油圧かサーボか — ブスバー曲げの駆動方式

油圧とサーボのどちらを買うべきかを機械メーカーに尋ねれば、そのメーカーが作っているほうの説明が返って きます。それは誰の役にも立ちません。

当社は両方を作っています。EMAC-BB-H12 はハイブリッド 油圧ヘッド、EMAC-BB-S12 は純サーボヘッドです。定格は 同一で、400 kN、曲げ精度 ±0.1°、能力 200 × 16 mm、電子式スプリングバック補正、設備容量 6.25 kW。同じ 作業範囲、同じ仕様書、異なる駆動系です。したがって両者の選択は、どちらの機械が優れているかという選択では なく、自社の工場をどう運用するかという選択です。当社にはそうでないふりをする商業上の理由がありません。

方式は 2 つではなく 3 つ

この比較はふつう 2 択として提示されます。実際には 3 つあり、現在の混乱の大半は真ん中の 1 つに集中して います。

従来型の油圧ヘッドでは、誘導電動機に載った固定容量ポンプが全速で回り続けます。機械が必要としない流量は リリーフ弁を通って作動油の熱になります。ラムの動きは方向制御弁と比例弁で制御され、装置にはアキュムレータ、 それなりの容量のタンク、そして通常はクーラが付きます。

ハイブリッド、すなわちサーボポンプのヘッドでは、サーボモータがポンプを駆動し、ポンプの回転数が需要に 合わせて指令されます。ラム位置は弁で流量を絞ることではなくポンプを回すことで制御されるため、リリーフ経路は 主要な制御要素ではなくなります。損失がはるかに小さいので、タンクは小さくなり、クーラはなくなることが多く なります。油圧的には依然として油圧機械です。シリンダ、作動油、シール、フィルタがあります。

純サーボヘッドでは、サーボモータがボールねじ、ローラねじ、またはラックを駆動し、作動流体はいっさいあり ません。機械の中の油は、減速機と案内面の潤滑剤だけです。

「サーボ曲げ機」と言うとき、2 つ目を指している場合と 3 つ目を指している場合があり、この 2 つは加圧力と 保全の面でかなり異なる振る舞いをします。見積がどちらを指しているのか確認してください。

フルストロークでの加圧力

これは油圧の構造的な利点であり、十分に議論されていません。

油圧シリンダは圧力とピストン面積の積に等しい力を出し、その関係はラムがどこにあるかを問いません。定格加圧力の 全量が、ストロークの始めでも終わりでも、その間のどこでも使えます。しかも 静的に も使えます。駆動側に熱の 代償なしに、圧力を保持したまま無期限に留まれます。

ねじ駆動のサーボ軸は、モータトルクをねじのリードを介して力に変えます。これも公称上は位置によらず一定です が、実務上の限界は異なります。速度 0 で大きな力を保持することは、冷却を助ける回転がないまま巻線に電流を 流すことであり、そのため連続定格の力は最大値より低くなります。ねじとナットの寿命は荷重と移動距離の積分で 決まるため、最大加圧力の近くで連続して使えば、半分の力で使う場合より速く駆動系を消耗します。そして駆動系 全体、すなわちねじ、ナット、軸受、フレームは最大値に合わせて設計しなければなりません。同じ加圧力定格で、 サーボ機のほうが製造費用が高くなるのはそのためです。

板厚 5–10 mm の薄い材料の平 曲げ では、この点が効くことはまずありません。機械の 能力上限に近い厚い材料の立て曲げ、すなわちバーが全断面で、金型が長い保持時間にわたって全面接触している 場面では、油圧シリンダは設計どおりの仕事をしており、ねじは無理をしています。

エネルギー — 差は待機時にある

負荷がかかっている間は、2 つの方式に大きな違いはありません。油圧系はポンプと弁の効率、そして流体摩擦で いくらか失い、サーボねじはモータ効率とねじの摩擦でいくらか失います。どちらの損失も全体を支配しません。

分かれるのは待機時であり、ブスバーの曲げは待機時間の長い工程です。作業者は曲げの合間にバーを持ち替え、 寸法を確認し、次の材料を取りにラックへ歩きます。従来型の油圧機械では、その間ずっとポンプが全速で回り、 流量をリリーフ弁に捨てて作動油を温めています。サーボポンプではモータが減速するか止まります。純サーボ軸 ではモータは保持電流しか引きません。

