Modeling and minimization of energy consumption in machine tools

Industrial sector activities, as almost every activity developed in the actual world, have an environmental impact related not only with the effects of the production process itself, but also with energy consumption and the consequent greenhouse gas emissions for its generation. Strategies to reduce the energy consumption within the industrial sector, especially in the manufacturing processes, are gaining relevance due to the necessity of becoming sustainable economically and environmentally, creating cost savings and competitive advantages. This work focuses on energy saving strategies for machine tools during its use phase by minimizing the energy consumption during non-value adding task. Initially a motivation for energy saving within the industrial sector and particularly in machine tools is presented, focusing on the different production states of the machines. On the second part a classification of the machine tools and its main components is presented in order to allocate precisely the concept need for future developments. Afterward a literature review regarding energy consumption in machine tools and the actual strategies for gaining energy efficient is presented. On a later stage a methodology to describe the energy consumption of machine tools based on the energy consumption of its individual components is presented using a modular approach and automata theory. Finally different control problems regarding energy minimization of machine tools during non-value adding tasks are described; for some of these problems, a control policy is analytically developed and diverse numerical results are presented. As a last contributions some of the control policies developed in this work are compared with similar approaches presented in the literature review.

Le attivit`a del settore industriale, come gran parte delle attivit`a del mondo attuale, hanno un impatto ambientale legato non solo al processo produttivo stesso ma anche all’energia consumata e all’effetto serra che ne consegue. Strategie per ridurre il consumo di energia nel settore industriale, specialmente nei processi produttivi, stanno guadagnando importanza a causa della necessit`a di diventare sostenibili sia dal punto di vista economico che ambientale, creando risparmi e vantaggi competitivi. Questo lavoro si concentra sulle strategie di risparmio energetico nelle macchine utensili durante il loro impiego, riducendo al minimo il consumo di energia durante le fasi a non-valore aggiunto. Inizialmente vengono introdotte le motivazione per il risparmio energetico nel settore industriale e in particolare nelle macchine utensili, concentrandosi sui diversi stati produttivi delle stesse. Nella seconda parte si presenta una classificazione delle macchine utensili e dei suoi componenti principali in modo da individuare gli sviluppi futuri. Successivamente una revisione della letteratura per quanto riguarda il consumo di energia nelle macchine utensili e le strategie effettive per ottenere efficienza energetica `e presentato. In una fase successiva si propone una metodologia per descrivere il consumo energetico nelle macchine utensili, basata sul consumo energetico dei suoi singoli componenti, attraverso un approccio modulare utilizzando gli automi. Infine, si descrivono diversi problemi di controllo riguardanti la minimizzazione di energia nelle macchine utensili durante le fasi a non valore aggiunto; per alcuni di questi, si sviluppano analiticamente politiche di controllo e si valutano alcuni risultati numerici. Infine, come ultimo contributo, alcuni resultati ottenuti per le politiche di controllo sviluppate in questo lavoro sono confrontate con approcci simili presentati in letteratura.