background image

  

 

E x e r c i s e  nr 12 

 

Measurement of machine tool power loss with load 

and total efficiency of machine tool 

 

Aim  of  classes  is  learning  reasons  of  machine  tool  power  losses  in  multistage  power  transmis-

sion system and measurement methods of power losses at work without load and total efficiency  of 

machine tool for example lathe. 

1. Introduction 

Either of machine tool diagnostic signals with many information about machine tool condition is 

power  loss  of  kinematic  chain.  Value  of  power  loss  depends  first  of  all  on  kinematic  chain  length, 

types and chain elements quantity. For every specimen of machine tool value of power loss depends 

on assembly quality, work conditions and wear degree of chain elements. Periodic control of power 

losses are necessary when machine tool is new, after repairs and during inspections. Increase of pow-

er  losses  in  kinematical  chain  can  be  a  symptom  of  incorrect  assembly  quality,  abnormal  lubricant 

conditions and wear degree. 

 

2. Sources of power loss in machine tools – energy balance 

Watt power which is lost during work without a load is a sum of losses in kinematic chain of en-

gine drive. This power is necessary to support movement without cutting forces. During machine tool 

work with load, spindle useful power is lower than electric energy consumed from the network. Pow-

er losses in electric engine of machine tool are represented by total efficiency coefficient. 

Sources of the main power losses in machine tool are stages in the kinematic chain from electric 

engine  to  spindle.  These  are  mostly:  engine,  belt  transmission,  toothed  gear,  clutch,  brake,  bearing 

and all rotate elements. In another machine tools it could be for example toggling mechanism (slot-

ting  machine  -  slotter),  feed  mechanism:  screw  –  nut,  toothed  wheel  –  toothed  bar,  shears  etc.  Be-

sides, electric power that is also consumed for supportive devices like oil pump, cooling pump, chips 

conveyor,  store  tools,  devices  for  automatically  tool  change,  palette  changer,  workplace  lighting, 

drive of rate of feed, auxiliary drive  (rotation of tool head), power of control devices, lightening  of 

service elements etc. 

Sources of machine tool principal motion are usually electric engines, mainly: squirrel-cage mo-

tor,  asynchronous  three-phases  motor  or  direct-current  shunt  motor.  Old  machine  tool  types  have 

usually use asynchronous motors. CNC machine tools are equipped in direct-current motors because 

of possibility to easy rotation speed change. Recently, more and more asynchronous drives are used 

again, but with modern supply control, that gives possibility to easy modify parameters of alternating 

current (AC) – voltage and frequency. 

background image

In case of asynchronous motor power, the main sources of power losses are: induction losses in 

stator and rotor winding, mechanical losses in motor bearings and drive  of cooling fan. Mechanical 

and induction losses are independent of load. For example, asynchronous motors power losses can be 

counted: 

(

)

+

+

=

2

.

.

100

1

25

75

,

0

0075

,

0

75

,

0

2

k

P

P

nom

mot

η

η

 

(1) 

where: 

P

mot.

 [W] – total power losses in asynchronous motor, 

P

nom.

 [W] – nominal power of motor, 

η

 [%] – motor efficiency measured with nominal load 

k – coefficient of motor load. 

.

.

nom

absorb

P

P

k

=

 

 

 

P

absorb.

 [W] – motor absorbed power 

 

Nominal load (P

nom.

) of machine tool engine is defined as a maximum power that theoretically 

can be supplied in endless time without causing any damage (overheating dangerous). Asynchronous 

motor efficiency changes as coefficient „k” changes. Coefficient of motor load characteristic is 

shown at figure 1. Motor maximal efficiency is achieved with k = 0,75. Efficiency goes to zero when 

motor is overloaded, which results in stopping the rotor rotations. Lined section on figure 1 shows 

range values of coefficient k. This value depends on type and on size of a motor. 

 

Pic. 1. Coefficient of asynchronous motor efficiency dependence for load coefficient. 

 

Power losses of DC shunt motor can be estimated by equation: 

load

i

Fe

m

c

P

P

P

P

P

+

+

+

=

 

 

 

 (2) 

where: - 

P

m

 – mechanical losses, 

 

 - 

P

Fe

 – losses in iron sheets, 

 

 - 

P

i

 – induction losses, 

 

 - 

P

load

 – losses with load. 

background image

Sum of mechanical losses (

P

m

) and losses in iron sheets (

P

Fe

) is called loss without a load.  

