Tcnicas de eficincia energtica no processo de usinagem: uma reviso

Autor: Zhang Yingjie

Acadmicas: Bruna Cristina Schreiner Rbia ValenteUNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN - UTFPR Curso de Engenharia MecnicaLaboratrio de Usinagem LabUsDisciplina de Usinagem CNC US28MC

RESUMO

O artigo apresenta uma viso geral em tcnicas de eficincia energtica no domnio da fabricao de peas, incluindo modelos de avaliao, anlise de eficincia energtica de mquinas-ferramentas, componentes, e sistemas de usinagem. O principal objetivo revisar os trabalhos j existentes relacionados reduo do consumo de energia nos processos de usinagem, para discutir os desafios na produo eficiente de energia, bem como identificar as principais barreiras de ambas as tecnologias e abordagens.

Palavras-chave: Manufatura, eficincia energtica, monitoramento de energia, processo de usinagem.

INTRODUO

A indstria de manufatura tem desempenhado um papel vital na economia global. Infelizmente, os processos de fabricao causam impactos mensurveis no ambiente devido quantidade significativa de consumo de energia.

Melhorar a eficincia energtica em sistemas de usinagem poderia reduzir significativamente o impacto ao meio ambiente. Por isso, estudos sobre sistemas eficientes de energia na usinagem tornou-se um assunto to pertinente nos setores de fabricao.

Por ser uma das tcnicas mais importantes de produo, e que demanda uma grande quantidade de energia, o processo de usinagem tem recebido ateno especial, apesar da anlise de energia ainda ser uma questo relativamente nova.

O objetivo deste trabalho concentra-se em analisar as tcnicas existentes de eficincia energtica em processos de usinagem, discutindo os desafios futuros e identificando as principais barreiras de ambas as abordagens e tecnologias.

2. Tcnicas de modelagem de energia para o processo de usinagem

Os modelos de consumo de energia de mquinas-ferramentas tm sido estudados por diversos autores [3-5]. As metodologias de modelagem de eficincia energtica de sistemas de usinagem podem ser divididas em trs diferentes nveis: Nvel de mquinas-ferramenta, nvel de componente e, nvel de sistema.

2.1) Modelo de consumo de energia de mquinas-ferramentas

Trabalhos mais antigos caracterizavam o uso de energia de usinagem com base na energia especfica de corte. Embora fosse til, ela exclua elementos importantes de operao que contribuam para o consumo total de energia durante a usinagem, como demandas de energia vindas da unidade hidrulica, bombas de leo, dispositivos de refrigerao e dispositivos perifricos.

Filippi e Ippolito [3] analisaram os dados envolvidos em vrias operaes de dez mquinas-ferramenta diferentes NC, e os seus resultados mostraram que a energia necessria dessas mquinas durante a usinagem era significativamente maior do que a energia terica necessria para a formao de cavacos.

Draganescu construiu um modelo baseado em dados experimentais, utilizando metodologia de superfcie de resposta para estimar a eficincia da mquina-ferramenta e consumo de energia no processo de corte [7]. Neste modelo, o consumo de energia no processo de usinagem foi expresso em funo da potncia, da eficincia, e da taxa de remoo de material.

Dahmus e Gutowski monitoraram o consumo de energia de mquinas-ferramenta [8]. Eles assumiram que o consumo total de energia de uma mquina dependia de trs operaes: start-up constante, tempo de execuo, e de corte. Concluram que o consumo de energia na operao de corte toma uma porcentagem muito pequena do consumo total de energia de toda a mquina.

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Notando as diferenas de demanda de energia de uma mquina nos perodos em que opera com carga e sem carga, Gutowski [9] props um modelo matemtico para o clculo do consumo de energia de mquinas-ferramentas, dado pela equao (1):

P = P0 + k

Onde P o consumo de energia da mquina durante a usinagem, P0 a potncia necessria da mquina durante o funcionamento sem carga, o que normalmente chamado de "demanda de energia de base," k um coeficiente que reflete a quantidade de energia necessria por metro cbico, para a operao de corte, e a velocidade de corte.

O consumo de energia no processo de usinagem pode ser determinado atravs da converso da equao (1) na equao (2):

E = (P0 + k)t

Onde t o tempo gasto na operao de usinagem em segundos. Pode notar-se que P0 domina o consumo direto de energia no processo de usinagem.

Na sequncia do trabalho de Gutowski [9], uma abordagem de avaliao do uso de energia eltrica foi proposta, de modo que a energia consumida pelos mdulos, unidades auxiliares e cdigos de mquina em processo de usinagem pudesse ser obtida. De acordo com sua concluso, a energia de corte real representa apenas 15-25% do consumo total de energia em mquinas-ferramentas mais sofisticadas como o CNC.

