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Introdução ao Comando Numérico
No desenvolvimento histórico das Máquinas-Ferramentas de usinagem, sempre se procurou soluções que permitissem aumentar a produtividade com qualidade superior e minimização dos desgastes físicos na operação das máquinas. Muitas soluções surgiram, mas até recentemente, nenhuma oferecia a flexibilidade necessária para o uso de uma mesma máquina na usinagem de peças com diferentes configurações e em lotes reduzidos. Um exemplo desta situação é o caso do torno. Em paralelo ao desenvolvimento da máquina, visando o aumento dos recursos produtivos, outros fatores colaboraram com sua evolução, que foi o desenvolvimento das ferramentas desde as de aço rápido, metal duro, às modernas ferramentas com insertos de cerâmica. As condições de corte imposta pelas novas ferramentas exigiram das máquinas, novos conceitos do projeto que permitissem a usinagem com rigidez e dentro destes novos parâmetros. Então com a descoberta e conseqüente aplicação do Comando Numérico a Máquina Ferramenta de Usinagem, esta preencheu as lacunas existentes nos sistemas de trabalho com peças complexas, reunindo as características de várias destas máquinas, dentro do desenvolvimento das tecnologias de fabricação, a máquina à Comando Numérico (CNC) aparece hoje não mais como uma opção, mas sim como necessidade para que as empresas possam tornar-se mais competitivas e até mesmo assegurar suas participações no seu segmento de mercado e, como conseqüência aumenta a cada dia a demanda de profissionais preparados para trabalhar com este tipo de equipamento O comando numérico é hoje o mais dinâmico processo de fabricação de peças, constituindo um dos maiores desenvolvimentos para a automação de máquinas para usinagem. O comando numérico representa investimento inicial maior, porém quando a sua aplicação é bem estruturada, o investimento é compensado devido as vantagens do processo, ao produzir peças com menor tempo de fabricação, aumentar a qualidade do produto, produzir com maior eficiência e desta maneira aumentando também a produtividade.
Definição
Como definição, pode-se dizer que o Comando Numérico é um equipamento eletrônico capaz de receber informações através de entrada própria de dados, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando à máquina ferramenta de modo que esta,sem a intervenção do operador, realize as operações na seqüência programada.
Características Desejáveis
Flexibilidade
A máquina-ferramenta universal manipulada por um operador especializado é um sistema de fabricação de peças mecânicas que necessita de poucas adaptações para passara fabricar uma nova peça. Em um torno, por exemplo, trocam-se alguns parâmetros de corte, muda-se a fixação, a ferramenta, e o torno está pronto para tornear um eixo em vez da bucha que vinha fazendo. Às vezes, nem isso. Basta fornecer ao operador o novo desenho que contém as informações que especifiquem os parâmetros da nova peça. Podemos dizer que o desenho constitui o programa que será executado pelo operador para fabricar a peça em determinada máquina. Podemos, pois, estabelecer um conceito de FLEXIBILIDADE: “é a facilidade que apresenta determinado sistema de fabricação de ser reprogramado para fabricar novas peças”.A flexibilidade é a característica por excelência da máquina-ferramenta universal. A máquina automática, ao contrário, tende a ser rígida. Pode-se mesmo dizer que é tanto mais rígida quanto mais automática. Reprogramar uma máquina é, no mínimo, demorado.
Complexidade
À medida que evolui a tecnologia, tendem a aparecer peças cuja execução se torna cada vez mais difícil. Como exemplos poderíamos citar hélices de aviões e de barcos, sistemas de transmissão de helicópteros, pás de turbina, refletores elípticos usados em satélites meteorológicos, etc. Podemos dizer que COMPLEXIDADE: “é o grau de dificuldade de manufatura de uma peça mecânica”. A complexidade de uma peça mecânica não está no número de operações, e sim na geometria pouco convencional que possa ter. Quando aparecem planos que se apresentam em ângulos pouco usuais em relação aos demais da peça, quando aparecem superfícies que não sejam planas, cônicas ou cilíndricas, podemos falar em peça complexa. A máquina à Comando Numérico não se originou de uma tendência para melhorar processos produtivos já existentes, mas para tornar possíveis usinagens complexas, até aquele momento, muito difíceis de executar. A máquina universal não oferece meios para usinagens complexas, pois estas exigem o controle preciso de vários eixos simultaneamente. No caso das máquinas automáticas, o problema chegou a ser resolvido para grandes lotes de peças fabricadas em tornos, com a construção de tornos automáticos. Para operações que não são executados em tornos, como por exemplo, hélices, essa solução se mostrou inexeqüível.