Dielectric losses are omitted it this formula, since their value is negligibly small if comparing other 

loss components. Mechanical losses result from bearings friction, commutator and bush friction, rotor 

and air friction, and cooling losses. 

Losses which are dependent on load are losses in stator 

P

t

 and losses on bushes 

P

bu

, where: 

 

 

 – electric power in armature and armature resistance, 

 – bushes voltage drop. 

Conventional  machine  tools  usually  use  V-belt  transmissions,  while  CNC  machine  tools  are 

equipped in toothed belts more often. 

Losses in belt transmission are caused by bending on pulley or by belt slip. 

Belt slip is unavoidable  and it equals about 1-2%.  If machine tool is overloaded then belt slips 

more and it is cause of fast wear. 

To minimize energy losses in belt transmission, the most favorable belts ratio is 1:1. Additional-

ly, a belt should not be too thick. It is better to use several thin belts then to use a thick one. Energy 

losses  depend  also  on  pulleys  diameter  and  their  preload.  In  multi  belt  transmission  systems,  addi-

tional losses are caused by little differences between every subsequent groove. 

 

 

Besides, other geometrical features of system elements have additional influence on power loss-

es, e.g. axis distance, mechanical properties of belts and assemble quality. 

Example of efficiency coefficient value for most important parameters in belt transmission with 

V-belt (proportion of pulley diameter to thickness of V-belt is shown in picture 2. Average value of 

efficiency coefficient is represented by a dashed line. Area surrounded by dashed line shows efficien-

cy for different belt pulls power and other parameters of belt transmission. 

 

AF 21/05/2013 – beginning 

background image

 

Gear  transmissions  can  be  found  nearly  in  every  complex  machine  drives.  The  efficiency  of 

these  mechanisms  is  high,  which  means  that  they  cause  small  power  losses.  Energy  losses  of  these 

kind  transmission  systems  are  caused  mostly  by  tooth  sliding  friction,  lateral  surfaces  deformation 

and by hydrodynamic losses (caused by presence of lubricants). The value of the losses results from 

material friction coefficient, surface roughness, lubricant viscosity and its distribution method, angu-

lar velocity of the wheels and their geometrical parameters, slip velocity and, generally, from the type 

of the transmission system. Another important factor to mention is the quality of assembly. 

The most common clutches and brakes in the principal motion drive chain are constant and re-

leasable  couplings.  In  case  of  constant  clutches,  energy  losses  are  caused  only  by  friction  between 

clutch material and the surrounding medium. In case of releasable mechanisms, energy losses prob-

lem is much more complex and depends, in first place, of clutch state (engaged/disengaged). For ex-

ample, engaged multi-plate clutches with mechanical activation mechanism are strongly affected by 

friction  in  activation  mechanisms  (thrust  bearings  and  fork  guides),  when  in  case  of  disengaged 

clutch  (no  load)  energy  can  be  lost  as  well  due  to  random  contact  between  clutch  plates.  The  latter 

can be a result of the incorrect balance of the clutch, defects in manufacturing or hydrodynamic fric-

tion  (lubrication).  Mechanisms  that  use  electromagnetic  activation  systems  instead  of  mechanical 

ones  can  also  differ  in  the  context  of  energy  loss.  Some  losses  can  be  caused  by  losses  in  winding 

(i.e. during coupling engaging), some by unexpected plates contact (as in the previous example). In 

electromagnetic devices a residual magnetism phenomenon can occur, which can demonstrate by ex-

cess  tightening  clutch  plates  even  though  the  voltage  from  the  windings  is  removed  (magnetical 

histeresis). Very often, in case of such situation, outer and inner part of a clutch have to rotate in re-

verse direction, which additionally increases energy losses. Lubrication can have a significant influ-

ence on energy losses too, especially for mulit-plate clutches working with no load. One should avoid 

centrifugal lubrication of a clutch – losses in this case can be even 20 times bigger then losses in a 

case  of  glazing  lubrication.  Obviously,  some  additional  losses  appear  during  engaging/disengaging 

coupling mechanism, however, these are only temporary and short-lasting and will not be taken into 

consideration in our analysis. 

