Máquinas CNC

Máquinas CNC

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2. Máquinas CNC Este texto introduz o leitor aos conceitos de máquinas ferramentas com controle numérico.

O homem sempre criou utensílios para facilitar sua vida. À medida que aumentava seu conhecimento dos fenômenos da natureza, crescia também a complexidade desses utensílios, que evoluíram até se tornarem máquinas.

Para tornear uma peça, por exemplo, partimos de dispositivos rudimentares, progredimos por meio de tornos mecânicos manuais, tornos acionados por motores elétricos, tornos automáticos com controle mecânico, tornos computadorizados e chegamos às chamadas células de torneamento, uma verdadeira minifábrica de peças torneadas.

Evolução do processo de torneamento

Todas as máquinas devem ter seu funcionamento mantido dentro de condições satisfatórias, de modo a atingir com êxito o objetivo desejado. A forma primitiva de controle é a manual. O homem, por meio de seu cérebro e seu corpo, controla as variáveis envolvidas no processo. No caso do torno mecânico, por exemplo, de acordo com o material a ser usinado, o torneiro seleciona a rotação da placa, o avanço a ser utilizado, a quantidade de material a ser removido, e verifica se vai utilizar ou não fluido de corte etc.

O torneiro é o controlador do torno mecânico. Com um instrumento de medição, ele verifica a dimensão real da peça. A informação chega ao seu cérebro através dos olhos. Também através dos olhos, o cérebro recebe informações da dimensão desejada, contida no desenho da peça. No cérebro, ambas as informações são comparadas: a dimensão desejada e a dimensão real. O resultado dessa comparação – o desvio – é uma nova informação, enviada agora através do sistema nervoso aos músculos do braço e da mão do torneiro. O torneiro, então, gira o manípulo do torno num valor correspondente ao desvio, deslocando a ferramenta para a posição desejada e realizando um novo passe de usinagem. A seguir, mede novamente a peça e o ciclo se repete até que a dimensão da peça corresponda à requerida no desenho, ou seja, até que o desvio seja igual a zero.

Mas o homem percebeu que quando tinha que usinar várias peças iguais, o trabalho tornava-se monótono e cansativo. Repetir diversas vezes as mesmas operações, além de ser desestimulante, é perigoso, pois a concentração e atenção do operador da máquina diminuem ao longo do dia. O ideal seria se o torno pudesse funcionar sozinho. Bastaria ao operador supervisionar o trabalho, corrigindo algum imprevisto surgido durante o processo.

Assim, o controle manual, exercido pelo homem, foi substituído pelo controle mecânico.

Esse controle era realizado por meio de um conjunto de peças mecânicas, constituído principalmente de cames. Todos esses componentes mecânicos tinham a função de transformar a rotação de um motor elétrico numa seqüência de movimentos realizados pela ferramenta.

Torno com controle mecânico

A existência desse controle mecânico fez com que a máquina conseguisse maior independência em relação ao ser humano. Ela passou a ser uma máquina automática.

O importante fator que forçou os meios industriais a buscar esta automatização, foi a segunda guerra mundial. Durante a guerra, necessitavam-se de muitos aviões, tanques, barcos, navios, armas, caminhões, etc., tudo em ritmo de produção em alta escala e grande precisão, pois a guerra estava consumindo tudo, inclusive a mão de obra. Grande parte da mão de obra masculina especializada utilizada pelas fábricas foi substituída pela feminina, o que na época implicava na necessidade de treinamento, com reflexos na produtividade e na qualidade. Era o momento certo para se desenvolver máquinas automáticas de grande produção, para peças de precisão e que não dependessem da qualidade da mão de obra aplicada.

Mas ainda havia um problema a ser solucionado. A cada novo tipo de peça, os cames precisavam ser trocados por outros com perfis diferentes. Os demais componentes da máquina precisavam ser novamente ajustados. Tudo isso era trabalhoso e demorado. A máquina, sem dúvida, era automática, mas adaptá-la a um novo serviço exigia muitas modificações. Era uma máquina “rígida”. Era necessário uma máquina “flexível”, capaz de se adaptar facilmente a uma mudança no tipo de peça a ser produzida.