2.2) Modelo de energia necessria para componentes perifricos ou subsistemas

Em mquinas numericamente controladas, os componentes de suporte consomem mais de 30% de percentual de consumo total de energia.

Por exemplo, a distribuio de consumo de energia dos componentes de suporte de um centro de usinagem em trs turnos de operao dado na figura 1.

Figura 1) Consumo anual de energia de componentes de suporte em trs turnos

Percebe-se que o fornecimento de fluido refrigerante para a mquina-ferramenta um dos componentes com o maior consumo de energia durante a usinagem.

O consumo total de energia no processo de usinagem pode ser definido atravs da equao (3):

E total = E processo + E perifrica

Onde E processo a energia necessria para o processo fsico, e E perifrica uma energia adicional consumida por outros componentes de suporte. A energia de processo altamente dependente da mecnica do processo, por exemplo, tamanho e material da pea de trabalho, ambiente operacional da mquina-ferramenta, etc.

A energia adicional consumida pelos componentes perifricos (E perifrica) pode ainda ser dividida em duas parte, de acordo com a equao (4):

E perifrica = E elementar + E carga

Onde a energia elementar (E elementar) depende do tipo de mquina-ferramenta utilizada e a energia de carga (E carga) depende da operao de usinagem, e varia com a resistncia de corte.

Outros estudos previstos na literatura tambm focam na busca de diferentes abordagens de monitoramento para determinar o consumo de energia causada por mquinas-ferramentas e os vrios dispositivos perifricos.

2.3) Modelo de consumo de energia para o sistema de usinagem

A maioria dos estudos apresentados na literatura tem como foco a modelagem, medio e anlise de eficincia energtica nos sistemas de usinagem.

Fysikopoulos avaliou e comparou a quantidade de energia necessria de uma perfurao a laser em dois subsistemas [15]. Relatou que uma caracterstica comum de quase todos os processos de usinagem (convencionais e no convencionais) que, mesmo quando a mquina est inativa, ela consome cerca de 50% da sua potncia mxima.

Para controlar o consumo de energia na fase de planejamento do processo, Srinivasan e Sheng apresentaram uma abordagem baseada no recurso de fabricao [19] em que o processo de planejamento tradicional dividido em duas fases: micro-planejamento e macro-planejamento.

No estgio de micro-planejamento, o processo de operao, parmetros, ferramentas, fluidos de corte, so selecionados para as caractersticas de produo individuais, para que o consumo de energia possa ser caracterizado apenas pela energia de remoo dos cavacos, enquanto na fase de macro-planejamento, as interaes entre os recursos so examinados.

Para analisar o potencial de um sistema de usinagem no aspecto de melhoria de eficincia energtica, dois tipos de equipamentos de fabricao foram estudados por Devoldere [20]. Para estimar a energia necessria de atividades de fabricao, eles dividiram o tempo total gasto no processo de usinagem em tempo produtivo e tempo improdutivo. A relao entre o consumo de energia e de cargas em um sistema de usinagem foi estudada a fim de melhorar os equipamentos para as diferentes cargas.

3 - Tcnicas de monitoramento de energia para o processo de usinagem

Para reduzir o consumo de energia de mquinas-ferramentas o monitoramento de energia precisa ser desenvolvido para caracterizar a energia consumida.

Para determinar com preciso o consumo de energia no processo de usinagem, necessrio medir os consumos de energia de todos os componentes, que incluem robs, mquinas-ferramentas e seus componentes perifricos, como computadores, trocador automtico de ferramentas, bombas de refrigerao, etc.

Uma abordagem comum monitorar a energia consumida atravs da medio de energia de corte com sensores de torque ou dinammetros. Alguns estudos concentraram-se na medio do consumo de energia da mquina-ferramenta como uma base para a identificao de potenciais de otimizao.

Tcnicas de monitoramento

Vijayaraghavan e Dornfeld propuseram uma abordagem automtica de monitoramento de energia para mquinas-ferramentas, utilizando tcnicas de processamento de fluxo.

Pang desenvolveu um algoritmo de processamento de dados de energia em tempo real para identificar os diferentes estados de operao para reduzir o nmero de sensores necessrios.

Mquinas de estados finitos foram utilizadas para modelar o processo de operao, um quadro foi desenvolvido para classificar os dados de energia em tempo real para auditoria energtica e programao da mquina. O processo de classificao executado por duas etapas. Em primeiro lugar, os dados medidos so processados para eliminar o rudo e preservar as caractersticas importantes. Posteriormente o padro de consumo de energia gerado usando o algoritmo de agrupamento.

