivierung verschiedener Nebenaggregate, Achsen, Licht im Bearbeitungsraum,etc. erstellt werden. Diese Grundfunktionen können vom Maschinenhersteller nacheigenen Wünschen erstellt und an den jeweiligen Maschinentyp angepasst werden.
Für den Anwender ist eine weitere Kapselung hilfreich, in der das Energiemanagement an die jeweiligen Nutzungsgewohnheiten angepasst werden kann. Im
gezeigten Beispiel können die Deaktivierungsfunktionen (Antriebe Klemmen,
Standby, Not Aus, Abschalten) für unterschiedliche Betriebsarten konfiguriert
werden.

Beispiel eines Konfigurationsmenüs für Maschinenhersteller zur Deaktivierung von Nebenaggregaten, Achsen, Licht, etc.

Energiemanagement: Mögliche Konfigurationsmaske für den Anwender5

Verkürzung von Nebenzeiten
durch eine optimale Unterstützung beim Einrichten
Durch die relativ hohe energetische Grundlast von Werkzeugmaschinen wirken sichNebenzeiten entscheidend auf die Energieeffizienz eines Zerspanprozesses aus. Um
den Energiebedarf pro Teil zu reduzieren,sollten deshalb Nebenzeiten wie Rüstoder Einrichtzeiten möglichst kurz gehalten
werden. Prinzipiell gilt: Effizient ist, was die
Produktivität einer Maschine steigert.
Nebenzeiten beim Einrichten
Die Sätze von NC-Programmen beziehen
sich auf Bezugspunkte am Werkstück, welche zunächst einmal in der Aufspannsituation des Werkstücks erfasst werden müssen. Ein schnelles und sicheres Erfassen
von Bezugspunkten lässt sich mit einem
Werkstück-Tastsystem erreichen. Vordefinierte Tastzyklen und eine verzögerungsfreie Kopplung zwischen Tastsystem undSteuerung sparen Nebenzeiten in erheblichem Maße und erhöhen gleichzeitig die
Bearbeitungsgenauigkeit. In Kombination
mit den Antastfunktionen der TNC-Steuerungen lassen sich mit den Tastsystemen
TS von HEIDENHAIN Bezugspunkte automatisch setzen. Damit können Fehler beim
Einrichten, welche unweigerlich zu Ausschuss führen, vermieden werden.
Tastsysteme reduzieren Nebenzeiten, verbessern die Fertigungsqualität, vermeiden
Ausschuss und steigern die Produktivität.
Dadurch sinkt der Energiebedarf pro gefertigtes Teil. Die Potentiale zur Einsparung
von Nebenzeiten werden anhand von zwei
Beispielen verdeutlicht. Dabei werden die
Rüstzeiten mit Messuhr und HEIDENHAIN
Tastsystem auf einer Werkzeugmaschine
mit einer Grundlast von 4 kW gegenübergestellt.
Aufgabe 1• Rohteil achsparallel ausrichten• An einer Ecke den Bezugspunkt in der
Bearbeitungsebene setzen• In der Werkzeugachse den Bezugspunkt
auf die Oberfläche des Rohteils setzen
Aufgabe 2• Rohteil achsparallel ausrichten über zwei
Bohrungen• Bezugspunkt in der Bearbeitungsebene
in die Mitte der ersten Bohrung setzen• In der Werkzeugachse den Bezugspunkt
auf die Oberfläche des Rohteils setzen

Aufgabe 1

Aufgabe 2

Zeitersparnis
Für diesen Einrichtvorgang ergibt sich mit
einem Tastsystem TS von HEIDENHAIN
eine Zeitersparnis von ca. 4 min oder ca.
72 %.

Zeitersparnis
Für diesen Einrichtvorgang ergibt sich mit
einem Tastsystem TS von HEIDENHAIN
eine Zeitersparnis von ca. 5 min oder ca.
77 %.

EnergieeinsparungBei 10 Einrichtvorgängen pro Tag und 220
Arbeitstagen werden 580 kWh pro Jahr
eingespart. Das entspricht etwa dem Jahresenergiebedarf von 5 Kühlschränken derEffizienzklasse A++.

EnergieeinsparungBei 10 Einrichtvorgängen pro Tag und 220
Arbeitstagen werden 730 kWh pro Jahr
eingespart. Das entspricht etwa dem Jahresenergiebedarf von 6 Kühlschränken derEffizienzklasse A++.