Esse problema ficou sem solução até o desenvolvimento dos computadores na década de 1950. Os computadores, entre outros benefícios, possibilitaram à indústria automatizar suas máquinas de uma maneira que pudessem se adaptar mais facilmente a uma mudança no tipo de produto. Além de automáticas, finalmente estas eram máquinas flexíveis.

Os computadores utilizados para controlar movimentos de máquinas receberam um nome especial: comandos numéricos computadorizados ou controles numéricos computadorizados. Abreviadamente, CNC. A primeira implementação de um sistema deste tipo surgiu em 1949 no laboratório de Servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), com a união da Força Aérea Norteamericana (U.S. Air Force) e a empresa Parsons Corporation of Traverse City, Michigan. Foi adotada uma fresadora de três eixos, a Hydrotel, da Cincinnati Milling Machine Company, como alvo das novas experiências. Os controles e comandos convencionais foram retirados e substituídos pelo comando numérico, dotado de leitora de fita de papel perfurado, unidade de processamento de dados e servomecanismo nos eixos. Após testes e ajustes, a demonstração prática da máquina ocorreu em março de 1952, e o relatório final do novo sistema somente foi publicado em maio de 1953. Naquela época, o comando numérico era muitas vezes maior que a própria máquina. Falhava freqüentemente e possuía uma capacidade de cálculo ridícula quando comparado aos atuais CNC.

Após este período, a Força Aérea Norteamericana teve um desenvolvimento extraordinário, pois as peças complexas e de grande precisão, empregadas na fabricação das aeronaves, principalmente os aviões a jato de uso militar, passaram a ser produzidos de forma simples e rápida, reduzindo-se os prazos de entrega do produto desde o projeto até o acabamento final. A cada ano, foi incrementada a aplicação do CN, principalmente na indústria aeronáutica. Em 1956 surgiu o trocador automático de ferramentas, mais tarde em 1958, os equipamentos com controle de posicionamento ponto a ponto e a geração contínua de contornos, que foram melhorados por este sistema em desenvolvimento. A partir de 1957, houve nos Estados Unidos, uma grande corrida na fabricação de máquinas comandadas por CN, pois os industriais investiam até então em adaptações do CN em máquinas convencionais. Este novo processo foi cada vez mais usado na rotina de manufatura, que a partir deste ano, com todos os benefícios que haviam obtido deste sistema, surgiram novos fabricantes que inclusive já fabricavam seus próprios comandos. Devido ao grande número de fabricantes, começaram a surgir os primeiros problemas, sendo que o principal, foi a falta de uma linguagem única e padronizada. A falta de padronização era bastante sentida em empresas que tivessem mais de uma máquina de comandos, fabricados por diferentes fornecedores, cada um deles tinha uma linguagem própria , com a necessidade de uma equipe técnica especializada para cada tipo de comando, o que elevava os custos de fabricação. Em 1958, por intermédio da EIA

(Eletronic Industries Association) organizou-se estudos no sentido de padronizar os tipos de linguagem. Houve então a padronização de entrada conforme padrão RS-244 que depois passou a EIA244A ou ASCII. Atualmente o meio mais usado de entrada de dados para o CNC é via computador, embora durante muitos anos a fita perfurada foi o meio mais usado, assim como outros com menor destaque. A linguagem destinada a programação de máquinas era a APT (Automatically Programed Tools), desenvolvida pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1956, daí para frente foram desenvolvidas outras linguagens para a geração contínua de contornos como AutoPrompt (Automatic Programming of Machine Tools), ADAPT, Compact I, Action, e outros que surgiram e continuam surgindo para novas aplicações. Com o aparecimento do circuito integrado, houve grande redução no tamanho físico dos comandos, embora sua capacidade de armazenamento tenha aumentado, comparando-se com os controles transistorizados.