Hoje em dia vrios dispositivos so utilizados na indstria para o monitoramento de energia, o que pode contribuir nas informaes relacionadas ao processo contextual de dados de energia bruta. A fim de economizar energia, reduzir custos e aumentar a confiabilidade, as tecnologias de redes inteligentes so muito teis para analisar a gerao de energia, transmisso e distribuio.

4 - Estratgias de reduo de energia para processos de usinagem

De acordo com os nveis de pesquisa e tcnicas utilizadas em estratgias de reduo de energia, os esforos podem ser classificados em trs grupos: melhoria das funes mquinas-ferramentas para a seleo de tarefas especficas, otimizao das condies de usinagem como os parmetros de corte e a reconfigurao dos sistemas de usinagem.

4.1 Funes de mquinas-ferramentas para melhorar a eficincia energtica

Os processos de usinagem causam impactos visveis sobre o meio ambiente devido ao grande consumo de energia, reduzir o consumo se torna muito importante no processo de usinagem. Para isso os fabricantes de mquinas-ferramenta podem otimizar as funes de mquinas.

A reduo do consumo de energia pode ser alcanada atravs da reconfigurao mquinas-ferramentas que baseada na modularidade da estrutura, software e hardware, que se torna mais fcil para ajustar-se a diferentes demandas.

A refrigerao de mquinas-ferramenta um dos componentes com o maior consumo de energia durante a usinagem. Existe varias maneiras de reduzir a energia necessria para a refrigerao de mquinas-ferramentas, uma das principais formas de economizar energia para refrigerao diminuir a exigncia dos lubrificantes, mantendo um resfriamento mximo e efeito lubrificante. Elas incluem a quantidade mnima de lubrificao, sistema de abastecimento de leo gota direta e aumento do ciclo de vida de lubrificantes.

4.2 Otimizao de condies de usinagem para a eficincia energtica

O consumo de energia reduzido se os parmetros de corte adequados forem selecionados durante a usinagem.

Chen elaborou um algoritmo para determinar parmetros de corte ideal com restries especificadas, que incluem a fora mxima tangencial quebra da ferramenta, a taxa de alimentao mxima e a profundidade mxima de corte.

Considerando que o tempo de usinagem uma varivel importante para o consumo de energia, ele pode ser avaliado utilizando o tempo de usinagem como critrio de avaliao. Nafis desenvolveu um algoritmo para otimizao de parmetros de corte de fresagem, em que o menor tempo de usinagem definido como um critrio de avaliao para a otimizao de parmetros de corte.

4.3 A reconfigurao de sistemas de usinagem para a eficincia energtica

Mquina reconfigurvel uma tecnologia emergente que oferece vantagens promissoras, tais como maior flexibilidade e reduo do tempo de comercializao para aplicaes de mquinas-ferramenta. No entanto, para atender as fortes restries oramentrias de energia, as abordagens existentes de mquinas-ferramentas reconfigurveis precisam ser melhoradas para ter em considerao a eficincia energtica.

Para isso preciso identificar o local responsvel pela perda de energia: na mquina-ferramenta, nos componentes ou nos ajustes de parmetros.

5 - Desafios para produo eficiente de energia

A produtividade frequentemente defendida para avaliar o consumo de energia por produo de peas em indstrias de manufatura. No entanto, uma vez que h um grande nmero de equipamentos ou dispositivos de consumo de energia a avaliao do consumo em um sistema de usinagem uma questo desafiadora.

Em resumo a eficincia energtica deve ser adicionada como um critrio para as tcnicas ideais existentes nos sistemas de usinagem, e a avaliao de energia pode ser realizada por meio de modelos de recursos. Alm disso, a sinergia entre o custo mnimo e solues mnimas de energia poderia ser obtida nas indstrias..

6. CONCLUSO

Este artigo apresentou uma viso geral sobre os avanos recentes nas tcnicas de eficincia energtica para sistemas de usinagem.

A economia de energia pode ser alcanada atravs da melhoria dos sistemas de usinagem, tcnicas de otimizao dos processos focam em atividades para reduzir o desperdcio de energia otimizando o uso de materiais e parmetros de corte, reduzindo o consumo de fluido de corte, etc.

muito importante para empresas modernas de manufatura projetar rapidamente, construir, ou reconfigurar um sistema de produo com economia de energia e de custo, para manter a capacidade competitiva no aumento da concorrncia global.

Finalmente, nesta reviso, as deficincias e/ou limitaes nas abordagens existentes foram analisadas para identificar as principais barreiras de tecnologia. Alm disso, o potencial de uma melhoria significativa para a eficincia de energia no processo de usinagem foi apresentada, e alguns desafios foram identificados e sintetizados nesta rea.

7. REFERNCIAS

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