これを数値化するのは、販促資料が示唆するより難しいことです。可変速ポンプ駆動の供給業者は、固定速の装置に 対して 30–60 パーセントの省エネを主張するのが一般的で、最大 80 パーセントとするものもありますが、いずれも 「運転パターンによる」という但し書きがかなりの重さを担っています。これらはメーカー側の数値であり、ここで 独立に検証したものではありません。

独立に測定されたデータに最も近いものは、隣接する機械分野から来ています。米国の電力会社の事業で、油圧式と 全電動式の射出成形機を同等の部品で 1 週間並べて監視した結果、樹脂 1 ポンドあたり油圧機で 0.278 kWh、 全電動機で 0.073 kWh と報告されています。運転パターンの異なる別の工程であり、数値としてブスバーの曲げに そのまま移すべきものではありません。ここに挙げたのは、その 方向 とおおよその規模が、販促ではなく測定に よって裏付けられているからにすぎません。

自社の場合については、百分率を信用せず、計算してください。当社の両ヘッドとも設備容量は 6.25 kW です。 1 直の長さから、ラムが実際に負荷を受けて動いている時間を差し引き、残りを自社の産業用電力単価で評価して ください。稼働率が高くない 1 直の工場であれば、年間の差は購入の判断を左右しない程度に小さいのが通例です。 3 直のバスダクト工場では、投資回収の計算に現れる程度の大きさになります。しかもそこには、忘れられがちな 2 つ目の節約が付いてきます。作動油に入らなかったエネルギーは、クーラで取り除くために後から支払う必要のない エネルギーであり、夏に工場へ加えずに済む熱です。

精度と繰返し精度

両ヘッドとも電子式スプリングバック補正付きで ±0.1° と規定されており、これは販促上の偶然ではありません。 現代の機械では、位置決め精度を決めるのは測定系と制御ループであって、ラムを押すものではないからです。

方式によって異なるのは、そのループが何と戦わなければならないかです。

サーボねじでは、モータ位置とラム位置の関係が剛で、ほぼ線形です。主な誤差はバックラッシとねじのねじれで、 どちらも安定していて補正できます。油圧ラムでは、ポンプと負荷の間に油柱があり、油は圧縮性です。その剛性は 圧力、温度、混入空気によって変わります。ラム位置の閉ループはこれをまったく問題なく扱いますが、ループの 仕事は重くなり、動的応答は柔らかくなります。

実務上の差は、最終的な精度よりも、短く速い動きに現れます。サーボ軸は小さな指令増分からより速く整定し、 これは細かい角度修正を多く行うプログラムで効いてきます。ストッパに当てる 1 回の 90° の曲げでは、分度器で 両者を見分けることはできません。

スプリングバック補正は制御機能であり、両方とも CNC の中にあります。材料、質別、金型の組合せごとに記憶した 補正量から働くもので、アクチュエータの問題ではなく材料の問題です。これは ブスバー曲げにおけるスプリングバック補正 で別に扱って います。

騒音

従来型の油圧ユニットは、大半のブスバー工場で最も騒がしい対象物です。騒音はポンプが支配し、しかも連続音 です。同じレベルの断続音より疲れます。

可変速の油圧も純サーボも、これを大きく下げます。理由は同じで、ポンプが減速するか、そもそも存在しない からです。純サーボ機の待機時は事実上無音であり、負荷時の騒音は金型がバーに当たる機械的なもので、それは どの機械でも同じです。

デシベルの数値をここに挙げるつもりはありません。値は外被、据付、タンク、部屋、そして立つ位置によって 変わり、ひとつの数値には意味がないからです。騒音が制約になるのであれば、どのメーカーに対してであれ、 規定した距離と規定した運転パターンでの測定値を求めてください。拒否されたなら、それも答えです。

作動油と、その実際の費用

油圧には、曲げとは何の関係もない保全の流れが付いてきます。計画に沿ったフィルタ交換。油の分析、少なくとも 計画に沿った交換。ホースとシールの交換は計画できず、したがって常に都合の悪いときに来ます。補充し、清浄に 保ち、いずれ管理対象の廃棄物として処分しなければならないタンク。

この業界に固有の整理整頓の問題もあります。ブスバーはこの後、絶縁され、めっきされ、粉体塗装され、あるいは 封止されます。銅の表面に付いた油圧作動油のミストは、被覆の密着の問題になります。塗装ラインの隣で油圧曲げ機を 動かしている工場はこれをすでに知っており、脱脂の工程を持っています。大丈夫だろうと考える工場は、最初に 膨れの出たバーのロットで知ることになります。