 

Energy  losses  in  rolling-element  bearings  are  caused  by  rolling  friction  and  sliding  friction  be-

tween rolling elements and races or by hydrodynamic friction. The latter has the most significant im-

pact in case of large bearings working with high velocities, i.e. spindle bearings. 

The resultant value of losses in bearings is affected by bearing type and its construction, geometrical 

dimensions, angular velocity, load, amount and viscosity of used lubricant. This relation can be ap-

proximated by the following equation: 

   W

,

)

(M

N

9,55

n

1

h

³

M

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

(5) 

background image

Where: 

M

h

 – hydrodynamic frictional moment, in [Nm]; equals  M

10,66 f (10

  n)

d

h

0

6

2/3

m

3

=

⋅ ⋅

ν

M

1

 – frictional moment, in [Nm], originating from a load; equals: M

1

=f

p

·P

0

·d

n – angular velocity in [RPM],  

f

0

 – coefficient depended from bearing type and lubrication, 

ν

 - kinematic viscosity of used oil, depends from temperature, in [m

2

/s], 

d

m

 – bearing diameter, in [m], 

f

p

 – coefficient depended from bearing capacity and applied load, 

P

0

 – bearing load, in [N]. 

 

Moreover, any rotating elements in general can cause energy losses in a machine tool. Value of 

these losses depends on geometrical dimensions of spinning elements, their shape and velocity. Ex-

cept from drive chain elements described above, there can be more parts affecting machine efficien-

cy. One should remember that besides principal motion drive, there may be several auxiliary devices 

mounted on the machine tool, which consume supplied energy as well. Obviously, they do not have 

to participate in motion transfer from an engine to a tool, but can be used to perform additional activi-

ties, not related with tooling directly. 

Basically, energy losses in principal motion chain depend from many factors like i.e. number and 

type of chain elements, their angular velocity, precision of manufacturing, engineering fit type, as-

sembly precision, temperature, method of lubrication, etc. In case of simple kinematic chains losses 

are usually increased with the increase of spinning velocity. This dependence is, however, not appli-

cable to complex systems made of many simple elements. Analysis of such systems is much more 

difficult, since velocity of given parts usually differs, depending on their location in the chain. 

As a result of described losses, some of supplied electrical power is diffused in the kinematic 

chain and only the remaining part can be used effectively for tooling. In order to simplify the analysis 

of the problem, usually more general approach to machine tools efficiency is used. It is assumed that 

supplied electrical power is divided into effective power, power of losses in an engine and power of 

losses in drive system. Subsequently, for purpose of analysis, losses are then divided into two groups: 

power losses while working with a load and power losses while working without a load. The first 

group is, obviously, independent from a load. The second group can be usually characterized by line-

ar relation between energy losses and a load. Electrical power can be therefore described by the fol-

lowing equation: 

N

el 

= (N

ls

 + N

ld

) + (N

l

 + N

d

) + N

ef 

 

Where: 

- N

ls

 – power consumed by engine with no load,  

- N

ld

 – additional losses in engine if load is applied (mostly electrical losses), 

background image

- N

l

 – power consumed to compensate forces in transmission system with no load, 

- N

d

 – additional losses in transmission system if load is applied (increase linearly with a load), 

- N

ef

 – effective power of the machine tool. 

 

Energy  losses  in  the  elements  of  a  drive 

chain can be  easily represented on a Sankey di-

agram  (energy  flow  diagram).  An  example  of 

such  a  diagram  for  TUR-50  lathe  drive  (spindle 

velocity  =  1800  rpm)  is  shown  in  pic.  3.  The 

lathe’s  drive  consists  of  bipolar  asynchronous 

motor of nominal power = 6 or 11 kW, nine-step 

reducer  with  reversing  switch,  belt  drive,  gear 

transmission (two on three shafts) in a headstock 

and a spindle. The diagram shows quantitive and proportional flow of power consumed from the 

network and distributed to each part of the chain during while working without a load. Attention 

should be paid especially on a spindle bearing due to its huge power consumption (almost 50%). 