A figura mostra um torno moderno, controlado por meio de um comando numérico computadorizado.

Torno com controle numérico

Uma das vantagens do comando numérico em relação aos tipos anteriores de controle é a possibilidade de mudar rapidamente a seqüência de operações que a máquina deve realizar. Por meio de um programa específico, essa seqüência é alterada para realizar uma determinada seqüência de funções.

Um programa é uma lista de instruções escritas numa linguagem que a máquina é capaz de entender. Um cozinheiro, para preparar um bolo, deve seguir fielmente os passos descritos na receita. A máquina também precisa obedecer às instruções do programa para executar sua tarefa com perfeição. Mudar o programa de operação da máquina é, portanto, muito mais rápido do que fabricar novos cames ou realizar regulagens mecânicas. Você ainda pode estar se perguntando por que o controle é chamado numérico. Um comando numérico, como já vimos, é um computador com a missão especial de controlar movimentos de máquinas. E os computadores são máquinas eletrônicas. Logo, só são capazes de distinguir duas situações ou estados: existência, ou não, de um certo valor de tensão elétrica. Se houver tensão, podemos indicar esse estado com o número um. Se não houver tensão, usamos o número zero: é o sistema binário.

Daí, controlamos a máquina usando combinações de zeros e uns. Mas imagine-se escrevendo um programa usando apenas zeros e uns. Daí a necessidade das linguagens de programação dos comandos numéricos. Elas permitem que a tarefa do programador fique um pouco mais fácil, pois essa linguagem acaba sendo intermediária entre a linguagem de máquina (aquele punhado de zeros e uns) e a linguagem natural do ser humano. Vejamos um trecho de um programa:

O2000; T05; G97 S1200; M3; M8; G0 X20. Z2.

Para uma pessoa que não conhece a linguagem de programação da máquina, as letras e números acima não fazem sentido. A máquina, no entanto, é capaz de entender e, o que é melhor, obedecer às instruções descritas por esses códigos. Se fôssemos traduzir para o português, as linhas acima diriam algo assim:

O2000Esse programa foi batizado com o número 2000.
T05Trabalhe com a ferramenta número 5.
G97 S1200A rotação da placa será igual a 1.200 rpm.
M3Ligue a placa no sentido horário (olhando-se da placa para a contraponta).
M8Ligue o fluido de corte.
G0 X20. Z2.0Desloque a ferramenta, com o maior avanço disponível na máquina, para

o ponto de coordenadas X = 20 m e Z = 2 m.

Com o programa em sua memória, cabe ao comando numérico executá-lo, fazendo com que a máquina obedeça às instruções. Mas como isso ocorre? Você se lembra do controle manual realizado pelo torneiro ao operar um torno mecânico? Bem, vamos então estudar como transformar esse controle num controle numérico.

A primeira coisa é substituir o cérebro do torneiro por um comando numérico. Em seguida, precisamos de algum dispositivo que seja capaz de saber quanto a máquina se deslocou. Assim, seremos capazes de controlar as dimensões da peça. Portanto, devemos substituir o instrumento de medição utilizado no controle manual por um sensor de posição. Um encoder rotativo, por exemplo. Finalmente, para movimentar a máquina não podemos mais contar com o operador. Seus músculos, braço, mão, bem como o manípulo da máquina, serão substituídos por um servomotor de corrente alternada. Agrupando-se os novos componentes, podemos observar a malha de controle da máquina.

Malha de controle numérico

Geralmente, quando falamos em máquinas CNC estamos nos referindo a máquinasferramenta. No entanto, as máquinas-ferramenta correspondem apenas a um tipo de máquina CNC. Assim, apesar de os comandos numéricos serem tradicionalmente usados em máquinas-ferramenta, essa não é sua única aplicação. Em princípio, qualquer máquina que deva ter seu posicionamento, velocidade e aceleração controlados pode ser automatizada por meio deste tipo de controle.

