Vergleich verschiedener Linearantriebstechnologien Break-Even Analyse

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1 Vergleich verschiedener Linearantriebstechnologien Break-ven nalyse Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Friedrich Bleicher Dipl.-Ing. Fabian Dür Dipl.-Ing. Thomas Flatz Christian Salvatori, BSc Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik Seite 1

2 genda 1 ufgabenstellung 2 Vorgehensweise 3 Messtechnik und Messaufbau 4 Darstellung der Messungen 5 LCC-nalyse Seite 2

3 Linearantriebe lektrisch GC-8-1-TB-KF-OH-GK Hub = 1mm lektromechanische Linearachse mit Zahnriemen Servomotor Planetengetriebe 5:1 Max. Geschwindigkeit = 5 m/s Steuerung über Leistungselektronik Pneumatisch DGC-25-1-KF-YSRW- Hub = 1mm Stoßdämpfer, weiche Kennlinie Kugelumlaufführung Kolben ø = 25mm Theoretische Kraft bei 6 bar = 295N Steuerung über Ventilinsel Servopneumatisch DGCI-25-1-KF-QD Hub = 1mm Wegmesssystem integriert Zwischenstopps möglich Kolben ø = 25mm Theoretische Kraft bei 6 bar = 295N Funktionsweise: doppelwirkender Zylinder Steuerung über Ventilinsel Seite 3

4 ufgabenstellung Messung der benötigten Leistung (elektrische Wirkleistung bzw. pneumatische Leistung) Ziel ist eine Life-Cycle-Cost Betrachtung der verschiedenen Technologien Seite 4

5 genda 1 ufgabenstellung 2 Vorgehensweise 3 Messtechnik und Messaufbau 4 Darstellung der Messungen 5 LCC-nalyse Seite 5

6 Versuchsfaktoren für die Messung Betrieb/nergie Folgende Versuchsfaktoren werden berücksichtigt DGC GC DGCI 3 ntriebe 1kg 2kg 3 Massen 2 Richtungen horizontal vertikal Messung alle 5ms von folgenden Größen lektrische Leistung in W Druck in bar Durchfluss in Nl/min Seite 6

7 genda 1 ufgabenstellung 2 Vorgehensweise 3 Messtechnik und Messaufbau 4 Darstellung der Messungen 5 LCC-nalyse Seite 7

8 Schaltschrank Bearbeitungszentrum Mess-quipment: Messprinzip elektrische Leistung Hochpräzise ufzeichnung der Messwerte alle 5 Millisekunden mit dem LMG 5 der Firma ZS. Das IFT hat dieses Leistungsmessgerät auf Grund der hohen zeitlichen uflösung sowie der großen Bandbreite gewählt Simultane Messungen der Ströme und Spannungen der 3 Phasen, Bestimmung der Wirkleistung sowie der Leistungsfaktoren und 4 nalogengänge für externe Sensoren (-1V) Die Ströme der inzelphasen werden mit Hilfe von Stromzangen erfasst. Mit deren Hilfe können Stromstärken bis 1 gemessen werden Die Spannungen der 3 Phasen werden über magnetische Tastköpfe aufgenommen Dadurch ist es möglich das Messgerät ohne Unterbrechung der Stromzufuhr zur Maschine anzuschließen. L1 L2 L3 u 1 (t) u 2 (t) u 3 (t) i 1 (t) i 2 (t) i 3 (t) N bb.: LMG 5 von ZS bb.: Messschaltung, 3 Wattmeter-Methode Seite 8

9 Mess-quipment: Messprinzip Druckluft/Druck Der Druckluftverbrauch bzw. Druck wird mittels Durchfluss bzw. Drucksensoren von der Firma Festo ermittelt Die Sensoren werden direkt mit den nalogeingängen des LMG verbunden Dadurch selbe btastwerte wie elektrische Messgrößen Bezeichnung Druckluftsensoren Festo: SFB-(5U bzw. 1U)-WQ1-2SV-M12-5S Spannungsversorgung: +/- 24V DC Messbereiche:,5-5 bzw. 1-1 l/min Messgröße: Durchfluss, Luftverbrauch Betriebsdruck: - 1 bar nalogausgang: - 1V Betriebsmedien: Luft nach Luftqualitätsklasse, Stickstoff Bezeichnung Drucksensor Festo: SD1-D1- Spannungsversorgung: +/- 24V DC Messbereiche: -1 1 bar Messgröße: Durchfluss, Luftverbrauch Betriebsdruck: - 1 bar nalogausgang: - 1V Betriebsmedien: Druckluft nach ISO :21 [7:4:4] Seite 9