 

3. Conditions of measurement  
 

Power loss determination with no-load and the overall efficiency of the machine are the sub-

ject of Polish standard no. PN-66/M-55606, which is still valid. This document gives a  general 
rules of measurement, it says that: it is required to use class 0.5 or 0.1 wattmeters, class 0.5 volt-
age  transformers    and  class  0.5  or  0.1  voltmeters  and  ampremeters  as  well.    The  measurement 
ranges  of  these  instruments  should  be  selected  in  the  way  that  during  measurement  the  pointer 
deflection was in between half to full-scale range. The standard gives also the directions of prep-
aration  the  machine  tool  for  measurement.  The  measurements  should  be  done  on  the  machine 
which is fully assembled, placed on the solid basis, connected to the network and has enough of 
lubricants  in  places  that  need  to  be  lubricate.  On  the  spindle,  permanently  mounted  equipment 
only should be left.  In the protocol it is required to provide what kind of additional mechanisms 
are  driven  by  the  engine  of  kinematic  spindle  system  such  as  lubrication  pump,  cooling  pump, 
feed box (if it is not possible to disconnect) and others. 

The measurement needs to be made in specific heat conditions, according to the normal work 

environment    of  the  machine.  The  ways  to  achieve  thermal  equilibrium  are  determined  by  the 
machine manufacturer. It is believed that the machine has reached thermal equilibrium, when the 
change  of  the  oil  temperature  in  the  characteristic  point  (usually  the  front  bearing  node  of  the 
spindle), or a change of the power consumption does not exceed 2% in the last 15 minutes of op-
eration. The standard gives also the dependences which are required to determine the moment of 
the spindle load, its effective, electric power and efficiency. The document shows the sequence 
of measurement, examples of the protocols from the measurement in form of  tables and charts 
that help to analyze and compare the results.  

background image

To  measure  the  consumption  power    of  the  asynchronous  engine  with  the  spindle  load  and 

with  no  load  as  well,  the  one,  two  (Aron’s  systems)  or  three  wattmeters  can  be  used.  Using  of 
one  wattmeter  assumes  the  equal  load  of  all  the  phases,  then  the  one  of  the  phases  power  is 
measured and the result needs to multiplied by 3. In case of non equal load of phases the meas-
urement result can be incorrect. The diagram of measurement system is presented on Picture 4a.  
The principal is to follow the rule that  the wattmeters  need to be switched on between "B"  fus-
es and  "ST" contractors  of electric power machine system. The  coil of wattmeter current (indi-
cated by thick broken line) needs to be switched in series into the selected phase such as "R", and 
the voltage coil (fine broken line) needs to be switched between this phase and neutral conduc-
tor. The standard mentioned above does not recommend this method of power measurement.  It 
can  be  used  only  for  the  initial  measurements  and 
landmarks.  
 

The  Aron’s  system  uses  two  wattmeters  to  meas-

ure the power consumed by the engine. The diagram 
of the connection is presented on Picture 4b. W1 and 
W2  coils  of  wattmeter  current  need  to  be  switch  in 
series  into  two  selected  phases  of  the  power  (e.g.  R 
and S on the Picture 4b), while the voltage coils  ac-
cordingly  between  these  two  phases  (R  and  S)  and 
the  third  phase  (T),  which  is  not  connected  to  the 
current coil.  In case of this measurement the neutral 
conductor  is  not  used.  Then  the    total  power  con-
sumed by the engine is the sum of the power indicat-
ed by both wattmeters. If one of the wattmeters indi-
cates the negative strength, you should change the di-
rection of current flow through the coil, read indica-
tions  of  the  wattmeter  and  add  to  the  indications  of 
the second wattmeter, but with the negative sign. 
 The system with three  wattmeters (Pic. 4c)  requires 
an access to the neutral conductor. It is a three times 
replicated  system,  which  is  presented  on  Picture  4a. 
Then  each  of  wattmeters  measures  the  power  con-
sumption  from  the  one  phase  and  the  total  power  is 
the sum of the results of each device.  

To  read  the  power  of  the  wattmeters,    it  is  required  to  determine  the  “constant”  of  each  of 

them. The constant is the ratio of the current and voltage coil range and the number of plots on 
the scale of the wattmeter. Measuring ranges of the coils need to be read from the wattmeters. 