Portanto, máquinas controladas numericamente também podem ser encontradas nas indústrias têxtil, alimentícia, de embalagens, calçados, plásticos etc. Como já vimos, um comando numérico tem a função de controlar movimentos. Uma máquina pode possuir vários movimentos, normalmente classificados em movimentos de translação ou rotação. Costuma-se dizer que cada um desses movimentos é um “eixo” da máquina, associando-se uma letra a ele. Nas figuras a seguir, temos uma mandriladora com os eixos X, Y e Z, correspondendo respectivamente aos movimentos longitudinal, vertical e transversal, e uma fresadora com quatro eixos lineares, X, Y, Z e W, e dois eixos rotativos, B e C.

Embora uma máquina possa apresentar vários movimentos, nem sempre ela é capaz de realizar todos ao mesmo tempo. Assim, a mandriladora da figura, embora possua três eixos, pode, devido a restrições de hadware e software, ser capaz apenas de realizar dois movimentos ao mesmo tempo. Assim, costuma-se dizer nesse caso que, embora a máquina possua fisicamente três, ela é na realidade uma máquina de dois eixos. Logo, “eixo” pode ser um conceito relacionado a quantos movimentos a máquina tem ou a quantos movimentos ela pode realizar ao mesmo tempo. O significado depende da situação descrita naquele momento.

A cada um dos eixos da máquina associa-se um servomotor, com velocidade e aceleração que podem ser controladas pelo comando numérico e por drivers. O servomotor representa o elo de ligação entre a mecânica e a eletrônica. A eletrônica, num primeiro momento, simplificou a estrutura mecânica da máquina. Muitas peças deixaram de ser utilizadas graças à presença dos servomotores. Esses motores fizeram com que as caixas de mudança de velocidade, compostas por um grande número de engrenagens, praticamente desaparecessem. Num torno ou numa fresadora CNC, a rotação da placa ou do cabeçote, bem como as velocidades de translação ou rotação dos eixos, é estabelecida simplesmente por meio de funções de programação. O comando numérico da máquina envia uma ordem ao driver, encarregado do acionamento do motor, e o driver aciona diretamente o motor. Mecanicamente, isso é muito mais simples.

A tecnologia eletrônica, além de permitir simplificar a estrutura mecânica, criando comandos numéricos cada vez mais compactos, confiáveis, econômicos e precisos, forçou o aprimoramento dos componentes mecânicos. Para evitar que atritos e folgas afetem a precisão da máquina, a indústria mecânica desenvolveu componentes cada vez mais sofisticados.

Assim, os fusos de perfil trapezoidal deram lugar ao fusos de esferas recirculantes. As guias de deslizamento das máquinas também foram substituídas por guias lineares, mais precisas e eficientes. A confiabilidade e vida útil desses componentes também é maior em relação aos fusos e guias tradicionais.

Para aumentar a independência do operador, a grande maioria das máquinas ferramenta

CNC é equipada com dispositivos conhecidos como ATCs, sigla de Automatic Tool Changer, ou seja, Trocador Automático de Ferramentas.

O trocador automático de ferramentas retira uma ferramenta e coloca outra na posição subseqüente de usinagem. O trocador trabalha com um carrossel, onde são montadas as várias ferramentas participantes do processo de usinagem. Existem vários modelos de trocadores de ferramentas. Nos tornos, o carrossel é normalmente chamado de torre. Alguns exemplos de ATCs e “magazines” (carrosséis) porta-ferramentas podem ser vistos na figura abaixo.

O “magazine” (carrossel) porta-ferramentas e o trocador de ferramentas diferenciam as fresadoras dos chamados centros de usinagem. Nos centros de usinagem, a troca de ferramentas é realizada automaticamente. Essa evolução em relação às fresadoras faz dos centros de usinagem as máquinas mais importantes para a implementação de sistemas de usinagem automatizados.

Como já foi citado, a Programação CNC pega a informação usada para uma ferramentação manual e a converte para uma linguagem que a máquina compreende. Os exemplos a seguir usam a linguagem de programação por palavras-chave, que é a mais comumente utilizada hoje em dia.

