Como seguir com o crescimento da indústria, da economia e do consumo de energia de forma sustentável? No setor manufatureiro as máquinas-ferramentas são peças-chave nos processos de fabricação. Como saber se uma bomba, um motor ou outro elemento acessório é adequado para uma máquina-ferramenta específica? Normalmente, fabricantes se baseiam em sugestões dos fornecedores para selecionar tais elementos, o que resulta em um projeto ajustado pela experiência e por estimativas subjetivas, às vezes superestimando as dimensões do projeto por segurança. O objetivo deste trabalho é monitorar o consumo da energia elétrica durante a fase de uso da máquina-ferramenta, com o fim de explicar a demanda de energia em cada uma de suas tarefas, sugerindo diretrizes para o aperfeiçoamento do projeto desta nos seus componentes críticos. Esta dissertação apresenta uma cuidadosa revisão de livros e pesquisas anteriores, os quais direcionaram a etapa experimental. Assim, elegeu-se trabalhar em um centro de usinagem, o qual foi monitorado por um analisador de qualidade de energia. A metodologia experimental iniciou-se com a avaliação da eficiência energética da máquina-ferramenta em termos de fator de potência, a fim de trabalhar dentro dos parâmetros da legislação brasileira, e finalizou-se com o monitoramento do consumo de energia elétrica. Tal monitoramento foi feito em três cenários de usinagem: em vazio, a seco e com fluido, utilizando um mesmo plano de trabalho em todas as situações. Conclui-se que prognósticos de consumo de energia são possíveis se tempos e constantes do modelo apresentado são conhecidos para uma máquina-ferramenta específica, parâmetros que são influenciados pela experiência do operador. A medição do consumo de energia da máquina em vazio e com remoção permitiram conhecer o consumo de energia pela usinagem propriamente dita. Observou-se também que apenas a máquina-ferramenta consome 59% da energia total quando está usinando; as mudanças de velocidade não afetam o consumo de energia diferentemente da taxa de remoção de material; elementos auxiliares à usinagem não deterioram a eficiência energética da máquina, embora possam representar uma boa taxa percentual de gasto no consumo total; e a troca de ferramentas é mais eficiente na usinagem do que em vazio. / How to follow the growth of industry, economy and energy consumption in a sustainable way? In the manufacturing sector, the machine tools are key-parts in the processes. How can we know if a pump, an electric motor or another accessory element is adequate to a specific machine tool? Usually, the manufacturer relies on suggestions from suppliers to select those elements, resulting in a project adjusted by experience and subjective estimations, sometimes overestimating for security. The objective of the present work is to monitor the consumption of electric power during the useable phase, in order to map the energy demand in each of its tasks, thus suggesting guidelines for the improvement of the project to its critical components. This dissertation presents a thorough review of books and previous research, which has guided the experimental phase. Accordingly, it was chosen to work in a machining center, which was monitored by a power quality analyzer. The experimental methodology began with the evaluation of the energetic efficiency of the machine tool in terms of power factor, in order to work within the parameters of the Brazilian legislation, and ended up with electric energy consumption monitoring. Such monitoring was made in three machining scenarios: cutting air, cutting dry and with coolant, sing the same CNC workplan in all situations. The conclusions include that forecasting of energy consumption is possible if time and constants of the proposed model are known for a specific machine tool, parameters which are influenced by the experience gathered by the operator. The measurement of energy consumption during air cutting and removing material allowed to know the energy consumption of the machining operation itself. It was also observed that: the machine alone consumes 59% of the total energy when in operation; the energy consumption is not affected by speed changes, but by the material removal rate; auxiliary elements to the machining do not negatively affects the energy efficiency of the machine, although may represent considerable expenditure in total consumption; and, the exchange of tools is more efficient when removing material, than when air machining.

