Antriebsprojektierung zur Analyse und Optimierung des Energiebedarfs

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1 Titelthema Aufsatz Werkzeugmaschinen, Antriebstechnik, Energieeffizienz Antriebsprojektierung zur Analyse und Optimierung des Energiebedarfs Ein Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen M. Rudolph, H. Vogt, W. Rummel Ökonomische und ökologische Interessen, aber auch gesetzliche Regelungen und Normen machen es notwendig, die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu bewerten und zu verbessern. Innerhalb des Verbund-Forschungsprojekts e-simpro werden theoretische Modelle zur Simulation des Energiebedarfs der Funktionsmodule von spanenden Werkzeugmaschinen entwickelt und in Form eines praktikabel anwendbaren Software-Werkzeugs realisiert. Ziel ist die komponentenbezogene Quantifizierung des Energieverbrauchs für die Anwendungsfälle Auslegung in der frühen Entwicklungsphase und Simulation des Energiebedarfs für eine konkrete Fertigungsaufgabe, um hieraus Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz abzuleiten. Die im Rahmen dieses Fachaufsatzes durchgeführten Arbeiten fokussieren auf den Anwendungsfall Entwicklung einer Werkzeugmaschine, wobei hier speziell das Funktionsmodul Antriebssystem untersucht Dr.-Ing. Mathias Rudolph, Dipl.-Ing. Hartmut Vogt Siemens AG Frauenauracher Str. 80, D Erlangen Tel. +49 (0)9131 / , Fax +49 (0)9131 / mathias.rudolph@siemens.com Internet: Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rummel EMAG Salach Maschinenfabrik GmbH Austraße 24, D Salach Tel. +49 (0)7162 / , Fax +49 (0)7162 / wrummel@emag.com Internet: Danksagung Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des Verbund- Forschungsprojekts e-simpro (Energieeffiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung), welches mit Mitteln des BMBF innerhalb des Rahmenkonzepts Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut wird. Das Projekt - konsortium wird von der EMAG Salach Maschinenfabrik GmbH als Konsortialführer geleitet und besteht darüber hinaus aus den folgenden Partnern: Siemens AG, Volkswagen AG, Handte Umwelttechnik GmbH, Steinmeyer GmbH & Co. KG, Festo AG & Co. KG, HYDAC International GmbH und dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt. wurde. Durch geeignete rechnergestützte Projektierung wurde eine Analyse des Ist-Zustandes an Energieverbrauch vorgenommen und nachfolgend alternative Projektierungs-Konstellationen zur Verbesserung der Energieeffizienz untersucht. Analysis and optimization of energy demand through drive-projection - A contribution to increase energy efficiency of machine tools Economical and ecological interests as well as legal regulations also call for evaluating and improving energy efficiency of machine tools. As a result, the research project e-simpro develops theory models that simulate energy demand for certain function modules of machine tools and realizes those models as practically used software tools. Objective is to quantify component related energy demand for the use cases Design in the early development phase and Simulating energy consumption for specific production tasks, in order to derive specific measures for improving energy efficiency. Research activity in this article is focused on the use case Design of a machine tool, especially within the drive-system module. Utilizing applicable computer-based projection methods, current states of energy demand were analysed and subsequent projection-constellations were investigated for im - provements on energy efficiency. 