Analisi e simulazione energetica di macchina utensile

In the last years problems linked to energy save have become very important in industrial field. A particular attention deals with environmental impact due to the use of energy resources in machine tools sectors. So the idea of energy use reduction in productive processes has been adopted. The goal of this work consists in submit and validate an approach of energy simulation for machine tools during their usage. Through a search about scientific articles in literature, dealing with energy consumption of machine tools, models for the prediction of energy consumption for machine tools have been researched. An approach of energetic modeling and simulation, developed by ITIA-CNR, has been adopted. This approach allows the estimation and the prediction of the energy consumption of a CNC work centre during the execution of a generic milling operation starting from its part program, and allows the evaluation of the machine tool energy consumption between its modules. This approach has been implemented in a software and provides: - The part program emulation - The geometric simulation of the interaction between workpiece and tool along the path - The estimation of cutting forces and torques through a mecanicistic cutting model - The prediction of energy consumption of the machine tool modules The study has been ducted for the Mandelli M5 work centre now situated at MUSP Laboratory in Piacenza, a CNC machine tool with 4 axis and an electro spindle. The experimental validation has been supported by cutting tests, executed at MUSP Laboratory, that have involved power measurements of axis and spindle of the machine tool in terms of electrical power. The experimental validation has been ducted as follow: - Identification of energy models of machine tool modules - Validation of the simulation approach on cutting tests with variable engagement - Validation of the simulation approach on the realization of a technological feature, an open pocket - Comparison between alternative models extracted from literature Energy estimations predicted by the software have been resulted to be accurate, with the approximately 10% and the 7% errors for cutting tests with variable engagement and the 3% error for the realization of the open pocket.

Negli ultimi anni le problematiche connesse con il risparmio energetico hanno assunto un'importanza rilevante in ambito industriale. Una particolare attenzione riguarda l’impatto ambientale conseguente allo sfruttamento delle fonti energetiche a livello manufatturiero. Ci si è quindi posti in una logica di riduzione del consumo energetico collegato ai processi produttivi per cercare di raggiungere una sensibile riduzione dei consumi energetici. L’obiettivo di questo lavoro consiste nel proporre e validare un approccio di simulazione energetica per macchine utensili durante la fase di utilizzo delle stesse. Attraverso una ricerca fatta fra gli articoli scientifici presenti in letteratura, attinenti al consumo energetico delle macchine utensili, sono stati ricercati dei modelli di predizione dell’assorbimento di potenza delle macchine utensili. È stato adottato e validato un approccio di modellazione e simulazione energetica, sviluppato da ITIA-CNR, il quale consente la stima e la predizione del consumo energetico di un centro di lavoro CNC durante l’esecuzione di una generica lavorazione di fresatura a partire dal suo part program, e che consente di valutare il consumo energetico della macchina utensile distintamente per i moduli considerati. Questo approccio è stato implementato in ambiente software e prevede: - l’emulazione del part program - la simulazione geometrica dell’interazione utensile-pezzo lungo la traiettoria di taglio - la stima delle forze e delle coppie di taglio attraverso un modello meccanicistico del processo di taglio - la predizione dei consumi energetici per i moduli della macchina utensile considerati. Lo studio è stato condotto sul centro di lavoro M5 Mandelli dell’omonima ditta piacentina, una macchina utensile a controllo numerico a 4 assi ed elettro-mandrino, attualmente situata presso il laboratorio MUSP di Piacenza. La validazione sperimentale ha avuto come supporto delle prove di taglio, effettuate presso il laboratorio MUSP di Piacenza, che hanno comportato la misura della potenza assorbita dagli assi e dal mandrino della macchina utensile in termini di potenza elettrica. La validazione sperimentale è stata condotta come segue: - identificazione dei modelli energetici dei moduli della macchina utensile; - validazione dell’approccio di simulatore su prove di taglio ad engagement variabile; - validazione dell’approccio di simulazione su un ciclo di realizzazione di una feature tecnologica; - confronto con modelli alternativi estratti da letteratura. Le stime del consumo energetico predette a livello software sono risultate essere accurate, con degli errori del 10% e del 7% circa per le prove di taglio ad engagement variabile e del 3% circa per il ciclo tecnologico di realizzazione della tasca.