Modelo para estimar o consumo de energia do processo de usinagem 73

A energia consumida pelo processo de usinagem poderia ser calculada como mostrado na equação (27), . Empiricamente, o ensaio apropriado para esse tipo de cálculo são os sistemas de medição dinamométricos e de forma alternativa pode-se efetuar uma medição “por diferença”.

2.2.1. Medição dinamométrica

Esse tipo de medição adaptado em uma máquina-ferramenta se aplica assim como a- presentado na Figura 34.

Figura 34: Sistema de medição de forças de usinagem Fonte – Autor

O dinamômetro é colocado entre a peça e a mesa de trabalho a fim de medir a força exercida pela ferramenta na peça. Tal força no tempo percorre uma distância que é o cumpri- mento da peça, o que representa a energia gasta no processo. Os sinais do dinamômetro no amplificador são lidos e convertidos a dados, que junto aos dados do CNC, como a profundi- dade, são coletados e tratados mediante LabView para calcular a energia consumida durante a usinagem. Esta forma indireta de medir o consumo de energia na usinagem tem sido praticada em muitos laboratórios de pesquisa.

2.2.2. Medição “por diferença”

Com o intuito de definir o consumo de energia da máquina-ferramenta, da usinagem e dos elementos auxiliares, formularam-se três cenários diferentes: em vazio, “a seco” e com fluido. Usinagem em vazio significa que o plano de trabalho da ferramenta para a usinagem foi afastado da peça, de forma que possa efetuar a usinagem sem encostar na peça, isto é, sem remover material. Usinagem significa que a ferramenta está localizada no plano de trabalho onde se encontra também a peça, permitindo que se efetue a remoção de material programada. Quando há efetivamente usinagem, esta pode efetuar-se em dois cenários distintos, a seco e com fluido. Neste trabalho, “a seco” significa que na programação da máquina foram desati-

Peça Dinamômetro Amplificadores Máquina-ferramenta CNC LabView Conector Sinais Cabo blindado

vados os comandos que instruem a máquina a ativar o líquido lubri-refrigerante na peça e na ferramenta, a exaustão e o transportador de cavacos. “Com fluido” significa que todos os sub- sistemas auxiliares desativados na usinagem “a seco” devem estar ativados, assim como apre- sentado na Figura 35.

Figura 35: Cenários de usinagem e subsistemas Fonte – Autor

A medição “por diferença” aplica-se na comparação dos cenários apresentados na Fi- gura 35, quando efetuam o mesmo plano de trabalho em cada cenário. A variação entre a usi- nagem a seco e a usinagem em vazio representaria o consumo pela remoção de material. A variação entre a usinagem a seco e com fluido representaria o consumo pelos elementos auxi- liares à usinagem, os quais são os subsistemas de refrigeração da usinagem, o de transporte de cavaco e o de exaustão.

A medição é feita diretamente na entrada da energia elétrica da máquina. Sabe-se que a potência de saída equivale à potência fornecida pelo eixo-árvore, equação (27), a qual equi- vale à energia gasta no processo de usinagem. Sabe-se também que o rendimento  do eixo- árvore é a relação entre a potência de saída [W] e a potência de entrada [W], equação

(35), a qual é sempre inferior a 100%.

...(35)

Além disso, sabe-se que o servomotor é constituído de um motor, de uma caixa redu- tora e de um mecanismo de controle, que também consomem energia. O motor elétrico tem como função transformar a energia elétrica em energia mecânica no rotor. Porém, nem toda energia elétrica que entra é convertida em energia mecânica. Devido à resistência dos condu-

Subsistemas auxiliares (quando com fluido) Cenários de usinagem Subsistemas comuns Eixo-árvore, Mesas X e Y, CNC, TAF, Lubrificação, Refrigeração do cabeçote, Pneumático

Sem remoção Em vazio

Usinagem A seco Com fluido Refrigeração da usinagem, Trans. de cavaco, Exaustão

tores da armadura, do rotor e do atrito mecânico, ocorrem perdas que se transformam em ca- lor.

Figura 36: Balanço energético simples de um motor elétrico Fonte – Autor

As perdas são expressas pelo rendimento do motor e, como mostrado na Figura 36, correspondem à energia que não é convertida em trabalho útil. Então a potência de entrada é a soma da potência de saída ou potência mecânica mais as perdas, como apresentado na equa- ção seguinte:

...(36)

Para o conhecimento do leitor e para antecipar a solução de dúvidas futuras e sem maiores aprofundamentos, as perdas num motor podem ser: perdas térmicas, perdas magnéti- cas, perdas mecânicas e perdas extraviadas (MAGUEIJO, et al. 2010, p. 24-25).

 As perdas térmicas acontecem nos enrolamentos de cobre do estator e da gaiola do rotor, devido ao efeito Joule por causa da passagem da corrente. Elas provocam o acréscimo da temperatura em detrimento da vida útil do motor. Tais perdas são proporcionais ao qua- drado da corrente e ao valor da resistência.

 As perdas magnéticas acontecem no ferro por causa da variação do fluxo magnético que provoca correntes induzidas (correntes de Foucalt) e perdas por histerese associadas aos ciclos de magnetização do ferro. As perdas magnéticas são proporcionais ao quadrado da densidade do fluxo magnético.

 As perdas mecânicas surgem pelo atrito nos rolamentos e pela ventilação do motor.  As perdas extraviadas ou perdas suplementares estão associadas às imperfeições de fabri-

co, como as distorções do entreferro e a distribuição não uniforme da corrente dos condu- tores.

Energia elétrica Motor elétrico

Perdas

O fator de potência do motor de indução varia com a carga mecânica ou potência de saída no seu eixo. Abaixo da potência nominal o fator de potência começa a ter seu valor re- duzido até ficar próximo de zero, quando o motor está sem carga e a potência de saída é sufi- ciente para vencer o atrito. Da mesma forma, o motor spindle, semelhante a outras cargas in- dutivas, consome para o seu funcionamento potência aparente, que é a soma das potências ativa e reativa. Somente a potência ativa é transformada em potência mecânica e a potência reativa serve apenas para a manutenção dos campos magnéticos no interior do motor. A razão entre a potência ativa e a potência aparente é o que se define como fator de potência. Deste modo, quando o fator de potência é, por exemplo, 0,80; significa que 80% da potência aparen- te é transformada em potência ativa. Assim, conhecendo-se o rendimento, o fator de potência e a potência aparente, é possível calcular a potência ativa que se torna energia mecânica e então é consumida pelo processo de usinagem.

Ainda com relação às considerações feitas acerca do consumo de energia do servomo- tor, a medição “por diferença” vai considerar como semelhantes a eficiência do motor Spindle do eixo-árvore na usinagem e na usinagem em vazio. Isto porque essa medição “por diferen- ça” aplica-se comparando o consumo de energia entre cenários.