Energy efficiency of machine tools

ENERGY efficiency has been classified as one of the key technological advancements necessary for European industries to grow and stay competitive on the global market. Latest developments in this field have been reviewed and compared. Despite the effort of the scientific community there is still a considerable field for improvement, e.g. regarding synergy of existing methodologies into a coherent multi-level approaches. This work attempts to provide such perspective as well as necessary tools and methods. Firstly, an experimental characterization approach to collect and process relevant energy data and assist in further analysis is introduced and energy models of the key machine tool components are introduced. Minimal energy-time functions are used to represent an elementary part of processing cycle: a workpiece feature. Energy framework is proposed as a mean to describe a generic discrete-manufacturing process using a hierarchical optimization architecture. System level model, which incorporates knowledge of system performance, reliability, energy-saving policies and machine level energy functions, is developed and integrated with the energy framework. Developed methodology is demonstrated and validated on an industrial case study taken from liquid valve manufacturing plant. It concerns a flexible transfer milling machine, which is modelled using proposed hierarchical energy optimization framework and put into a system context using a generalized threshold model. Economical aspects of the system, namely part price, energy cost tool life and inventory cost are included in the analysis. The thesis concludes with remarks on developed methodologies, reports the findings coming from the case study, best energy reduction strategies and hypotheses about further developments.

L'efficienza energetica è stata classificata come uno dei principali progressi tecnologici necessari per far crescere e restare competitiva le industrie europee sul mercato globale. Gli ultimi sviluppi in questo campo sono stati riesaminati e confrontati. Nonostante lo sforzo della comunità scientifica, resta ancora un notevole campo di miglioramento, ad esempio per quanto riguarda la sinergia delle metodologie esistenti in un approccio coerente a più livelli. Questo lavoro tenta di fornire tale prospettiva così come gli strumenti e metodi necessari. In primo luogo, viene introdotto un approccio di caratterizzazione sperimentale per raccogliere e trasformare i dati energetici rilevanti e contribuire a ulteriori analisi e vengono introdotti modelli energetici dei componenti chiave della macchina utensile. Le funzioni minime di energia e tempo vengono utilizzate per rappresentare una parte elementare del ciclo di lavorazione: una funzionalità di pezzo. Il quadro energetico è proposto come mezzo per descrivere un processo generico di produzione discreta utilizzando un'architettura di ottimizzazione gerarchica. Il modello di livello di sistema, che incorpora la conoscenza delle prestazioni del sistema, dell'affidabilità, delle politiche di risparmio energetico e delle funzioni energetiche a livello di macchina, viene sviluppato e integrato con il framework energetico. La metodologia sviluppata è dimostrata e convalidata in uno studio di casi industriali prelevato da impianto di produzione di valvole liquide. Si tratta di una fresatrice flessibile di trasferimento, che è modellata utilizzando il quadro di ottimizzazione gerarchica di energia proposta e messo in un contesto di sistema utilizzando un modello di soglia generalizzata. Gli aspetti economici del sistema, vale a dire il prezzo del pezzo, la durata degli utensili per il costo dell'energia e il costo di inventario sono inclusi nell'analisi. La tesi si conclude con osservazioni sulle metodologie sviluppate, riporta i risultati del caso studio, le migliori strategie di riduzione dell'energia e le ipotesi di ulteriori sviluppi.