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Introdução

Hoje, controle numérico computadorizado (CNC) são máquinas encontradas em quase todos lugares, das pequenas oficinas de usinagem as grandiosas companhias de manufatura.

Na realidade quase não existem produtos fabris que não estejam de alguma forma relacionados à tecnologia destas máquinas ferramentas inovadoras. Todos envolvidos nos ambientes industriais deveriam estar atentos ao que se é possível fazer com estas maravilhas tecnológicas.

Por exemplo, o projetista de produto precisa ter bastante conhecimento de CNC para aperfeiçoar o dimensionamento e técnicas de tolerância das peças produtos a serem usinadas nos CNCs.

O projetista de ferramentas precisa entender de CNC para projetar as instalações e as ferramentas que serão usadas nas máquinas CNC.

Pessoas do controle de qualidade deveriam entender as máquinas CNC usadas em suas companhias para planejar controle de qualidade e controle de processo estatístico adequadamente.

Pessoal de controle de produção deveria conhecer esta tecnologia de suas companhias para definirem os tempos de produção de modo realístico. Gerentes, supervisores, e líderes de time deveriam entender bem de CNC para se comunicarem inteligentemente com trabalhadores da mesma categoria.

E não precisaríamos nem dizer nada sobre os programadores CNC, as pessoas de organização, operadores, e outros trabalhando diretamente ligados com os equipamentos CNC, que devem ter um vasto conhecimento desta tecnologia.

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Aspectos históricos das máquinas CNC

O comando numérico computadorizado (CNC) é uma técnica que permite a operação automática de uma máquina ou de um processo por meio de uma série de instruções codificadas que contém números, letras e outros símbolos.

Esta nova tecnologia foi originalmente desenvolvida para controle automático de máquinasferramenta, mas sua aplicação tem sido estendida para uma grande variedade de máquinas e processos.

Uma das maiores contribuições desta nova tecnologia é representada pela facilidade com que se modifica a forma como as máquinas são automatizadas. As máquinas CNC podem ser facilmente adaptadas a diferentes situações de produção. Em combinação com a aplicação da tecnologia de computadores, o CNC abre as portas para a manufatura assistida por computador (CAM).

A primeira máquina CN

O fato que realmente impulsionou o desenvolvimento deste novo sistema de controle foi a necessidade que teve a Força Aérea dos Estados Unidos de projetar uma nova aeronave. Um problema crítico na manufatura deste veículo era a exigência de se obter um perfil muito preciso da peça usinada. Esta exigência excedia a capacidade das fresadoras convencionais.

Alguns anos antes, durante a segunda guerra mundial, a Corporação Parsons utilizava uma mesa de coordenadas para mover a mesa de uma fresadora nas direções longitudinal e transversal, simultaneamente (o que atualmente se conhece como interpolação em dois eixos), com o auxílio de dois operadores. Baseado nessa e4xperíência, John Parsons propôs a geração dos dados de posicionamento tridimensional da ferramenta a partir do perfil da peça, e estes dados seriam usados para controlar os movimentos da máquina – ferramenta. Para projetar esse novo sistema de controle da máquina, Parsons subcontratou o laboratório de Servomecanismos do MIT (Massachusetts Institute of Technology).

A primeira fresadora com três eixos de movimentos simultâneos, controlados por um novo tipo de sistema de controle, foi construída pelo MIT em 1952. Foi reformada (retrofitting) uma fresadora vertical Cincinnati Hydrotel para receber a unidade de controle, que usava válvulas de vácuo e era muito volumosa. Como sistema de armazenamento do programa de usinagem, utilizava uma fita perfurada. Este programa consistia numa sequência de instruções de máquina, elaborado em código numérico. Por este motivo foi chamada de “Controle Numérico” (CN).

Esta máquina demonstrou que as peças podiam ser feitas numa velocidade maior, com uma precisão e repetibilidade no posicionamento de 3 a 5 vezes maior que a obtida em máquinas convencionais. Deixaram de ser necessários o uso de gabaritos e as trocas de elementos da máquina para usinar peças diferentes. Bastava alterar as instruções no programa e perfurar uma nova fita.