1 Einleitung Aktuelle Forderungen und Einflüsse machen es notwendig, die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu bewerten und zu verbessern. Dabei zeigt sich eine Werkzeugmaschine als ein komplexes System, dessen Energieverbrauch nach seinen verschiedenen Komponenten und Betriebszuständen differenziert beurteilt werden muss und zudem wesentlich von den Nutzungsbedingungen beim Endanwender abhängig ist. Die Kenntnis des Energieverbrauchs bildet die Grundlage, um Potentiale zur Steigerung der Energieeffizienz zu erkennen und Energieeffizienzmaßnahmen ausreichend bewerten zu können. Oftmals sind jedoch die hierfür erforderlichen Messungen mit einem hohen zeitlichen und technischen Aufwand verbunden. Weiterhin stehen in der Phase des Entwicklungsprozesses noch keine Maschinen oder Komponenten für Messungen zur Verfügung. Daher werden innerhalb des Verbund-Forschungsprojekts e-simpro (Energieeffiziente Pro- Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 447

2 Bild 1. Schema des Antriebssystems mit den Messstellen [1] bis [5] duktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung) theoretische Modelle zur Simulation des Energiebedarfs der Funktionsmodule von spanenden Werkzeugmaschinen entwickelt und in Form eines praktikabel anwendbaren Software-Werkzeugs realisiert. Ziel ist die komponentenbezogene Quantifizierung des Energieverbrauchs für die Anwendungsfälle Auslegung in der frühen Entwicklungsphase und Simulation des Energiebedarfs für eine konkrete Fertigungs - aufgabe, um hieraus Maßnahmen zur Verbesserung der Energie effizienz abzuleiten [1]. Im Rahmen der Analysephase des Projekts wurden zunächst umfangreiche Leistungsmessungen an insgesamt drei spanenden Werkzeugmaschinen mit dem Ziel der Identifizierung energieverbrauchsrelevanter Funktionsmodule durchge - führt. Mit dem Einsatz geeigneter Methoden der Datenanalyse wurde zudem der Einfluss verschiedener Maschinenzustände und Bearbeitungsprozesse auf den Energieverbrauch der Maschine beziehungsweise deren Komponenten erforscht [2]. In der nachfolgenden Modellierungs- und Implementierungsphase wurden theoretische Modelle der energieverbrauchsrelevanten Funktionsmodule entwickelt, rechentechnisch implementiert und basierend hierauf in der Anwendungsphase gemeinsam mit Herstellern und Endanwendern erste Ansätze zur Optimierung des Energieverbrauchs erarbeitet. Für das Funktionsmodul Kühlschmierstoffsystem ist diese Vorgehensweise beispielhaft in [3] beschrieben. Die im Rahmen dieses Fachbeitrags beschriebenen Projektarbeiten fokussieren auf den Anwendungsfall Entwicklung einer Werkzeugmaschine, wobei hier speziell das Funktionsmodul Antriebssystem untersucht wurde. Durch ge - eignete rechnergestützte Projektierung wurde eine Analyse des Ist-Zustandes an Energieverbrauch vorgenommen und nachfolgend alternative Projektierungs-Konstellationen zur Verbesserung der Energieeffizienz in Abhängigkeit der appli - kationsspezifischen Randbedingungen wie Belastungsarten (Fahrprofil und anderes mehr) sowie Betriebszeiten untersucht. 2 Antriebs-Projektierung und Analyse des Ist-Zustandes Die Untersuchungen erfolgten beispielhaft an einer Werkzeugmaschine VL7 (Vertikale Pick-Up-Drehmaschine) des Projektpartners (Herstellers) EMAG [4]. Die Automati - sierungsstruktur der Maschine zeichnet sich mit ihren Automatisierungskomponenten aus dem Siemens-Portfolio [5] durch modulare Antriebe ( Sinamics S120 ) und dezentrale Peripheriebaugruppen ( ET200 ) aus. Den Antrieben ist eine CNC-Steuerung ( Sinumerik 840D sl ) einschließlich zuge - hörendem Visualisierungs- und Bediensystem übergeordnet. Bei den im Rahmen der Analysephase durchgeführten Messungen an der VL7 wurde speziell im Maschinenzustand Bearbeitung das Antriebssystem als eines der energie - verbrauchsrelevanten Funktionsmodule mit entsprechend hohem Einsparpotential identifiziert: Der prozentuale Anteil am Gesamtverbrauch liegt hier für ein exemplarisch gefertigtes Muster-Stahlwerkstück bei 14,8 %, womit nach Kühlung (30,3 %) und Kühlschmierstoffsystem (17,0 %) der dritthöchste Verbrauchswert gegeben ist. Eine Prinzipdarstellung des untersuchten Antriebssystems einschließlich der Messstellen zur Datenerfassung ist in Bild 1 gegeben. An der Messstelle 1 wurde die Eingangsbeziehungsweise Wirkleistung des Antriebssystems (resultierend aus der Differenz zwischen Einspeisung und Rückspeisung) mit einem Multifunktionsmessgerät Sentron PAC 4200 [6] erfasst. Dieser Wert lässt sich mit der durch die Pro- 448 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf

