为了识别机床的节能潜力，汉诺威莱布尼茨大学制造技术与机床研究所（IFW）开发了1个移动式能源测量箱（图1）。该测量箱在发那科欧洲公司的成功测试展示了通过该系统可以揭示哪些节能潜力。未来，这个移动式能源测量箱将帮助制造企业建立生产透明度并节省能源成本。

与2004年相比，2024年的工业电价几乎翻了一番，达到16.65 c/kWh。这使得企业在面对机床日益增长的能源需求方面承受行动压力。此外还有不断增加的政治压力，例如2023年生效的《能源效率法》。根据该法律，年能源需求超过2.5 GWh的企业必须公布已识别的节能措施的实施计划。识别节能潜力和推导节能措施的基础也是可测量的关键指标，这些指标在理想情况下可以通过企业直接进行能源测量来证明。

图1  通过移动式测量箱，现在可以更精确地测定机床在能源方面的节能潜力

为了识别机床的节能潜力，如前所述，IFW汉诺威建立了一个移动式测量箱。为了全面分析节能潜力，同时考虑了机床的电气和气动组件。一方面，通过测量箱确定电气的有功功率、视在功率和无功功率。为此，通过电流互感器感应测量所需电流，并通过直接测量确定电网电压。另一方面，通过压缩空气流量计测量流量来记录气动功率。  

对机床进行能源平衡时的一个主要挑战是其复杂的功能范围和内部组件数量。在构建测量箱时，通过提供大量的传感器连接选项考虑了这一困难。系统的结构和数据采集如图2所示。

为了数据采集，提供了18个电流互感器接口和16个压缩空气流量计接口。系统还补充了两个用于电压测量的接口和一个用于外部数据传输的以太网接口。在测量箱内部，传感器的模拟信号通过总线端子和倍福自动化的工业PC转换为数字信号。借助PLC软件“TwinCAT 3”，数据在工业PC上进行预处理并计算物理功率参数。随后，测量数据可以用于识别节能措施。  

图2  使用汉诺威IFW的移动式测量箱采集功率测量数据

测量箱的使用在发那科的研究中得到了展示。图3示意性地显示了在型号为Robodrill的 CNC铣床上的试验设置和执行过程。为了确定机床的总能源需求，选择了气动和电气的主线路作为测量点。

为了能够识别单个机床组件在总电气需求中的份额，还为主轴和驱动器以及KSS（冷却润滑剂）单元配备了传感器技术。为了测量电气功率，使用了倍福自动化的SCT系列电流互感器，并通过测量箱的模拟总线端子读取电压信号。为了记录气动功率，使用了ifm electronic 的 JD6500 体积流量传感器。为了为机床创建能源评估方法，2020年发布了ISO 14955。  

CNC铣床的研究根据该标准在六种不同的机床状态下进行。如图3所示，首先测量了机床在“关闭”状态下的功率消耗——即完全关闭的机床。在随后的测量中，机床被打开（“待机”状态），然后进行工艺设置和主轴预热（“设置”状态）。在工艺开始前不久是“就绪”状态。作为切削工艺（“加工”状态），在试验中考虑了带有标准操作（平面铣削、立铣和钻孔）的JIS标准零件。试验执行以测量“紧急停止”状态下的功率结束。  

图3  使用汉诺威IFW的移动式测量箱，按照ISO 14955标准在发那科欧洲公司的Robodrill CNC铣床上进行的能源平衡分析

在不同机床状态下完成测量数据采集后，对测量数据进行了分析，并确定了最大的节能潜力。为了分析结果，既考虑了各个状态下的总功率，也考虑了组件层面的功率消耗。因为在压缩空气测量中确定了体积流量，所以可以根据ISO标准通过1个计算公式（0.13 kWh/m3） 将其转换为等效电能。这种转换使得可以直接根据测量结果比较气动和电气组件。

柱状图显示了各个状态下的总功率消耗，其中突出了电气和压缩空气功率。在对JIS标准零件进行增值切削时（“加工”状态），平均功率需求为3.95 kW。相比之下，在非增值的“待机”和“就绪”状态下，平均功率需求分别为1.31 kW和1.45 kW。与切削时的功率需求相比，这大约相当于33.2%～36.7%。作为有针对性地降低能源需求的措施，建议特别是在较长的非增值阶段关闭机床。这样可以避免在“就绪”和“待机”状态下的高闲置功率。

此外，在非增值状态下压缩空气的显著份额也很明显。压缩空气在工艺开始前（“就绪”状态）已经占总功率需求的66.1%。因此，在这种情况下，通过减少压缩空气流量来降低非增值状态下的总功率需求是提高效率的措施。此外，由于泄漏，机床在关闭状态下仍可能消耗高达180瓦的压缩空气。这部分消耗可以通过定期维护压缩空气管路和在“关闭”状态下有针对性地关闭主进气阀来避免。

除了总功率考虑外，在增值的“加工”状态下各个机床组件的功率份额里，最大的消耗者是驱动系统（包括主轴和轴驱动），占总功率需求的34.7%。KSS单元是第二大消耗者（28.6%），其次是压缩空气系统（26.2%）。机床的其他组件总共占剩余的10.5%。作为第二大消耗者，KSS单元被确定为具有高节能潜力的机床组件。因此，作为提高效率的措施，在切削过程中应根据需求供应冷却润滑剂。 

为了支持企业识别机床中最大的能源消耗者，IFW汉诺威开发并成功测试了这个移动式测量箱。通过该测量系统，可以使用总共36个模拟接口在机床上确定气动和电气消耗者的功率参数。通过按照ISO标准14955进行的研究，可以透明且可追溯地识别能源消耗者，并推导出提高效率的潜在措施。由于对机床组件层面的能源消耗者进行详细考虑，可以识别具有高节能潜力的消耗者。

未来，这个能源测量箱将在感兴趣的企业中用于执行符合标准的移动能源测量，以及识别节能潜力。