Como seguir com o crescimento da indústria, da economia e do consumo de energia de forma sustentável? No setor manufatureiro as máquinas-ferramentas são peças-chave nos processos de fabricação. Como saber se uma bomba, um motor ou outro elemento acessório é adequado para uma máquina-ferramenta específica? Normalmente, fabricantes se baseiam em sugestões dos fornecedores para selecionar tais elementos, o que resulta em um projeto ajustado pela experiência e por estimativas subjetivas, às vezes superestimando as dimensões do projeto por segurança. O objetivo deste trabalho é monitorar o consumo da energia elétrica durante a fase de uso da máquina-ferramenta, com o fim de explicar a demanda de energia em cada uma de suas tarefas, sugerindo diretrizes para o aperfeiçoamento do projeto desta nos seus componentes críticos. Esta dissertação apresenta uma cuidadosa revisão de livros e pesquisas anteriores, os quais direcionaram a etapa experimental. Assim, elegeu-se trabalhar em um centro de usinagem, o qual foi monitorado por um analisador de qualidade de energia. A metodologia experimental iniciou-se com a avaliação da eficiência energética da máquina-ferramenta em termos de fator de potência, a fim de trabalhar dentro dos parâmetros da legislação brasileira, e finalizou-se com o monitoramento do consumo de energia elétrica. Tal monitoramento foi feito em três cenários de usinagem: em vazio, a seco e com fluido, utilizando um mesmo plano de trabalho em todas as situações. Conclui-se que prognósticos de consumo de energia são possíveis se tempos e constantes do modelo apresentado são conhecidos para uma máquina-ferramenta específica, parâmetros que são influenciados pela experiência do operador. A medição do consumo de energia da máquina em vazio e com remoção permitiram conhecer o consumo de energia pela usinagem propriamente dita. Observou-se também que apenas a máquina-ferramenta consome 59% da energia total quando está usinando; as mudanças de velocidade não afetam o consumo de energia diferentemente da taxa de remoção de material; elementos auxiliares à usinagem não deterioram a eficiência energética da máquina, embora possam representar uma boa taxa percentual de gasto no consumo total; e a troca de ferramentas é mais eficiente na usinagem do que em vazio. / How to follow the growth of industry, economy and energy consumption in a sustainable way? In the manufacturing sector, the machine tools are key-parts in the processes. How can we know if a pump, an electric motor or another accessory element is adequate to a specific machine tool? Usually, the manufacturer relies on suggestions from suppliers to select those elements, resulting in a project adjusted by experience and subjective estimations, sometimes overestimating for security. The objective of the present work is to monitor the consumption of electric power during the useable phase, in order to map the energy demand in each of its tasks, thus suggesting guidelines for the improvement of the project to its critical components. This dissertation presents a thorough review of books and previous research, which has guided the experimental phase. Accordingly, it was chosen to work in a machining center, which was monitored by a power quality analyzer. The experimental methodology began with the evaluation of the energetic efficiency of the machine tool in terms of power factor, in order to work within the parameters of the Brazilian legislation, and ended up with electric energy consumption monitoring. Such monitoring was made in three machining scenarios: cutting air, cutting dry and with coolant, sing the same CNC workplan in all situations. The conclusions include that forecasting of energy consumption is possible if time and constants of the proposed model are known for a specific machine tool, parameters which are influenced by the experience gathered by the operator. The measurement of energy consumption during air cutting and removing material allowed to know the energy consumption of the machining operation itself. It was also observed that: the machine alone consumes 59% of the total energy when in operation; the energy consumption is not affected by speed changes, but by the material removal rate; auxiliary elements to the machining do not negatively affects the energy efficiency of the machine, although may represent considerable expenditure in total consumption; and, the exchange of tools is more efficient when removing material, than when air machining.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 1887121 bytes, checksum: 87cf54641c539882362cc0f679d7c951 (MD5) Previous issue date: 2011-04-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Machine tools play a key role in modern industrial production; therefore the technological development of machine tool industry has grown over the past decades. High Speed Machining (HSM) is widely used for machining complex and free form surfaces with high geometrical and dimensional accuracy. The spindle is one of the main items of a machine tool. Thus, it becomes necessary to know the influence levels of the main internal sources of heat in a machine tool. These sources basically derive from: transmission of electric engines; friction in drives and gear boxes; machining process (cutting, chip, workpiece); friction in bearings and guides. The dimensional and geometric accuracy of machined parts depends mainly on the performance of the spindle. To admit the idea of a holistic model, and then propose a possible optimization for a high-accuracy machining it is necessary to study and investigate the mechanical and thermal behaviour of the spindle. For that reason, this paper presents an analysis, based on the finite element method, of the mechanical and thermal displacements, as well as a determination of the critical speed of the spindle of the machine tool at high cutting speed. / As máquinas-ferramenta desempenham um papel fundamental nas produções industriais modernas, com isso o avanço tecnológico das indústrias das máquinas-ferramenta vem crescendo ao longo das últimas décadas. A usinagem com Alta Velocidade de corte HSM é largamente utilizada para usinagem de superfícies complexas e de forma livre com alta exatidão geométrica e dimensional. O eixo-árvore é um dos principais elementos de uma máquina-ferramenta. Então, se torna necessário conhecer o grau de influências das principais fontes internas de calor numa máquina-ferramenta. Estas provêm basicamente: Das transmissões dos motores elétricos; Dos atritos nos acionamentos e caixas de engrenagens; Do processo de usinagem (ação de corte, cavacos, peça); Dos atritos nos mancais e guias. A exatidão dimensional e geométrica das peças usinadas dependem principalmente da performance do eixo-árvore. Para que seja admitida a idéia de um modelo holístico, e então, propor uma possível otimização para uma usinagem de alta exatidão é necessário o estudo e a investigação do comportamento mecânico e térmico do eixo-árvore. Por isso, neste trabalho é apresentada a análise, baseada no método dos elementos finitos dos deslocamentos mecânicos e térmicos, bem como, a determinação da velocidade crítica do eixo-árvore da máquina-ferramenta em alta velocidade de corte (HSM).