Tastsystem

Tastsystem

1 min 25 sec

1 min 30 sec

Messuhr

Messuhr
5 min 30 sec

6

6 min 30 sec

Messsysteme für den energieeffizienten Betrieb von geregelten Antrieben
In den Regelkreisen von Hauptspindelmotoren und direktangetriebene Vorschubachsen können bereits kleinste Störungenin den Feedbacksignalen zu großen
Schwankungen im Motorstrom führen.

Durch den Einsatz eines Messgeräts geringer Signalgüte können größere Motorverluste entstehen. Neben diesen muss derzusätzliche Energiebedarf der aktiven Kühlung in der Energiebilanz mit berücksichtigt
werden.
Um die Energieeffizienz des Motors zu verbessern, sollten deshalb Messgeräte mithoher Signalgüte verwendet werden.

ddt

Winkelmessgerät

Motor

Motorstrom [A] f

Regelkreis bei rotatorischem Direktantrieb (Torque-Motor)
6
3
0
3

A
B

6
0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

–1

2.0

1.8

Zeit [s] fDrehzahl ca. 3 minMotorstrom [A] f

Ein Vergleich der Auswirkungen eines optischen Winkelmessgeräts und eines magnetischen Einbau-Messgeräts auf einen direktangetriebenen Rundtisch unterstreicht
die Bedeutung hochwertiger Positionssignale. Das verwendete Winkelmessgerät
vom Typ RCN 226 mit 16 384 Strichen erzeugt kaum wahrnehmbare Störungen im
Motorstrom, der Motor entwickelt wenig
Wärme. Das Einbau-Messgerät verfügt
aufgrund des magnetischen Abtastverfahrens über deutlich weniger Signalperioden.
Bei gleichen Reglereinstellungen entstehenerhebliche Störungen im Motorstrom. So
ist zum Beispiel bei einer Drehzahl von ca.
30 min–1 der Effektivwert des Stroms um
15 A größer als bei einem optischen Messgerät. Eine deutlich größere Erwärmung
des Motors ist die Folge.



40
20
0
20
40
0.4
0.6
0.8
Drehzahl ca. 30 min–1

A
B
1.0

1.2

1.4

1.6

2.0
1.8
Zeit [s] fMotorstrom eines Direktantriebs bei Positionsmessgerät
A: mit niedrigem Interpolationsfehler (optisches Winkelmessgerät)
B: mit hohem Interpolationsfehler (magnetisches Einbau-Messgerät)
Temperatur [°C] f

Bei der Interpolation der Signale eines Positionsmessgeräts entstehen kurzperiodische Abweichungen innerhalb einer Signalperiode (Interpolationsabweichungen), dietypischerweise ca. 0,5 % der Signalperiode
betragen. Mit zunehmender Frequenz derInterpolationsabweichungen kann der Vorschubantrieb dem Fehlerverlauf nicht mehr
folgen. Jedoch werden durch die Interpolationsabweichungen zusätzliche Stromkomponenten generiert. Bei gleichem Drehmoment steigt folglich die Energieaufnahme
des Motors, und der Wirkungsgrad wird
schlechter. Die zusätzlich aufgenommene
Energie wird in Wärme umgesetzt. Typischerweise muss die Wärme mit zusätzlichem Energieaufwand durch eine Motorkühlung abgeführt werden.

Geschwindigkeitsregler

Lageregler

Zeit [h] fTemperaturverläufe eines Direktantriebs mit optischem (A) und magnetischem (B) Positionsmessgerät

7Ausschuss minimieren durch
Closed Loop Technologie
Ausschußteile senken die Produktivität eines Fertigungsprozesses und tragen somit
erheblich zu den Energiekosten pro gefertigtes Gutteil bei. Eine wesentliche Ursachefür die Generierung von Ausschussteilensind die thermischen Verlagerungen von
Vorschubachsen auf der Basis von Kugelgewindespindeln.

Erfassung derGeschwindigkeit
und der Position

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 im Semi-Closed
Loop (ohne Längenmessgeräte, Abbildung
1 oben) zu signifikanten Fehlern am Werkstück führen.
Wird ein Längenmessgerät zur Erfassung
der Schlittenposition verwendet (Abbildung
1 unten), so hat eine Temperaturerhöhung
des Kugelgewindetriebs (Abbildung 2) keinen Einfluss auf die Genauigkeit. Man
spricht auch von einem Betrieb im Closed
Loop da die Fehler der Antriebsmechanik
im Positionsregelkreis gemessen und somit kompensiert werden.

