自从引进ERP(企业资源规划)指南[1]以来，生产中和机床制造中的能源和资源效益获得了更加重要的地位。支持机床和加工设备制造的相应措施目录[2]，以及合适评价方法标准(ISO/DIS 14955-1)[3]的制订，同样都是欧洲机床工业合作委员会(Cecimo)和德国机床制造商协会(VDW)工作的组成部分。
因为电力驱动系统是许多加工设备中发挥其功能性的核心组成部分，因此它们是提高生产效率的一个重点方法。没有这些系统，要制造现代化的CNC数控加工中心是无法想象的。在机床中，除了主轴和进给驱动系统之外，人们还必须考虑到无数的辅助单元，例如冷却系统、冷却润滑液处理装置和进给泵，还有液压系统。因此，在机床的配电系统中，特别是辅助设备承担了大量的工作，这一点并不令人惊奇。
图1 Siemens公司制造的1PH8系列电动机作为主驱动装
置使用，具有很高的动力学特性。他们所提供的产品既
包括异步电动机，也包括同步电动机。Photo: Siemens
效率等级为IE2的异步电动机在使用中起主导作用
从传统意义上来说，由于生产成本的原因，像这样的单元通常使用主电源进给的异步标准电动机，其特定的效率等级为IE2[4]。根据驱动系统的不同功能范围，该设备制造商采用两种可能的方式来提高能源效益：
● 带有一个恒定操作点的驱动系统(必须采用一台压力/通流组合泵)可以通过使用效率等级更高的IE3(“优等”)电动机或未来的IE4(“超优等”)电动机来进行优化。在这里，选用一台完全符合应用目的要求的电动机是十分关键的，并需得到制造商设计软件工具的支持[5]。效率经过优化的电动机实现经济和可持续发展的应用，特别是配有较高功率级别的驱动系统，可以用图形的方式表示[6]。
图2 示范性铣削加工工艺中的功率消耗分布图。
●对带有可变操作点的驱动系统(压缩机、高压冷却润滑液泵或液压系统)来说，采用可变速驱动装置可以起到更高效率的调节杠杆作用[7和8]。如果采用一个变频器，电动机的转速可以根据负荷进行变化，让整个系统以更高的效率运行。
变频器的使用节约了机床所需的能源
根据“Maxiem-机床能量效率最大化”[9]和“Ewotek-通过优化元件操作技术提高机床效率”[10]研究项目，对液压系统和冷却润滑液泵进行了研究，如采用第二种方法，可以大量地节约机床潜在的能量。与使用节流翻板或旁通阀的、可承受损耗的解决方案相比，其在部分运行操作中所获得的效益特别引人注目。从技术观点来看，依赖于速度的泵性能曲线变换和可能降低的供电电压在部分负荷的条件下开始产生效率，许多转换装置为此提供了额外的功能[11]。此外，转换装置的操作扩大了附加泵驱动系统的应用范围，包括在机械上允许的转速范围，而且在某些条件下，其还可允许减少产品的使用品种。根据不同的应用目的，这样的解决方案可以在3年内按目前的电价分摊实施。
驱动系统的改进受到其结构的限制
提高主驱动系统中元件的能量效率，使设备装置的制造商面临更大的挑战。从原则上来说，该设备要求使用可调速的驱动装置，通常应达到同步伺服技术和较高效率的水平。它们只能在工艺继续稳定运行的条件下才能进一步优化。在驱动系统中，包括在摩擦力优化的轴承或导轨中，能量水平的提高受到其结构的限制，不允许对机床和加工产生负面的影响。例如与普通的滚珠丝杠相比，使用线性直接驱动电动机作为进给驱动系统，由于其摩擦力降低和功率密度较大，通常可提高其动力学特性。为了能够产生更好的经济效果，并最终能够使生产操作中的机床发挥能量优势，较高的功率消耗必须通过较高的生产率来达到平衡。因此，注意生产制造及驱动系统本身的先决条件是十分必要的，例如采取必要的冷却，或使直接驱动系统脱开与机架的连接，或降低其振动。nextpage