Difusão da nova tecnologia na Indústria

Tomando como base esta experiência, a Força Aérea dos Estados Unidos fez um contrato para a construção de 100 fresadoras CN com diversas empresas. O objetivo era reduzir o risco de adquirir um sistema deficiente. Entre 1958 e 1960 foram construídos diferentes tipos de sistemas de controle por quatro diferentes empresas (Bendix, GE, General Dynamics, EMI). Os comandos construídos eram do tipo digital e mostravam eficiência. Essa estratégia resultou numa diversidade de projetos de controles. Além da Força Aérea, diversas companhias do ramo

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Página 3 aeronáutico adotaram máquinas com esses novos comandos, fato que originou um problema na intercambiabilidade de programas, porque não existia uma padronização de linguagem e cada fabricante adotava a sua. Esse problema permanece até hoje, embora em menor grau, devido a normalização (EIA / ISO).

Evolução das tendências no ensino da tecnologia CNC

Desde o aparecimento das primeiras máquinas-ferramenta de controle numérico, a tarefa de treinamento foi originalmente empreendida por instituições com capacidade para dispor de um laboratório com essas máquina-ferramenta. A ausência deste recurso restringia a habilidade do estudante para entender as funções e as operações envolvidas. Ocorre que o equipamento CN e o material para usinagem e manutenção têm custo elevado, e mesmo que a instalação estivesse disponível, o uso das máquinas era bastante restrito devido a problemas de quebra de ferramentas e de danos nos componentes mecânicos surgidos nos treinamentos. Como resultado, ficava difícil adquirir experiência de trabalho no laboratório.

Para tentar minimizar esses problemas, surgiu a idéia da simulação do processo de usinagem como alternativa efetiva. Os primeiros simuladores desenvolvidos foram simuladores mecânicos. Umstatd, em 1970, desenvolveu um simulador para furadeira que consistia num dispositivo operado eletronicamente.

convencionais, modificadas para servirem como simuladores

Por sua vez, Rummell, em 1972, desenvolveu um simulador modificando uma furadeira cuja mesa de posicionamento com dois eixos de movimento era operada manualmente. Ambos os pesquisadores da Universidade do Texas A&M comprovaram que não havia diferença significativa entre o uso da máquina CN e o simulador. Ambos foram igualmente eficientes no ensino da técnica de programação. Nos dois casos, os simuladores consistiram em máquinas

Um simulador semelhante ao que conhecemos atualmente como plotter, no qual uma canaleta substituía a ferramenta de corte foi desenvolvido pela Pratt & Whitney Aircraft Co. A desvantagem do uso dos simuladores mecânicos era a de serem tão caros quanto as máquinas CN. A evolução da microeletrônica levou ao aparecimento do comando numérico computadorizado (CNC). Não era mais necessária a leitora de fitas perfuradas, e os programas podiam ser armazenados nas memórias dos CNC. Esta nova tecnologia possibilitou a implementação de “simuladores gráficos” o próprio comando. Era possível simular o processo de usinagem mediante a geração do caminho da ferramenta na própria máquina, antes do processo de usinagem. Isto era de grande ajuda no processo produtivo, mas, para a função do treinamento era necessário dispor da máquina, o que nos leva novamente ao ponto de partida. Mesmo dispondo dela, ocorriam horas de máquina parada.

Surgiram então, como alternativas para treinamento, os simuladores gráficos, baseados em microcomputadores. Dessa maneira já não seria mais necessária a disponibilidade de uma máquina CNC para treinamento. Uma segunda vantagem do uso de computadores para a geração da simulação gráfica em relação ao comando numérico é que os recursos de memória, velocidade de processamento e geração de gráficos dos computadores são superiores aos disponíveis no comando numérico.