Erfassung derGeschwindigkeit

Erfassung derPosition
Abbildung 1

Abbildung 2

8Bearbeitungsbeispiel: Anlenkhebel fürFlächenleitwerk
Um die erreichbare Genauigkeit in der Fertigung von kleinen Losgrößen zu bewerten,
wird ein Anlenkhebel zweimal aus dem
gleichen Rohteil gefertigt. Dabei wird das
zweite Werkstück lediglich um 10 mm nach
unten versetzt gefräst. Zwischen beiden
Bearbeitungen werden zwanzig Bearbeitungszyklen des gleichen Teils über dem
Rohteil abgearbeitet. Wird im Semi-Closed
Loop bearbeitet, so weichen die beiden
Konturen der Werkstücke voneinander ab,
was durch eine Kante zu erkennen ist. Dieser Versatz zwischen den Werkstücken beträgt im Semi-Closed Loop 44 µm. Bei Verwendung von Längenmessgeräten im
Closed Loop entsteht keine Kante. Auf diese Weise kann eine reproduzierbare Genauigkeit vom ersten Teil an gewährleistet
werden.

Semi-Closed Loop:
Thermische
Verlagerungen

Closed Loop:
Keine thermischen
Verlagerungen

Energieeinsparung im Closed Loop
Die Fertigung von 22 Anlenkhebeln dauert
im betrachteten Beispiel 2 h. Dabei soll das
Stichmaß zweier Bohrungen mit einem Abstand von 350 mm mit der Toleranz IT7 gefertigt werden, was einer zulässigen Abweichung von ± 28 µm entspricht.
Für die Fertigung von 22 Gutteilen mussdie Maschine im Semi-Closed Loop das
NC-Programm zunächst 25 min zyklisch abarbeiten, um die Toleranz IT7 sicher einhalten zu können. Die Energieaufnahme liegt
beim Warmfahren nur ca. 10 % unter dem
Wert beim Fräsen.
Die Energiekosten pro Gutteil liegen somit
im Semi-Closed Loop um 19 % höher als
bei einer Fertigung der 22 Bauteile im
Closed Loop mit Längenmessgeräten.
Werden täglich 50 Teile im Semi-Closed
Loop mit vorangegangener Warmlaufphasegefertigt, so entsteht für eine Fräsmaschine mit einem Leistungsbedarf beim Fräsen
von 8 kW an 220 Arbeitstagen ein zusätzlicher Energiebedarf von 660 kWh.

9

FazitAnalysen von spanenden Bearbeitungsprozessen zeigen, dass die Leistungsaufnahme der CNC Steuerung mit Vorschubund Hauptspindelantrieben häufig nur 25
bis 30 % der insgesamt benötigten Leistung ausmacht. Dahingegen nehmen
Nebenaggregate in den Maschinen oderin deren Umfeld eine dominante Rolle inder Energiebilanz ein.
Für eine effizientere Nutzung der Energie
gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Über die
Wahl der Komponenten einer Werkzeugmaschine können bereits erhebliche Einsparungen erreicht werden.
Abhängig vom Anteil der Werkzeugwechselbeim Fräsen bzw. der Werkstückwechselbeim Drehen kann eine CNC-Steuerung
mit oder ohne Möglichkeit zur Energierückspeisung ins Netz sinnvoll sein. Die rückgespeiste Energie steht dann weiteren Verbrauchern im Umfeld der Maschine zur
Verfügung.
Sofern Hauptspindeln in Bezug auf Drehzahl und Drehmoment eng an das Bearbeitungsspektrum einer Maschine angepasst
werden können, sind weitere Energieein-