图3 R200型高效率CNC数控车/铣加工中心，配有
双电动机铣削加工轴以及一根主轴和一根副轴。
降低振动有利于提高工件的加工质量
后面部分说明了在很高的动态操作中，会引起机床结构件的振动。这将会导致工件的加工质量降低，在最糟糕的情况下，可能会导致机床本身损坏。因此，在此期间，出现了一系列降低机床振动的可能性措施。一方面，在那里安装了被动和主动减振器，以适应振动结构，例如通过压电晶体使其稳定。第二种可能性措施是通过机床控制回路来降低振动。借助于最佳的控制系统[12]，提高机床的路径准确性是可能的，无需适应其机械机构，同时通过一个系数2，使其运动速度加快了33%。而且，与最初的状态相比较，这两套系统还可以进行修改，以达到较高的加速度。
因此，采取减振措施可支持提高能量效益的各个步骤，当其需要提高生产率的时候，能够使其更好地发挥机床的性能。
高效能主驱动系统的调节杠杆
在检查主驱动系统的状况时，各种调节杠杆及其所依赖的框架条件是可以识别的，并已达到节能和节约资源的操作目的。
●现代永磁同步伺服驱动系统可以在超负荷范围的情况下操作运行。在正常的操作条件下，对于新的设备装置而言，确定相应的尺寸，满足需要，可以提高设备的利用率和发挥良好的效率。
●在扩展控制技术的基础上，作为降低电动机供电电压的方法[13和14]，可确保有效的部分负荷操作[15]和提高热稳定性，对于现有的工厂也是如此。
● 各个元件具有可选择性的优化特点，系统的效率或性能可以得到进一步改善。通过在结构件或主轴元件领域中的开发，已逐渐显示出其巨大的发展潜力。例如 “EnergieMSP：能源-需求-优化电动机主轴和适应性电力驱动系统”[16]项目，记录了在主轴驱动系统中切削转子惯性和提高相关启动时间的很有前途的方法。
●使用带有主动输出滤波器优化的电源，提高了主轴的速度，同时降低了电动机的损耗。相应的现实[17和18]显示出了生产率和加工性能方面存在的潜力。
通过使用伺服驱动系统，将各个辅助驱动装置与主驱动系统组合在一起，例如作为液压泵电动机，以典型的驱动概念发挥与直流中间电路的利用相关的优势。几年来，这一直是一个为进给和主轴驱动系统提供的普通解决方案，并且使其能够提供一个待恢复的附加制动能量，在共享中间电路中使用，以及输入到主电源[19]或反馈给中间存储区[20]。
图4 Index R200型机床的电动机铣削加工轴
(HSK-A4、转速达18000r/min、功率11kW、30N.m)
以及一根主轴和一根副轴(主轴通道65mm、卡盘直
径175mm、转速达5000r/min、功率32kW, 170N.m)。
状态监控保护了价格昂贵的驱动元件
有时候，各个驱动元件的购置和维护费用是很高的，这里应特别提到的是主轴，往往超过日常的操作成本。因此，在这样的情况下，将能量效率、资源效益和元件本身的保护通盘考虑也是明智之举。状态监控和机床保护系统为此作出了宝贵的贡献。
这些综合性方法是由Darmstadt科技大学[21]的生产管理、工艺技术和机床研究所提供的。该系统解决了现代化机床中电动机主轴的保护问题。在这里，其主要原理是：在发生碰撞时，主轴的托架可以偏移，在某一距离内不会造成损坏，这就对主轴元件起到了过载保护的作用。
同样，如果需要，可以在控制系统中执行一项运算，让主轴再一次自由运行，这样其内置的回位弹簧可以让主轴很精确地返回到最初的位置。因此，该系统为资源效益作出了巨大的贡献，避免了因主轴发生碰撞所造成的高昂更换费用。
最后，驱动系统的选用和设计需要进行可持续发展的优化。由于与加工工艺、机床技术甚至机床概念(模块化结构和产品品种)发生大量的互动，因此要执行良好的成本效益解决方案，需要丰富的经验和专业知识。