3 Bild 2. Original-Konfiguration des Antriebssystems Ausschnitt aus dem Starter -Projekt jektierung ermittelten Gesamtleistung vergleichen, womit ein Hinweis auf die Genauigkeit der Berechnung gegeben ist. An den Messstellen 2 bis 5 wurden die Drehzahlen und Drehmomente sowie die Wirkleistungen der einzelnen Antriebe (insgesamt sechs Achsen) ausgelesen. Sowohl die Daten der Messstelle 1 (externes Messgerät mit Profibus-Schnittstelle) als auch die Daten der Messstellen 2 bis 5 (interne Daten des Antriebssystems) wurden zentral in die PLC (Programmable Logic Controller) der übergeordneten CNC-Steuerung (Sinumerik 840D sl) eingelesen. Die für den Maschinenzustand Bearbeitung gemessenen Daten der Drehzahlen und Drehmomente wurden im gebräuchlichen csv (comma-separated values)-format aus der Steuerung exportiert und bei der Projektierung als Fahrprofil beziehungsweise Fahrkurve in das Projektierungswerkzeug eingelesen. Die entsprechend definierten (Referenz-) Prozesse zur Bearbeitung eines Muster-Stahlwerkstücks orientieren sich an den üblicherweise auf der Maschine durchgeführten realen Bearbeitungsprozessen und decken somit ein repräsentatives Belastungsspektrum ab. Zur Aufzeichnung der Drehzahlen und Drehmomente sowie der Wirkleistungen einer jeden Achse kam das Tool SinuCom NC-Trace zur Anwendung. Der Vorteil dieses Sinumerik- Inbetriebnahme-Werkzeugs liegt darin, dass neben den Antriebssignalen auch die Steuerungssignale (840D sl) und die PLC-Signale (eine PLC ist in 840D sl integriert) ausgelesen werden können. Im vorliegenden Fall wurde diese Möglichkeit genutzt, um die Messwerte des Sentron PAC 4200 über die PLC im SinuCom NC-Trace mit aufzuzeichnen. Die rechnergestützte Projektierung erfolgte mit der Siemens-Software Sizer [7]. Diese unterstützt den Anwender in der Entwicklungsphase einer Werkzeugmaschine bei der Auswahl der optimalen Antriebskonfiguration auch hinsichtlich der Energieeffizienz. Die Software gestattet die Berechnung lastabhängiger Energieverbräuche bei verschiedenen Konstellationen an Lastarten/Netzen/Umrichter-Motoren-Kombina - tionen, welche auf Basis entsprechender Auslegungsschritte (Beschreibung Mechanisches System Æ Auslegung Motor und Getriebe Æ Auslegung Umrichter/Motorstarter Æ Zubehör Æ Auslegung Steuerung/Regelung) erstellt werden. Relativ einfach und schnell lassen sich Antriebslösungen vergleichen und Einsparpotentiale ermitteln. Als Ergebnis gibt es beispielsweise eine übersichtliche Vergleichsrechnung für zwei Antriebskonfigurationen, wobei jeweils der jährlich erwartete Energiebedarf für das spezifizierte Lastprofil angezeigt wird. Die Original-Konfiguration des Antriebssystems (Ist- Zustand) wurde praktischerweise dem entsprechenden Projekt des bei der Inbetriebnahme eingesetzten Tools Starter [8] entnommen. Hierin sind sämtliche für die Sizer-Projektierung erforderlichen Informationen enthalten. Bild 2 zeigt beispielhaft einen entsprechenden Ausschnitt. Bei der mittels Sizer vorgenommenen schrittweisen Projektierung wurden die jeweils notwendigen Konfigurations- Informationen dem Starter-Projekt entnommen. In Bild 3 ist exemplarisch das aus dem Starter-Projekt identifizierte Einspeise-Modul (Infeed) SLM ( Smart Line Module unge - regelte Einspeisung) und die entsprechende Projektierung im Sizer veranschaulicht. Im Ergebnis der Projektierung wurde die originale Konfiguration nahezu identisch im Sizer abgebildet. Lediglich für die am Hauptantrieb C1 sowie