  It  is  crucial  to  remember  that  during  the  start  of  machine  the  engine  takes  more  of  current 

than during determined working time. To prevent the damage of wattmeters, during acceleration 
and deceleration, the current coils of wattmeters need to be bypassed, to protect them against the 
overload. The wattmeters situated on the desktop, usually have the switches or plugs used to by-
pass the current coils. 
 

AF 21/05/2013 - end 

 

 

 

Pic.4. The diagrams of wattmeters connections 
for the measurement of power: a) with one watt-
meter, b) in  Aron’s system, c) with three wattme-
ters 

 

background image

Wrocław University of Technology  

 

Name and surname

. . . . . . . . . . . . . . .

 

                  I n s t y t u t   

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

Technologii Maszyn i Automatyzacji  

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

 

 

Year 

. . . . . . . 

Lab group 

. . . . . . . . . .

  

Exercise     nr 4 

Exercise data 

. . . . . . . . . . . . . . . .  

 

Measurement of machine tool power loss with load 

and total efficiency of machine tool 

1. Testing equipment: 
 

1.1. Wattmeter 

 

1.2. Tachometr 

 

1.3. Lathe TUD-50 

 

4.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

2. Tables with measurement results 
 

2.1. Measurement of machine tool power loss without load 

Ord. 

number 

First gear of engine (n

nominal

=710 rpm) 

Second gear of engine (n

nominal

=1440 rpm) 

n

spindle

 

∆P [W] 

n

spindle

 

∆P [W] 

Constant 

of wattme-

ter 

Graduations 

i 

c×i 

Constant 

of wattme-

ter 

Graduations 

i 

c×i 

[rpm] 

[W/unit] 

[units] 

[W] 

[rpm] 

[W/unit] 

[units] 

[W] 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

13. 

14. 

15. 

16. 

17. 

18. 

18 

22,4 

28 

35,5 

45 

56 

71 

90 

112 

140 

180 

224 

280 

355 

450 

560 

710 

900 

 

 

 

35,5 

45 

56 

71 

90 

112 

140 

180 

224 

280 

355 

450 

560 

710 

900 

1120 

1400 

1800 

 

 

 

background image

 

2.2 Measurement of lathe total efficiency. 

On. 

n

spind. 

Measurement of electric power P

el

 [kW] 

Effective power P

eff

 [kW] 

Efficien-

cy [η

0

P

[W] 

P

2

 [W] 

1000

P

Σ

 

Breake 

Con-
stant 

Current 

intensi-

ty 

Out-

put 

torque 

 

P

eff

 

el

eff

P

P

 

[rpm

Wattm. 

const 

unit qu-

antity  

c×i 

wattme-

ter con-

stant 

Quanti-

ty unit 

c×i 

M=c×I 

9555

WR

n

M

 

 

[Nm/A] 

Nm 

[kW] 

[%] 

[W/unit

[units] 

[W

[W/unit] 

[units] 

[W

[kW

 

 

 

 

 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

13. 

14. 

15. 

16. 

17. 

18. 

19. 

20. 

21. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Type of machine tool ……………………………, 2. Symbol of machine tool ……………, 

3. Fabrical number and production year …………………………, 4. Producer …………, 

5. Main engine: type ………………………., fabrical number ………………………………, 

power rating ……………………………, rated rotational speed ……………………………, 

6. Machine tool working hours quantity ………………………., from last remount ………, 

7. Electrical measurement devices: wattmeter (type/firm) …………………………………, 

8. Ambient temperature ………………………, 9. Date of measurement: …………………, 

10. measurement did: ………………………… 

background image

3. Power losses of machine tool versus spindle rotation speed without load 

 
 
4. Total efficiency of machine tool versus effective load 

 
 
 
5. Conclusions 
 

 

 

 

 

18           28          45          71          112       180        280       450         710       1120      1800 [rpm] 

   2 
kW 
 
 
 1,5 
 
 
 
   1 
 
 
 
 0,5 

Spindle rotation speed n

spind. 

P

o

w

er

 l

o

ss

es

  

P

 

75 
 
 % 
 
  
 
 50 
 
 
 
 
 25 

      1                          2                           3                          4         [kW]          5 

Effective power of machine tool 

T

o

ta

ef

ic

ie

n

cy