ハイブリッド方式はこれを減らしますが、なくしはしません。作動油に入る熱が少なければ油の寿命は延び、交換 すべきタンクも小さくなりますが、シール、ホース、フィルタは依然としてあります。

純サーボ機は、これを別の、より短い一覧と交換します。ねじと案内面の潤滑、定期的なバックラッシの確認、そして いずれ来る駆動系のオーバーホールです。それはどの油圧整備よりも大きな 1 回の事象ですが、頻度ははるかに低く なります。

冷間始動

暖房のない工場では、過小評価されがちな違いです。

作動油の粘度は温度に強く依存します。冷えた油は動きが遅く、冬の朝に 5 °C で立ち上げた機械は、定常温度に 達した同じ機械とは違う振る舞いをします。サイクルタイムは長くなり、油柱とフレームが平衡に達するまで、 その直の最初の部品は角度がずれることがあります。通常の対処は暖機運転で、直の時間とエネルギーを消費します。 油圧の工場が休憩中も機械を回したままにしがちな理由のひとつがこれです。

サーボ軸にはこれに相当するものがありません。グリースの粘度はわずかに変わり、フレームは他の工作機械と同様に 熱で動きますが、体積弾性率と粘度が制御ループの中にある作動流体は存在しません。1 個目からより正しい値に 近くなります。

ハイブリッドはその中間で、この点では従来型の油圧寄りです。依然として油があるからです。ただし量は少なく、 高温で過ごす時間も短くなります。

費用

価格を公表するつもりはありません。価格比を示す記事はどれも、読み手の仕様、国、そして年について当て推量を しています。示せるのは費用の形です。

同じ加圧力定格での購入価格は、純サーボ、ハイブリッド油圧、従来型油圧の順に高いのが通例です。全加圧力に 合わせて設計されたねじ駆動系は、高価な金属だからです。

エネルギー費用は逆で、稼働率と電力単価に比例します。稼働率が低ければ会計上の誤差の範囲であり、3 直の稼働と 欧州や日本の電力価格ではそうではありません。

保全費用は、油圧では計画的で小さく反復する額、サーボでは計画外で大きく、まれにしか来ない額です。どちらを 好むかは、一部は財務上の問題であり、一部は保全部門を持っているかどうかの問題です。

お金があるのはたいてい停止時間で、これはどちらの方式にも一貫して有利には働きません。油圧機械は徐々に 劣化して捕まえられる故障要素を多く持ちます。サーボ機は故障の様式が少ない一方、ドライブやねじが実際に 故障したときの部品調達期間が長くなります。

判断規則

次のいずれかに当てはまるなら、純サーボヘッドを選んでください。2 直または 3 直で高い稼働率で運転している。 製品構成が、サイクルタイムと整定時間の効いてくる、繰り返しの多い中小の曲げに支配されている。作動油が 邪魔になるクリーンな環境、あるいは塗装工程に隣接した環境にある。騒音が制約である。あるいは能力範囲の 薄い側にいて、機械を加圧力の限界近くで使うことは決してない。

次のいずれかであれば、ハイブリッド油圧ヘッドを選んでください。能力の上限で日常的に作業している、とりわけ 厚い材料の立て曲げと長い保持時間がある。運転が波状で、重い作業の期間が待機時間で区切られている（これは まさにサーボポンプが想定している使い方です）。すでに油圧に習熟した保全部門がある。あるいは従来型の油圧 ユニットの待機電力を負担せずに、油圧の力の振る舞いが欲しい。

機械の使用頻度が低く、設備投資予算が拘束条件であり、上のいずれも当てはまらないなら、従来型の油圧を選んで ください。

最もよく見る失敗は、方式の選択を誤ることではありません。加圧力定格だけで選び、材料のばらつきが想定より 広かったと後で気づくことです。焼なまし銅では余裕のあった機械が、硬質材では限界にあるという事態です。 EN 13601 は硬質銅を引張強さ 290–360 N/mm²、軟質焼なましを 220–260 N/mm² と しており、曲げに要する力としては相応の差です。駆動系を比較する前に、実際に購入する最も硬い材料と最も厚い 断面が何を要求するのかを、曲げ力計算ツール と、公称値ではなく自社の 最悪条件のバーを使って求めておいてください。