Repetibilidade
Tradicionalmente tem sido muito difícil fabricar lotes de peças dentro de determinada tolerância de medidas. Em razão da fadiga do operador e da própria maneira com que as medidas são introduzidas na máquina-ferramenta universal, podemos dizer que é praticamente impossível fabricar duas peças simples iguais. Quando a peça se torna complexa, diríamos que é totalmente impossível. Para estabelecer um conceito de REPETIBILIDADE, podemos dizer: “é a capacidade de manter dentro de uma tolerância determinada as medidas de uma peça para outra”. Esse conceito se torna extremamente importante, como já foi dito anteriormente, n a medida em que peças freqüentemente de várias procedências devam ser montadas em um conjunto perfeitamente ajustado. Em uma produção em série é importante que essa montagem se dê sem que sejam necessários maiores trabalhos de ajustagem.
- 1863 - M. Founeaux: desenvolveu o controle automático das pianolas. Conforme a passagem de ar, podia-se controlar e ativar o mecanismo do teclado e assim produzir as melodias.
- 1948 - John C. Parsons: cria o método numérico para controle de trajetórias. Nesta mesma época, em função do grande desafio de produzir componentes aeronáuticos de formas complexas e de precisão, tal método foi incorporado a uma máquina-ferramenta. Desta forma, a idéia era desenvolver uma máquina que controlasse seu posicionamento (fuso) diretamente da saída do computador. Assim, John C. Parsons e o MIT (Massachusetts Institute of Technology), propuseram os seguintes passos: - uso do computador para calcular o caminho da ferramenta e armazenar estes dados em cartões perfurados; - uso de dispositivos de leituras na máquina-ferramenta para ler estes cartões perfurados; - uso de um sistema de controle, que, continuamente, fornecem os dados apropriados para os motores de acionamentos, que seriam atachados aos fusos de roscar das máquinas.
- 1952 - A primeira máquina-ferramenta controlada numericamente (Cincinnati-Hydrotel) foi demonstrada com sucesso no MIT. A unidade de controle era constituída de válvulas, controlando 3 eixos e com dispositivo de leitura de fita perfurada (código binário). O uso do computador era exigido, principalmente, devido as complexas trajetórias da ferramenta de corte. A união do computador ao "hardware" da máquina caracterizou a segunda revolução industrial.
- 1957 - Aplicação na Força Aérea Americana, das máquina CNC. Cooperação entre a Associação da Indústria Aeronáutica e o MIT.
- 1960-70 - Aplicação bastante ampla das máquinas CNC nas industrias de manufatura.
- 1980 - Surgimento dos sistemas CAD/CAM e DNC para geração e transmissão de programas para as máquinas CNC. Aparecimento dos sistemas FMS (Sistema Flexível de Manufatura), com a utilização de máquinas CNC.
Tipos de Comando Numérico
Com o termo comando numérico, entendem-se definir, geralmente, as técnicas e os métodos que permitem adicionar e dirigir uma máquina-ferramenta, mediante informações do tipo numérico, fornecidas por diversos equipamentos eletrônicos. Existem diversos critérios para se classificar um comando numérico; no momento vamos nos atentar quanto ao tipo de movimento.
Comando Numérico Ponto-a-Ponto
É caracterizado pela movimentação rápida de todos os eixos de forma independente até que cada eixo tenha localizado a posição programada. Logicamente, não deverá existir contato entre a peça e ferramenta durante esta movimentação. Este controle, simples e barato, é tipicamente usado em furadeiras, puncionadeiras, mandrilhadoras, etc.
Comando Numérico Contínuo
Este tipo de comando numérico é dotado de uma velocidade precisa de posicionamento em qualquer ponto do espaço, uma vez que todos os eixos do CNC são precisamente controlados. Uma rotina chamada "interpolador" coordena os movimentos de cada eixo pelo cálculo dos pontos de saída e então controla o movimento relativo dos eixos para assegurar que o ponto final para cada eixo é alcançado simultaneamente, evitando, assim, erros de curso. Dependendo do número de eixos controlados simultaneamente, existem 2, 3 ou mais controladores. Interpolações sucessivas em duas dimensões (2D) em cada um dos três planos principais (xy, xz, yz) é chamada controle 2 1/2 D, e interpolações simultâneas nos três planos é chamada controle 3D.