am Lifetool LT1 (Bild 1) vorhandenen Fremd -Motoren mussten ersatzweise Siemens- Motoren projektiert werden, da aktuell im Sizer die Energie - berechnung nur für solche unterstützt wird. Die Auswahl der Ersatzmotoren erfolgte jedoch so, dass die Bemessungsbeziehungsweise Nenndaten sowie Maximaldrehzahlen denen der Originale ähnlich sind und somit eine realitätsnahe Abbildung erfolgte. Als applikationsspezifische Randbedingungen können dem Sizer verschiedene Betriebszeiten und Belastungsarten vorgegeben werden. Als Betriebszeit wurden einheitlich 6000 h/a angesetzt, resultierend aus 250 Arbeitstagen/a mit jeweils 24 h Arbeitszeit basierend auf Informationen des Projektpartners (Endanwenders) Volkswagen. Bezüglich der Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 449

4 Bild 3. Vergleich von Starter - und Sizer -Projekt am Beispiel Einspeise-Modul Belastungsarten wurden für eine Machbarkeitsdemonstration in die Untersuchungen zunächst das Null-Lastspiel (= Fertigungsbereitschaft, das heißt, alle Antriebe sind eingeschaltet, werden aber nicht bewegt) sowie der Nenndaten- Betrieb (Bemessungslast ohne Lastvorgabe, alle Antriebe werden jeweils mit Nenndrehzahl und -leistung betrieben) einbezogen. Weiterhin wurde das real gemessene Fahrprofil eingelesen, welches wie oben beschrieben aus den im Maschinen-Zustand Bearbeitung gemessenen Daten für Drehzahlen und Drehmomente einer jeden Achse resultiert. Hierzu war eine Messwertaufbereitung erforderlich, um die Daten an das vom Sizer erwartete Datenformat anzupassen. Diese Aufbereitung umfasste insbesondere den Abzug der Motor-Beschleunigungsdrehmomente von den gemessenen Drehmomentkurven (der Sizer erwartet beim Einlesen des Fahrprofils ausschließlich die auf die Mechanik wirkenden Größen), die Auswahl eines einheitlichen Zeitabschnittes für alle Achsen (damit können Messdaten aus der Bearbeitung Bild 4. Sizer-Berechnung des Gesamtenergiebedarfs 450 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf

5 Bild 5. Sizer-Berechnung des Energiebedarfs der Hauptspindel C1 verschiedener Werkstücke zusammengefügt werden) sowie die Reduzierung der Stützstellenanzahl auf maximal 400 Werte (aktueller Höchstwert, welcher im Sizer einlesbar ist). Letzteres wurde über eine geeignete Interpolation so vorgenommen, dass die resultierenden Ersatzkurven eine weitestgehende Übereinstimmung mit den originalen Daten besitzen und somit auch hier eine originalgetreue Abbildung gegeben war. Auf Basis der vorgenommenen Projektierung und genannten applikationsspezifischen Randbedingungen erfolgte mittels Sizer eine Berechnung des Energiebedarfs. Die ermittel - ten Werte für die Belastungsart Bearbeitung (reales Fahrprofil) wurden zudem mit den aus den gemessenen Daten berechneten Werten verglichen, um Aussagen zur Genauigkeit der Sizer-Berechnung treffen zu können. In Bild 4 ist die Sizer-Berechnung für den Energiebedarf des Antriebssystems bei Bearbeitung dargestellt, wobei eine systemisch differenzierte Aufschlüsselung beginnend vom Gesamtenergiebedarf (1) bis hin zur Lastleistung (6) erfolgt [7]. Der Gesamtenergiebedarf bei einer Betriebszeit von 6000 h/a, bezogen auf den Eingang des Systems, beträgt kwh/a. Aus den mit dem externen Messgerät Sentron PAC 4200 gemessenen Werten wurde ein Gesamtenergie - verbrauch von kwh/a ermittelt. Die Übereinstimmung von Rechenwert und Messwert mit einer Abweichung von 11,2 % ist unter den vorliegenden Randbedingungen akzeptabel: Der gemessene Energiebedarf des Antriebssystems wurde mit den in der Anlage verbauten Original-Motoren an C1 und LT1 aufgenommen, wohingegen die Sizer-Berechnung wie oben bereits erwähnt auf entsprechenden Siemens-Ersatz- Motoren basiert. Weitere zu berücksichtigende Aspekte sind existierende Messungenauigkeiten, die Hochrechnung der Messwerte von 450 s gemessener Bearbeitungszeit des Muster