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Fundamentos dos CNCs

O primeiro benefício oferecido por todas as formas de máquinas-ferramenta CNC é sem duvida a automatização. A intervenção de operador é drasticamente reduzida ou eliminada.

Muitas máquinas CNC podem rodar sem nenhum acompanhamento humano durante um ciclo de usinagem completo, permitindo ao operador tempo livre para desempenhar outras tarefas. Isto permite ao usuário CNC vários benefícios que incluem fadiga de operador reduzida, menos enganos causados por erro humano, usinagem consistente e em tempo previsível para cada produto. Considerando que a máquina estará correndo sob controle de um programa, o nível de habilidade requerido do operador de CNC (relacionado a pratica de usinagem) também é reduzido quando comparado a um operador de máquinas- ferramenta convencionais.

O segundo benefício principal da tecnologia CNC são peças consistentes e precisas. As máquinas CNC de hoje ostentam precisão incrível das especificações e também quanto a repetibilidade. Isto significa que uma vez que um programa esteja testado e aprovado, podem ser produzidos dois, dez, ou mil produtos idênticos facilmente com precisão e consistência adequadas.

Um terceiro benefício oferecido pela maioria das máquinas ferramentas CNC é a flexibilidade. Uma vez que um programa foi verificado e foi executado para produção, pode ser substituído facilmente por um próximo tipo de peça a ser usinada. Isto nos leva a outro benefício, o de tempos de “setup” muito curtos. Isto é imperativo com as exigências de produção dos nossos dias.

Controle de movimento - O coração do CNC

Figura 1. O movimento de uma mesa de máquina convencional é acionado pelo operador que gira uma manivela (manípulo). O posicionamento preciso é realizado pelo operador que conta o número de voltas a ser dada na manivela com graduações no anel graduado, dependendo exclusivamente da perícia do operador.

A função mais básica de qualquer máquina CNC é o controle de movimento automático, preciso, e consistente. Todos os equipamentos CNC que tenham duas ou mais direções de movimento, são chamados eixos. Estes eixos podem ser precisos e automaticamente posicionados ao longo dos seus movimentos de translação. Os dois eixos mais comuns são lineares (dirigido ao longo de um

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Página 5 caminho reto) e rotativos (dirigido ao longo de um caminho circular). Em vez de serem movimentadas virando manivelas manualmente como é feito em máquinas ferramentas convencionais, as máquinas CNCs têm seus eixos movimentados sob controle de servo motores do CNC, e guiado pelo programa de usinagem da peça.

Em geral, o tipo de movimento (rápido, linear e circular) para os eixos se moverem, a quantidade de movimento e a taxa de avanço (feedrate) é programável em quase todas máquinas CNC. A figura 1 (acima) mostra o controle de movimento de uma máquina convencional. A figura 2 (abaixo) mostra um movimento de eixo linear de uma máquina CNC.

Figura 2. Movimento linear numa máquina CNC.

Uma máquina CNC recebe a posição comandada do programa CNC. O servo motor é acionado com a quantidade correspondente de giros no fuso de esferas de aço, na velocidade adequada para posicionar a mesa onde foi comandada ao longo de um eixo linear. Um dispositivo de avaliação confirma se a quantidade de giros no fuso realmente ocorreu.

O mesmo movimento linear básico pode ser encontrado em uma máquina convencional. Quando se gira a manivela, você girará um eixo com rosca (parafuso sem fim), o qual movimenta a mesa em uma direção específica. Porém, um eixo linear em uma máquina ferramenta CNC é extremamente preciso. O número de rotações do fuso dirige precisamente o servo motor e controla a quantidade de movimento linear ao longo deste eixo.

Como é comandado o movimento de um eixo - Entendendo os sistemas de coordenadas

É impossível um operador gerar movimento dos eixos de uma máquina CNC tentando controlar o servo motor de cada eixo. Em vez disto, todos os controles CNC permitem comandar o movimento do eixo de um modo muito mais simples e mais lógico utilizando alguma forma de sistema de coordenada. Os dois sistemas de coordenadas mais populares usado na maioria das

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