Comando Numérico Paraxial
É uma evolução do comando ponto-a-ponto, isso porque, além do posicionamento dos eixos, ele passa a garantir também a direção da ferramenta e o avanço de corte.
É um dos dispositivos mais antigos. A fita perfurada é "lida ou percorrida" foto- eletricamente com uma velocidade entre 150 a 300 caracteres por segundo (cps).
Teclado
Com um teclado ASCII, o usuário entra com os blocos do programa palavra por palavra e o CNC armazena o programa em sua memória.
Fitas Cassetes Magnéticas
As fitas cassetes são convenientes quando a quantidade de dados a ser armazenado é bastante grande.
Disquetes
Os disquetes são similares no princípio de funcionamento das fitas magnéticas. Existem dois tamanhos mais comuns (3 1/2 e 5 1/4 polegadas) sendo os de 3 1/2 de polegadas mais apropriados para as condições de chão - de - fábrica.
Porta Serial RS232C
Dotadas de uma porta desta porta de comunicação serial, as máquinas CNC passaram a transmitir programas através de cabos e conectores RS232C, sendo necessário para isso apenas uma interface de comunicação periférica e meio físico adequado, tornando-se um dos sistemas mais rápidos e seguros de comunicação.
Cartão de Memória ou Pen Drive
Muitos dos modelos atuais de CNC utilizam esta solução com entrada de dados, pois tem como grande vantagem a alta capacidade de armazenamento de informações.
Bluetooth
Através de um receptor sem fio conectado a porta serial da maquina CNC e transmissor conectados ao computador, é possível fazer a transmissão de dados entre os 2.
Rede e internet
As máquinas de última geração já possuem este meio de entrada de dados, onde a maquina pode ser conectada a uma rede de computadores e a partir daí, o próprio operador da máquina pode selecionar um programa a ser executado na máquina, que pode estar armazenado em qualquer lugar da rede.
Características das máquinas CNC
As máquinas CNC foram criadas a partir de máquinas convencionais. Apesar disto, muitos de seus componentes tiveram de ser projetados novamente com o propósito de atender as exigências de qualidade e produtividade. Algumas máquinas CNC têm características específicas, variando em função do tipo do processo produtivo, porém algumas características são comuns :
- A parte mecânica é formada por conjuntos estáticos e dinâmicos cada vez mais precisos. As guias comuns das máquinas foram substituídas por guias temperadas e de materiais especiais que possibilitam a diminuição do atrito e das folgas, pois como a produção foi aumentada, as máquinas CNC necessitaram de maior resistência ao desgaste.
- As massas móveis das máquinas devem de ser diminuídas em função do aumento das velocidades do processo de usinagem.
Eixo X; refere-se às medidas na direção
longitudinal da mesa;
Eixo Y; refere-se às medidas na direção
transversal da mesa;
Eixo Z; refere-se às medidas na direção
vertical da ferramenta.
Coordenadas Absolutas
No modo de programação em absoluto as posições são medidas da posição zero atual
(zero peça) estabelecido. Com vista ao movimento da ferramenta isto significa:
⇒ A dimensão absoluta descreve a posição para a qual a ferramenta deve ir.
Função G90 – Coordenadas Absolutas
As coordenadas absolutas são definidas através do código G90 e seus valores sempre
deverão estar em relação ao ponto zero da peça.
Coordenadas Incrementais
No modo de programação em incremental as posições dos eixos são medidas a partir da
posição anteriormente estabelecida. Com vista ao movimento da ferramenta isto
significa:
⇒ A dimensão incremental descreve a distância a ser percorrida pela ferramenta a partir da posição atual da mesma (após o último movimento).
Função G91 – Coordenadas Incrementais
Coordenadas incrementais são definidas através do código G91 e seus valores sempre
serão obtidos em relação ao último posicionamento da ferramenta.
Coordenadas polares
Até agora o método de determinação dos pontos era descrito num sistema de
coordenadas cartesianas, porém existe uma outra maneira de declarar os pontos, neste
caso, em função de ângulos e centros.
O ponto, a partir do qual saem as cotas chama-se “pólo” (centro dos raios).