werkstückes auf 6000 h Jahresbetriebszeit und andere mehr. Ein Vergleich der mittels Sizer aus den gemessenen Fahrprofilen berechneten Energiebedarfswerte für die Lastmechaniken der einzelnen Achsen mit den Energiebedarfswerten, welche aus den Messwerten für Drehmoment und Drehzahl direkt ermittelt wurden, zeigt hingegen nur sehr geringe Abweichungen von jeweils < 1 %. Die Energiebedarfsberechnung speziell für die Hauptachse C1 (Spindel) ist in Bild 5 zu sehen. Diese stellt mit einem Gesamtenergiebedarf von kwh/a und damit anteilsmäßig circa 88 % den Hauptverbraucher aller Achsen bei der Bearbeitung des Musterwerkstücks dar. Man erkennt zudem, ausgehend vom Energiebedarf der Lastmechanik (6), dass der zusätzliche Energiebedarf des Spindelmotors (5) und des Antriebsstellers (3) (Motormodul MoMo und anteilig Infeed/ Bild 6. Vergleich der Energieverbräuche SLM (Smart Line Module, ungeregelte Einspeisung) gegenüber ALM (Active Line Module, geregelte Einspeisung) bei Null-Lastspiel Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 451

6 Bild 7. Vergleich der Energieverbräuche SLM gegenüber ALM bei Nenndaten- Betrieb Drossel/Filter) im vorliegenden Fall etwa 53 % des Energie - bedarfs der Lastmechanik beträgt. Ansätze zur Verringerung des Energiebedarfs des Antriebssystems sind deshalb primär auf die Hauptspindel C1 zu beziehen. 3 Untersuchung alternativer Projektierungs- Konstellationen zum Verbessern der Energieeffizienz Beispielhaft wird zunächst aufgezeigt, welche Auswirkungen die Projektierung einer geregelten Einspeisung (ALM Active Line Module) gegenüber der in der Anlage vorhandenen ungeregelten Einspeisung (mit SLM Smart Line Module) auf den Energiebedarf hat. Beide Varianten wurden mit jeweils zwei Belastungsarten projektiert, zum einen mit Null-Lastspiel und zum anderen mit Nenndaten-Betrieb. Als Randbedingung für die Betriebszeit wurden jeweils die 6000 Betriebsstunden/Jahr gesetzt, die resultierenden Energieverbräuche sind in Bild 6 (Null-Lastspiel) und Bild 7 (Nenndaten-Betrieb) zusammengefasst. Der Energiebedarf des Gesamtsystems resultiert aus der Summe der Verbräuche durch die Einzelachsen. Die beiden Bilder verdeutlichen, dass jeweils die Achse C1 (Spindel) den höchsten Bedarf hat, gefolgt von LT1 (bewegtes Werkzeug) sowie gleichermaßen X1 (Vorschubachse) und Q1 (Taktband). Weiterhin ist zu erkennen, dass der Einsatz eines ALM generell eine Erhöhung des Energiebedarfs zur Folge hat. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes dient Bild 8, in welchem die Differenzverbräuche zwischen ALM und SLM bei beiden Be - lastungsarten zusammengefasst dargestellt sind. Der generell geringfügig höhere Energiebedarf im Betrieb mit ALM ist durch die Regelung der Zwischenkreisspannung auf einen konstanten Wert begründet. Entsprechend ist bei Null-Lastspiel der Bedarfsunterschied weniger ausgeprägt, weil hier nur eine vergleichsweise geringere Leistungsentnahme aus dem Zwischenkreis erfolgt. ALM wird meist eingesetzt, wenn Antriebe bis zu hohen Drehzahlen und Lasten, das heißt an der Spannungsgrenze, vor allem auch an weniger stabilen Netzspannungen betrieben werden müssen. Für die Belastungsart reales Fahrprofil werden exemplarisch wiederum die Untersuchungen an der Hauptachse C1 dargestellt. Die Werkstück-Bearbeitung erfolgt mit einer im Vergleich zur Spindel-Nennleistung geringen Spanleistung (überwiegend Feinbearbeitung). Eine erhöhte Beschleuni - gungsleistung mit entsprechenden Lastspitzen ist typischer- Bild 8. Differenz der Energieverbräuche zwischen ALM und SLM 452 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf

7 Bild 9. Sizer-Projektierung Berechnung des Energiebedarfs der Hauptachse C1 bei originaler und alternativer Projektierung weise nur bei Werkzeugwechsel erforderlich. Die Spindel ist somit während der gesamten Bearbeitungszeit voll aufmagnetisiert, obwohl nur wenig Wellenleistung abgefordert wird, das heißt, der Anteil der Magnetisierungsverlustleistung (Kupfer- und vor allem Eisenverluste) an der Gesamtleistung ist hoch. Die Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz führt somit automatisch zur Nutzung der im Sinamics-Antrieb vorhandenen Funktion Flussabsenkung oder aber zum Einsatz eines kleineren Motors. Ersteres wird aktuell durch den Sizer nicht unterstützt und stand somit nicht im Fokus der hier dargestellten Untersuchungen. Exemplarisch wird jedoch für die Hauptachse C1 demonstriert, welche Auswirkungen die Projektierung eines kleineren Motors (kleinere Bauform beziehungsweise kleineres Trägheitsmoment und somit geringere Leistungsaufnahme) auf den Energiebedarf hat (vergleiche Bild 9). Links im Bild sind die berechneten Ergebnisse für die Originalprojektierung mit dem Asynchronmotor 1PH8186-1MC00-0AA1 (Siemens-Ersatzmotor) dargestellt, rechts die Werte für den Asynchronmotor kleinerer Bauart 1PH8184-1MC00-0AA1. Bei beiden Motoren wird bei gleichen Fahr - profilen auch der gleiche Energiebedarf für die Lastmechanik ( kwh/a) berechnet. Der berechnete Gesamtenergie - bedarf des Hauptantriebs C1 sinkt für den kleineren Motor von kwh/a auf nur noch kwh/a, also auf circa 94 %. Der alternativ vorgeschlagene kleinere Motor ist auch real einsetzbar, weil er das hier vorgegebene Verfahrprofil der Mechanik bezüglich der Leistungsanforderungen ebenfalls erfüllen kann. Eine analoge Betrachtung bei der Projektierung von Synchronmotoren an der Hauptachse C1 zeigt ebenfalls ein mögliches Einsparpotential auf. Die Verbauung eines mit dem Original-Motor vergleichbaren Synchronmotors 1PH8186-2MC00-0AA1 führt zu einem Gesamtenergiebedarf von kwh/a. Durch eine alternative Projektierung des kleineren ebenfalls einsetzbaren Synchronmotors 1PH8184-2MC00-0AA1 sinkt der Energiebedarf auf kwh/a in diesem Fall ließe sich also eine Einsparung von rund 20 % erreichen. Die aufgezeigten Fälle stellen nur einen kleinen Ausschnitt des möglichen Maßnahme-Spektrums dar. Sie demonstrieren jedoch, dass auf Basis einer einmalig vorgenommenen Projektierung der Original-Antriebskonfiguration im Sizer relativ einfach und zielführend alternative Konstellationen zur Verringerung des Energiebedarfs untersucht werden können. 4 Zusammenfassung und Ausblick Mithilfe einer geeigneten rechnergestützten Projektierung wurde eine Analyse des Ist-Zustandes an Energieverbrauch des Antriebssystems einer spanenden Werkzeugmaschine vorgenommen und nachfolgend alternative Projektierungs- Konstellationen zur Verbesserung der Energieeffizienz untersucht. Die Siemens-Software Sizer hat sich dabei als effizientes Werkzeug zur Antriebsprojektierung und Energieverbrauchsberechnung beim Vergleich mit alternativen Konfigurationen erwiesen. Exemplarisch wurden im Rahmen dieses Fachberichts ausgewählte Ergebnisse vorgestellt, um einerseits die generelle Machbarkeit zu demonstrieren und andererseits die bei variierenden Projektierungen und unterschiedlichen Belastungsarten resultierenden Änderungen in Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 453

8 den Verbräuchen numerisch zu belegen und entsprechend diskutieren zu können. Die Möglichkeiten alternativer Projektierungs-Konstella - tionen zur Verbesserung der Energieeffizienz des Antriebs - systems stellen nur einen Ausschnitt des möglichen Maßnahmen-Spektrums dar. Ein weiterer Ansatz besteht beispielsweise in der Nutzbarmachung des Rückgewinnungspotentials. In vielen Anwendungen der Antriebstechnik wird während des Prozesses generatorische Energie frei, die häufig noch ungenutzt in Form von Wärme verloren geht. Über die einfache Kenntnis des Wirkungsgrades der Maschine in Kombination mit wenigen Prozessdaten lassen sich zuverlässige Aussagen über die mögliche Rückgewinnungsrate machen [9]. Untersucht werden könnte zudem