10

sparungen möglich. Ist eine universelle
Auslegung der Hauptspindel erforderlich,so könnte der Spindelmotor bei ungünstigen Wirkungsgraden betrieben werden –mit entsprechenden Folgen für die Energiebilanz.
Die Effizienz von Hauptspindelmotoren und
Direktantrieben kann durch die Wahl desPositionsgebers empfindlich beeinflusst
werden. Geber mit zu geringer Auflösung
und Genauigkeit erzeugen erhöhte Stromwerte im Positionsregelkreis. Für einen hohen Wirkungsgrad der geregelten Antriebe
sind Positionsgeber mit hoher Strichzahl
unumgänglich.
Längenmessgeräte erhöhen nachweislich
die Genauigkeit und helfen somit, das Bearbeitungsergebnis genauer und reproduzierbarer zu gestalten. Damit lässt sich Produktionsausschuss und in direkter Folge
der Energiebedarf pro Gutteil entscheidend
verringern.
Aggregate zur Aufbereitung von Kühlschmierstoffen, zur Druckluft- und Hydraulikversorgung sowie zur Kühlung nehmen
einen dominanten Anteil der Gesamtleis-tung auf. Verfügt die Maschine über besonders effiziente Pumpenantriebe, so können
bereits erhebliche Energiemengen eingespart werden. Darüber hinaus bietet sichein Energiemanagement auf der CNCSteuerung mit gezielter Abschaltung vonAggregaten an. Dabei können z.B. Antriebe
von Pumpen nach Beendigung einer Bearbeitungsaufgabe zeitverzögert abgeschaltet
werden.
Auch in der Fertigung selbst sind häufig
Einsparpotentiale bezüglich des Energiebedarfs zu finden. Mit der relativen hohen
Grundlast von Werkzeugmaschinen steht
eine Reduktion von nichtproduktiven Phasenan höchster Priorität. Die CNC-Steuerungenvon HEIDENHAIN unterstützen hier in vielfältiger Art. Beginnend bei den Konzepten
zur benutzerfreundlichen Programmbearbeitung über Funktionen zum Einrichten
von Werkstücken mit HEIDENHAIN Tastsystemen bis hin zur zeitoptimalen und
exakten Bewegungsführung in drei- undfünfachsigen Bearbeitungen profitieren
Anwender von dem über Jahrzehnte gesammelten Erfahrungswissen in der spanenden Bearbeitung.

Weitere Informationen
Weitere Informationen zu den angeschnittenen Themen und zu den HEIDENHAINProdukten erhalten Sie bei HEIDENHAIN
über info@heidenhain.de oder rufen Sie
uns an: +49 8669 31-0. Die abgebildeten
Kataloge und Technische Informationen
sind auch im Internet unter www.heidenhain.de im Download-Bereich verfügbar.

ProspektBahnsteuerung
iTNC 530

ProspektMagnetische
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Prospekt
Längenmessgeräte
für gesteuerte Werkzeugmaschinen
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Produktinformation

iTNC 530

Baureihe ERM 200

Die vielseitige Bahnsteuerung
für Fräsmaschinen, Bohrwerke
und Bearbeitungszentren

Magnetische
Einbau-Messgeräte

Oktober 2007

Juni 2007

Prospekt
Offene Längenmessgeräte
Absolute
Winkelmessgeräte

OffeneLängenmessgeräte

Juni 2007

ProspektAbsolute Winkelmessgeräte
mit optimierter
Abtastung

TNC 320
Die kompakte Bahnsteuerung
für Fräs- und Bohrmaschinen

mit optimierter Abtastung

Oktober 2010

Januar 2009

DrehgeberJuli 2010

MANUALplus 620

Juni 2006

September 2009

Prospekt, CD-ROM
Tastsysteme

Prospekt
Winkelmessgeräteohne Eigenlagerung
Winkelmessgeräteohne Eigenlagerung

Tastsysteme

November 2007

September 2007

Oktober 2006

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.

Technische Information
Genauigkeit von
Vorschubachsen

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

Technische Information
Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen

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.

Technische Information
Messgeräte fürVorschubachsen
mit Direktantrieben

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.

ProspektBahnsteuerung
MANUALplus 620

Winkelmessgeräte
mit Eigenlagerung

Prospekt
Messgeräte fürelektrische Antriebe

ProspekteBahnsteuerung
TNC 320
Bahnsteuerung
TNC 620

September 2007

Prospekt
Winkelmessgeräte
mit Eigenlagerung

ProspektDrehgeber

CD-ROM
iTNC Presentation

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

Die DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
entwickelt und produziert Längen- undWinkelmessgeräte, Drehgeber, Positionsanzeigen und Numerische Steuerungen.
HEIDENHAIN liefert seine Produkte an
Hersteller von Werkzeugmaschinen und an
Hersteller von automatisierten Anlagen undMaschinen, insbesondere für die Halbleiterund Elektronik-Fertigung.

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 8669 31-0
| +49 8669 5061
E-mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de751 261 · 00 · A · 01 · 9/2010 · PDF

HEIDENHAIN ist in mehr als 50 Ländern –meist durch eigene Tochtergesellschaften –vertreten. Vertriebsingenieure und Servicetechniker unterstützen den Anwender vor
Ort durch Beratung und Kundendienst.