10 Berechnung der technischen rbeit Pneumatik Berechnung der technischen rbeit aus Druck und Volumenstrom mit der reversiblen adiabatischen Verdichtungsarbeit w t,12 w t,12 R m * V S N * T N N * * 1 p p S N 1 1 Werte der Sensoren 1,4 Normbedingung Nach DIN 1343 Festo Druck p N 1,1325 bar (abs) Temperatur T N C (273,15 K) Gaskonstante R N 287,7 J/(kg*K) Dichte ρ N 1,292 kg/m³ P pneu w t,12 * m Luftfeuchte % P pneu Pel ges, 3 ges Gesamtwirkungsgrad von Kompressor und Druckluftnetz Seite 1

11 genda 1 ufgabenstellung 2 Vorgehensweise 3 Messtechnik und Messaufbau 4 Darstellung der Messungen 5 LCC-nalyse Seite 11

12 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 12

13 Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] DGC horizontal Profil DGC horizontal Dauerlauf kg 1kg Schritt Profil DGC horizontal Intervall kg 1kg Schritt Seite 13

14 nergie [J] Pneumatische Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] DGC horizontal Hubzeit DGC horizontal Grundlast DGC horizontal 2 6 1,8 1,6 5 1,4 1,2 2kg 4 2kg 1 3,8,6 1kg 2 1kg,4,2 1 nergie für Hub DGC horizontal Leistung über Hub DGC horizontal kg 1kg kg 1kg Seite 14

15 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 15

16 elektrische Leistung [W] elektrische Leistung [W] GC horizontal 14 Profil GC horizontal Dauerlauf kg 1kg W Grundlast des Versuchsaufbaus (Ventilinsel, ndschalter, Trafo, ) Schritt Profil GC horizontal Intervall kg 1kg 2 35 W Grundlast des Versuchsaufbaus (Ventilinsel, ndschalter, Trafo, ) Schritt Seite 16

17 elektrische nergie [J] elektrische nergie [J] elektrische nergie [J] lektrische nergie [J] lektrische nergie [J] GC horizontal Interessanter Punkt, der bei der uswertung auffiel lektrische nergie pro Hub 1kg Dauerlauf 1h lektrische nergie pro Hub 1kg Intervall 1h lektrische nergie pro Hub 1kg Dauerlauf 1min nzahl Hübe nzahl Hübe nzahl Hübe lektrische nergie pro Hub Dauerlauf 1h lektrische nergie pro Hub 2kg Dauerlauf 1h nzahl Hübe nzahl Hübe Seite 17

18 nergie [J] lektrische Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] elektrische nergie [J] GC horizontal Nur letzten 2% der Hübe bei Dauerlauf berücksichtigt 2 1,5 1,5 Hubzeit GC horizontal 2kg 1kg 8 lektrische nergie pro Hub 1kg Dauerlauf 1h 75 2% nzahl Hübe Grundlast GC horizontal kg 8 6 1kg 4 2 nergie für Hub GC horizontal Leistung über Hub GC horizontal kg 1kg kg 1kg Seite 18

19 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 19

20 Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] DGCI horizontal Profil DGCI horizontal Dauerlauf kg 1kg Schritt Profil DGCI horizontal Intervall kg 1kg Schritt Seite 2

21 nergie [J] Pneumatische Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] DGCI horizontal Hubzeit DGCI horizontal Grundlast DGCI horizontal ,5 7 2kg 6 2kg 1 1kg 5 4 1kg, nergie für Hub DGCI horizontal Leistung über Hub DGCI horizontal kg 1kg kg 1kg Seite 21

22 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 22

23 Zeit [s] Pneumatische nergie [J] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Zeit [s] lektrische nergie [J] lektrische Leistung [W] lektrische Leistung [W] Zeit [s] Pneumatische nergie [J] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Zusammenfassung horizontal Hubzeit DGC horizontal 2 1,5 2kg 1 1kg,5 nergie DGC horizontal 8 6 2kg 4 1kg 2 Leistung über Hub DGC horizontal kg 1kg Grundlast DGC horizontal 1 8 2kg 6 4 1kg 2 Hubzeit GC horizontal 2 1,5 2kg 1 1kg, nergie für Hub GC horizontal 2kg 1kg Leistung über Hub GC horizontal kg 1kg Grundlast GC horizontal 1 8 2kg 6 4 1kg 2 Hubzeit DGCI horizontal 2 1,5 2kg 1 1kg, nergie für Hub DGCI horizontal 2kg 1kg Leistung über Hub DGCI horizontal kg 1kg Grundlast DGCI horizontal 1 8 2kg 6 4 1kg 2 Seite 23