Este trabalho apresenta uma Análise sobre os Comandos Numéricos Computadorizados de Arquitetura Aberta aplicado na automação de Máquina-ferramentas e no uso da manufatura. É realizado uma classificação das Arquiteturas Abertas (em relação ao hardware, software, funcionalidade e flexibilidade) e uma comparação entre os CNC\'s convencionais e os CNC\'s de Arquitetura Aberta. / This work presents an Open Architecture CNCs analysis. An Open Architecture classification using hardware, software, functionality and flexibility are presented. A comparison table with conventional CNCs and this new class of CNCs are elaborated.

Este trabalho apresenta uma Análise sobre os Comandos Numéricos Computadorizados de Arquitetura Aberta aplicado na automação de Máquina-ferramentas e no uso da manufatura. É realizado uma classificação das Arquiteturas Abertas (em relação ao hardware, software, funcionalidade e flexibilidade) e uma comparação entre os CNC\'s convencionais e os CNC\'s de Arquitetura Aberta. / This work presents an Open Architecture CNCs analysis. An Open Architecture classification using hardware, software, functionality and flexibility are presented. A comparison table with conventional CNCs and this new class of CNCs are elaborated.

Este trabalho tem seu foco na monitoração dos processos de usinagem das máquinas ferramentas sem a utilização de sensores dedicados à medição direta das grandezas mecânicas envolvidas no processo de usinagem em si. Assim sendo, optou-se por um método de medição indireta utilizando um estimador de potência e torque baseado nas grandezas elétricas na entrada de energia do motor de indução da máquina ferramenta. O núcleo central do trabalho consiste na medição de processos de usinagem utilizando um dinamômetro de alta precisão próprio para máquina ferramenta para obter os valores médios e os modos de vibração do processo máquina ferramenta-usinagem e fazer a confrontação com os mesmos dados obtidos pelo estimador de torque. A pesquisa realizada utilizou ferramentas clássicas de processamento de sinais, como é o caso da FFT, assim como duas poderosas ferramentas atuais, a transformada de wavelet (WT) e a transformada de Hilbert-Huang (HHT). Em adição foi utilizado um processo de otimização para a determinação dos parâmetros do motor de indução on-line baseado em uma metaheurística denominada busca de harmonia (Harmony Search HS) / This work focuses on monitoring the machining processes in machine tools without the use of dedicated transducers to directly measure mechanicals quantities of the machining process. The approached method used the option of measuring the power and torque through a estimator based in the electrical quantities in the input of the induction motor used by machine tool. The core of the work consists in the measuring the mechanical processes of machining using a high precision dynamometer specified to machine tool to get the average values of mechanical quantities and the vibration modes of the set machine tool-machining process, the objective is to compare the same data group got from dynamometer and estimator. The research data was based on classical analysis tool such as Fourier transform (FFT) and on modern powerful tools such as wavelet transforms (WT) and Hilbert-Huang transform (HHT). To refine the measuring process of average values of torque and power using the induction motor a method to estimates the motor parameters was added based on an optimization method named harmony search (HS).

Este trabalho tem seu foco na monitoração dos processos de usinagem das máquinas ferramentas sem a utilização de sensores dedicados à medição direta das grandezas mecânicas envolvidas no processo de usinagem em si. Assim sendo, optou-se por um método de medição indireta utilizando um estimador de potência e torque baseado nas grandezas elétricas na entrada de energia do motor de indução da máquina ferramenta. O núcleo central do trabalho consiste na medição de processos de usinagem utilizando um dinamômetro de alta precisão próprio para máquina ferramenta para obter os valores médios e os modos de vibração do processo máquina ferramenta-usinagem e fazer a confrontação com os mesmos dados obtidos pelo estimador de torque. A pesquisa realizada utilizou ferramentas clássicas de processamento de sinais, como é o caso da FFT, assim como duas poderosas ferramentas atuais, a transformada de wavelet (WT) e a transformada de Hilbert-Huang (HHT). Em adição foi utilizado um processo de otimização para a determinação dos parâmetros do motor de indução on-line baseado em uma metaheurística denominada busca de harmonia (Harmony Search HS) / This work focuses on monitoring the machining processes in machine tools without the use of dedicated transducers to directly measure mechanicals quantities of the machining process. The approached method used the option of measuring the power and torque through a estimator based in the electrical quantities in the input of the induction motor used by machine tool. The core of the work consists in the measuring the mechanical processes of machining using a high precision dynamometer specified to machine tool to get the average values of mechanical quantities and the vibration modes of the set machine tool-machining process, the objective is to compare the same data group got from dynamometer and estimator. The research data was based on classical analysis tool such as Fourier transform (FFT) and on modern powerful tools such as wavelet transforms (WT) and Hilbert-Huang transform (HHT). To refine the measuring process of average values of torque and power using the induction motor a method to estimates the motor parameters was added based on an optimization method named harmony search (HS).