Programação por Palavras-chave

A programação no formato de palavras-chave para controle numérico controla os movimentos e as funções da máquina através de comandos curtos alfanuméricos semelhantes a sentenças. Estes comandos consistem em coordenadas, em palavras, e em caracteres. Uma máquina do CNC deve executar as mesmas ações que um operador de uma máquina manual faz para produzir uma peça.

O processo para executar uma operação simples em uma máquina rotativa manual e para convertê-la a formato de palavras-chave é como segue: Gire o eixo no sentido horário com uma velocidade de 600 voltas/min. O operador ajusta a velocidade para girar o eixo no sentido horário. O comando para uma máquina de CNC é N0010 M03 S600; N0010 é um número da linha. M03 diz ao eixo para começar a girar no sentido horário. S600 diz ao eixo com que velocidade girar. O ponto&vírgula deixa o controle saber que você terminou este bloco do comando e que é hora de mover para o comando seguinte. Um comando ou um bloco de informações são compostos de coordenadas e de caracteres.

Comandos Alfanuméricos: O bloco de comando controla a ferramenta da máquina através do uso de códigos de letras. Eis as descrições abreviadas dos comandos mais comuns identificados pela sua letra-chave:

N é a letra que endereça o número de linha ou do bloco.

G é um código de função preparatória que “seta” o modo segundo o qual todas as operações posteriores serão executadas.

F é a taxa de alimentação do eixo controlado. S “seta” a velocidade da ferramenta. T é a letra que endereça uma chamada para mudança de ferramenta. M é um função variada tal como fluido refrigerante on/off, eixo para frente, etc. H,D são letras-chaves para identificar o armazenamento de ferramentas.

Programa para uma peça: Um programa para uma peça é uma série de blocos de comandos que executam movimentos e funções da máquina a fim manufaturar uma peça. Nós usamos o exemplo de um programa simples que desbasta o contorno de uma peça retangular de 3 polegadas x 4 polegadas com uma fresa com ferramenta de 1/2 polegada de diâmetro (veja a figura abaixo). As coordenadas refletem a posição do centro do ferramenta, assim nós devemos considerar o tamanho do cortador.

O programa a seguir mostra como produzir a peça da figura acima.

N010 G0 X- 1.0 Y- 1.0 (ponto 1) N0020 G01 X-.25 Y-.25 F 10.0 (ponto 2) N0030 G01 Y3.25 (ponto 3) N0040 G01 X4.25 (ponto 4) N0050 G01 Y-.25 (ponto 5) N0060 G01 X-.50 (ponto 6)

A primeira linha, N0010 posiciona rapidamente a ferramenta longe do canto esquerdo inferior da peça. Na segunda linha, N0020, G01 move a ferramenta para uma posição que seja valor de 1 raio da ferramenta à esquerda do lado da peça (X-.25). A ferramenta de move com 10 polegadas por o minuto (F10). Ela está alinhada agora com o canto esquerda da peça. A linha 30 corta o lado esquerdo da peça e posiciona o centro do eixo de corte além do topo da peça do valor de 1 raio da ferramenta (Y3.25). Isto posiciona a borda da ferramenta para o corte da parte superior da peça. A linha 40 corta o topo da peça. A taxa de alimentação (movimento) é ainda 10 polegadas por o minuto porque nós não a mudamos desde a linha número 20. O centro do eixo é agora posicionado a .25 além da direita da peça. Isto prepara para o corte do lado direito da peça. A linha 50 posiciona a ferramenta no ponto 5. O lado direito da peça está agora completo. O centro da ferramenta também é posicionado a 1 raio abaixo da parte inferior da peça, pronto para iniciar outro corte. A linha 60 corta então o fundo da peça e movimenta a ferramenta completamente fora da área da peça (X.50). Agora, consideremos as partes individuais de um programa de peça por palavras-chave.

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