24 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 24

25 Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] DGC vertikal Profil DGC vertikal Dauerlauf ausfahren Profil DGC vertikal Intervall ausfahren kg 3 2kg kg kg Schritte Schritte Profil DGC vertikal Dauerlauf einfahren Profil DGC vertikal Intervall einfahren kg 1kg kg 1kg Schritte Schritte Seite 25

26 nergie [J] Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] DGC vertikal Hubzeit DGC vertikal Grundlast DGC vertikal 4 5 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 2kg 1kg kg 1kg 9 nergie für Hub DGC vertikal Leistung über Hub DGC vertikal kg 1kg kg 1kg 6 Seite 26

27 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 27

28 Leistung [W] Leistung [W] GC vertikal Profil GC vertikal Dauerlauf Schritte 2kg 1kg Profil GC vertikal Intervall Schritte 2kg 1kg Seite 28

29 nergie [J] Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] GC vertikal Hubzeit GC vertikal Grundlast GC vertikal 4 5 3, ,5 2 1,5 1,5 2kg 1kg kg 1kg 4 35 nergie für Hub GC vertikal 12 Leistung über Hub GC vertikal kg 1kg kg 1kg 5 2 Seite 29

30 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 3

31 Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] DGCI vertikal Profil DGCI vertikal Dauerlauf ausfahren Profil DGCI vertikal Intervall ausfahren kg 3 1kg 2 1 5kg 2 1 5kg Schritte Schritte Profil DGCI vertikal Dauerlauf einfahren Profil DGCI vertikal Intervall einfahren kg 3 1kg 2 1 5kg 2 1 5kg Schritte Schritte Seite 31

32 nergie [J] Leistung [W] Zeit [s] Leistung [W] DGCI vertikal Hubzeit DGCI vertikal Grundlast DGCI vertikal ,5 3 2, ,5 1,5 1kg 5kg kg 5kg nergie für Hub DGCI vertikal kg 4 5kg Leistung über Hub DGCI vertikal 1kg 5kg Seite 32

33 rgebnisse Horizontal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 1kg 2kg Vertikal DGC 1kg 2kg GC 1kg 2kg DGCI 5kg 1kg Seite 33

34 Zeit [s] Pneumatische nergie [J] Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Zeit [s] nergie [J] Leistung [W] Leistung [W] Zeit [s] Pneumatische nergie [J] Leistung [W] Pneumatische Leistung [W] Zusammenfassung vertikal Hubzeit DGC vertikal 2kg 1kg nergie pro Hub DGC vertikal kg 1kg Leistung über Hub DGC vertikal kg 1kg Grundlast DGC vertikal kg 6 4 1kg Hubzeit GC vertikal 2kg 1kg nergie pro Hub GC vertikal kg 1kg Leistung über Hub GC vertikal kg 1kg Grundlast GC vertikal kg 6 4 1kg Hubzeit DGCI vertikal 1kg 5kg nergie pro Hub DGCI vertikal kg 5kg Leistung über Hub DGCI vertikal kg 5kg Grundlast DGCI vertikal kg 4 5kg 2 Seite 34

35 genda 1 ufgabenstellung 2 Vorgehensweise 3 Messtechnik und Messaufbau 4 Darstellung der Messungen 5 LCC-nalyse Seite 35

36 nergie [kwh] Kosten [ ] LCC-nalyse us den rgebnissen der Messung wurde ein xcel-tool entwickelt Beispiel Richtung Last nzahl Hübe Hubzeit vertikal 1kg 5 Hübe/Stunde 4s 3-Schicht-Betrieb (keine Pausen) Gesamtkosten über Zeit (Beginn ) Jan. 12 Sep. 14 Jun. 17 Mrz. 2 Dez. 22 Sep. 25 Jun. 28 Datum DGC [ ] GC [ ] DGCI [ ] BRK VN POINT Hübe Tag (Beginn ) Schnittpunkt DGC GC Schnittpunkt DGCI GC nergieverbrauch pro Jahr DGC GC DGCI Seite 36

37 Kontakt Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik Karlsplatz 13/ Wien ustria DI Thomas Flatz Tel.: +43-() Fax: +43-() Mail: Homepage: Seite 37

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