Programação de máquinas CNC
A programação CNC compreende a preparação dos dados para usinagem da peça pela máquina. Estes dados são informados para a máquina CNC através do programa CNC. As informações contidas no programa são referentes às dimensões e qualidades da peça, parâmetros de usinagem, funções de máquina, dados de ferramentas e informações tecnológicas, que permitam que a máquina produza a peça de forma automática, sem a intervenção do operador.
Fases de Programação do CNC
Sabendo o que deve ser feito e de que forma deve ocorrer a usinagem da peça, o programador passa a fazer o programa CNC, que consiste em uma série de comandos que informam à máquina os detalhes necessários para a fabricação da peça. Durante a programação, devem ser escritas listas de ferramentas para que o setor responsável pelas ferramentas possa ir preparando-as para a fabricação. Também o programador deve preparar um plano de set-up, indicando a forma de fixação na máquina e o ponto zero peça para cada fase de usinagem, o número do programa CNC, o dispositivo de fixação a ser utilizado. Estes documentos são documentos auxiliares da produção, e têm o objetivo de facilitar e agilizar o trabalho do operador de máquina. Porém deve-se tomar cuidado com a burocratização do processo produtivo, evitando documentos desnecessários. Deve-se ainda lembrar que na indústria CNC, o planejamento e as decisões de como fazer o trabalho devem ser feitas antes da usinagem das peças. Neste tipo de indústria, aumentam as responsabilidades sobre o programador CNC, pois o propósito é de que sejam feitas as peças da maneira correta logo na primeira vez em que se esteja executando a usinagem.
O Formato do Programa
Os blocos de programas normalmente consistem de várias palavras.
Cada bloco possui um formato que deve ser seguido e, normalmente, inicia com uma letra (N) e um número seqüencial, seguido por funções de interpolação, coordenadas, avanço, rotação e funções miscelâneas, por exemplo:
N30 G02 X100. Y238.5 Z0 I0 J20 F100 S1300 T02 M
- N - determina o número do bloco;
- Gxx - são funções preparatórias que determinam condições de movimentação;
- X,Y e Z - são as coordenadas para deslocamento;
- I, J e K - são parâmetros auxiliares para deslocamentos em forma circular;
- F - determina o avanço da ferramenta em relação a peça [mm/min ou mm/ rot];
- S - determina a rotação da ferramenta (fresadora) ou da peça (torno) [rpm];
- Txx - determina o número no magazine da ferramenta que será utilizada;
- Mxx - são funções miscelânea relativas a fluído de corte, sentido de rotação.
Determinação do zero peça
Normalmente na programação CNC, não se trabalha com coordenadas relativas ao zero máquina. Isto se deve ao fato de que a mesma peça pode ser fabricada em diferentes máquinas. Neste caso, não importa para o programador qual é a posição que a peça irá ocupar na máquina, e sim apenas as suas dimensões geométricas. Uma prática comum na programação CNC é a de estabelecer a origem do eixo Z na face da peça. Desta forma, para usinar a peça será necessário trabalhar no programa com valores negativos de coordenadas, sendo que as coordenadas positivas indicarão que a ferramenta não está "dentro" da peça. Para torneamento, é comum utilizar a face da peça como referência para o eixo Z, e o centro de simetria como referência para o eixo X. Para fresamento e mandrilamento, é comum a utilização de uma das arestas da peça como referência para X e Y. Também é comum utilizar a face da peça como referência para o eixo Z. Em todos os casos, porém, é importante que sejam indicados os pontos zero peça para o operador através do plano de set-up. É importante que o ponto zero peça seja de fácil localização para operador, pois este precisará informar para a máquina sua posição relativa ao sistema de coordenadas da máquina. Também é interessante fazer comentários dentro do programa CNC sobre a localização do ponto zero peça. Estes comentários são importantes para chamar a atenção do operador sobre a posição do ponto zero peça.
Aplicações Industriais do CNC
- Usinagem
- Soldagem
- Corte( Puncionadeiras, prensas)
- Injeção de Materiais
- Inspeção e Medição
- Sistemas de montagem
Comparativo entre usinagem convencional e CNC
A forma de trabalho na usinagem CNC é diferente da forma de trabalho na usinagem convencional.
Usinagem convencional
Algumas desvantagens do comando numérico:
- Alto custo de implementação (custo inicial)
- Mão de obra qualificada para manutenção e programação
- Maior exigência de organização entre os setores da empresa