die bereits erwähnte Möglichkeit der Flussabsenkung. Sie ist bei im Vergleich zur Nennleistung gering ausgelasteten Asynchronmotoren ein wirksames Instrument zur Energieeinsparung und bildet den Schwerpunkt separater Forschungsprojekte (beispielsweise [10]). Die nächsten Aktivitäten im Rahmen des Projektes e-sim- Pro bestehen in der gesamtheitlichen rechentechnischen Implementierung aller Funktionsmodule des untersuchten Demonstrators VL7 in eine einheitliche Simulationsumgebung. Aufgrund der komponentenbasierten Modellbildung ist dabei ein hohes Maß an Flexibilität gegeben, sodass eine Übertragbarkeit auch auf andere Werkzeugmaschinen mit relativ geringem Entwicklungsaufwand möglich ist. Als Entwicklungsumgebung wird dabei der Simit Machine Simulator [11] genutzt, ein Siemens-System, welches schon seit Längerem auf dem Markt etabliert ist und sowohl bei Herstellern als auch bei Endanwendern bereits erfolgreich zum Einsatz kommt [12, 13]. Neben der kompo - nentenbasierten Modellbildung, bei welcher sowohl eigenentwickelte als auch in einer umfangreichen Standard-Bibliothek hinterlegte Komponenten eingesetzt werden können, ist hier insbesondere die Möglichkeit einer Hardware-in-the- Loop-Simulation (Kopplung Simulationsmodell mit realer Steuerung) hervorzuheben, welche für den zu untersuchenden Anwendungsfall Konkrete Fertigungsaufgabe von herausragender Bedeutung ist.? Kontaktdaten Projektträger Dipl.-Ing. Ulrike Kirsten Projektträger Karlsruhe Produktion und Fertigungstechnologie (PTKA-PFT) Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Außenstelle Dresden Hallwachsstr. 3, D Dresden Tel. +49 (0)351 / , Fax +49 (0)351 / ulrike.kirsten@kit.edu Internet: Literatur [1] N. N.: Informationsseite zum Projekt e-simpro Energie effiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung. TU Darmstadt. Fachgebiet PTW. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [2] Rudolph, M.; Eisele, C.; Abele, E.; Rummel, W.: Analyse von Leistungsmessungen Ein Beitrag zur Bewertung der Energie - effizienz von Werkzeugmaschinen. ZWF 105 (2010) H. 10, S [3] Eisele, C.; Abele, E.: Energieeffiziente Produktionsmaschinen durch Simulation in der Produktentwicklung. ZWF 105 (2010) H. 11, S [4] N. N.: Firma EMAG, Salach. Produktdarstellung. Internet: www. emag.com/de/maschinen/drehmaschinen/standard-vl/vl-7.html. Stand: Zuletzt aufgerufen am [5] N. N.: Firma Siemens, München. Homepage des Bereichs Automatisierung. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [6] N. N.: Firma Siemens, München. Produktdarstellung Sentron. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [7] N. N.: Firma Siemens, München. Produktdarstellung Sizer. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [8] N. N.: Firma Siemens, München. Produktdarstellung Starter. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [9] Schumacher, M.: Rückgewinnungspotentiale in der elektrischen Antriebstechnik. In: VDI-Berichte 2138, Antriebssysteme 2011 Elektrik, Mechanik und Hydraulik in der Anwendung. Düsseldorf: VDI-Verlag 2011, S [10] N. N.: Informationsseite zum Projekt EWOTeK Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen durch Optimierung der Technologien zum Komponentenbetrieb. WZL der RWTH Aachen. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [11] N. N.: Firma Siemens, München. Produktdarstellung Simit. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [12] Schneider, R.; Rudolph, M.: Modellierung einer Spritzgießmaschine zur Hardware-in-the-Loop-Simulation. ZWF 104 (2009) H. 11, S [13] Rudolph, M.; Amthor, K.-J.; Feilke, K.: Virtuelle Kammermaschine spart Zeit und Kosten. VDI-Z Integrierte Produktion 152 (2010) H. 10, S Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag 454 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 102 (2012) H. 7/8 Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf