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programação cnc centro de usinagem manual
Tipologia: Esquemas
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Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Dalberto Dias da Costa
Dissertação aprovada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná, pela seguinte banca examinadora:
Orientador: Prof. Dr. Dalberto Dias da Costa
Prof. Dr. Nivaldo Lemos Coppini
Prof. Dr. Osíris Canciglieri Jr. Curitiba, 02 de maio de 2003
LISTA DE FIGURAS......................................................................................... iii LISTA DE TABELAS ......................................................................................... v LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .......................................................... vi RESUMO ........................................................................................................ viii
Tabela 1.1 Custo de aquisição para softwares de CAM – módulo fresamento ... 2 Tabela 5.1 Tempos das operações para um programa manual – empresa A ..... 94 Tabela 5.2 Tempos das operações para um programa feito com auxílio do protótipo – empresa A ........................................................................ 94 Tabela 5.3 Tempos das operações para um programa escrito manualmente – empresa B .......................................................................................... 95 Tabela 5.4 Tempos das operações para um programa feito com auxílio do protótipo – empresa B ........................................................................ 95 Tabela 5.5 Tempos das operações para um programa escrito manualmente – empresa C ......................................................................................... 96 Tabela 5.6 Tempos das operações para um programa feito com auxílio do protótipo – empresa C ....................................................................... 97
DCI Data Communication Interface Interface de comunicação de dados. DNC Distributed Numerical Control Comando numérico distribuído DOS Disk Operating System Sistema operacional de disco EOB End Of Block Final de bloco EDM Electrical Discharge Machine Usinagem por descarga elétrica HSC High Speed Cuting Usinagem à alta velocidade IGES Initial Graphics Exchange Specification Especificação inicial de troca de dados gráficos – ANSI Y14.26M IHC Interface Humano-Computador OS Operating System Sistema operacional PAL Aplicações Lógicas Programáveis PC Personal computer Computador pessoal SLT Solid Logic Technology Chips de estado sólido SQL Structured Query Language Linguagem estruturada de pesquisa de DB STEP Standard for Exchange of Product Model Data Padrão para transferência de dados de produto TAF Troca Automática de ferramenta VB Visual Basic Linguagem de programação
O processo de globalização pelo qual se está passando desafia a indústria da manufatura a trazer para o mercado novos produtos bem projetados e de alta qualidade a preços competitivos no menor intervalo de tempo possível. Na área de usinagem, o desenvolvimento de novas geometrias e novos materiais para a fabricação de ferramentas, associado a novos projetos de máquinas-ferramenta, como por exemplo, as máquinas HSC (High Speed Cuting), abreviaram radicalmente os tempos diretos de processo. No caso específico das máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado), o fator tempo de processo é reduzido substancialmente pela eliminação dos tempos improdutivos, como por exemplo à tarefa de elaborar programas de usinagem e a alta versatilidade englobando várias operações em uma só máquina, diminuindo ainda mais os tempos mortos intermediários. Reduzir tais tempos tornou-se, portanto, uma tarefa imposta pelas circunstâncias reinantes em qualquer indústria moderna. Este trabalho tem como objetivo abranger este problema através do desenvolvimento de um sistema para edição e simulação de programas CNC específico para ambientes de manufatura semi integrado, utilizando linguagem técnica com interface amigável e interativa, rodando em ambiente Windows. O programa foi desenvolvido em Visual Basic e foi dividido em três módulos funcionais: editor, simulador de trajetória de ferramenta e transmissor para se efetuar a transferência do programa de usinagem do PC para a máquina CNC. O programa foi testado em ambiente fabril em simulação e usinagem de peças, gerando o código corretamente, com um nível de detalhamento na simulação superior ao do comando da máquina o que permitiu concluir que o protótipo apresentado poderá desempenhar um papel importante na tarefa de redução de tempos manuais em programação CNC. Palavras-Chave : Usinagem, CNC, Simulação, CAM
O processo de globalização pelo qual está se passando desafia a indústria da manufatura a trazer para o mercado novos produtos bem projetados e de alta qualidade a preços competitivos no menor intervalo de tempo possível (Porter90), (Coutinho et.al. 95). Na área de usinagem, o desenvolvimento de novas geometrias e novos materiais para a fabricação de ferramentas, associado a novos projetos de máquinas-ferramenta, como por exemplo, as máquinas HSC (High Speed Cuting), abreviaram radicalmente os tempos diretos de processo. No caso específico das máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado), o fator tempo de processo é reduzido substancialmente pela eliminação dos tempos improdutivos, como por exemplo à tarefa de elaborar programas de usinagem e a alta versatilidade destas máquinas que englobam várias operações em uma só máquina o que diminuí ainda mais os tempos mortos intermediários (Mastelari96). Quanto à tarefa de elaboração de programas de usinagem CNC, que está embutida dentro dos custos indiretos de produção, é um trabalho demorado com grau de dificuldade proporcional à complexidade da geometria da peça exigindo, primeiramente, uma fase de estudo e elaboração do programa propriamente dito e uma segunda fase para a introdução do programa na memória da máquina, testes e simulação. Nesta segunda fase, em ambientes onde a manufatura não é integrada, associa-se ao custo indireto de elaboração do programa a necessidade de manter-se a máquina parada até o término dos testes com o programa. Para minimizar este tempo de máquina parada pode-se lançar mão de uma técnica de integração da manufatura com relação ao desenvolvimento de projeto através de um sistema CAD/CAM (Preston at.al. 84). Infelizmente, tal sistema tem um alto custo de aquisição (Tabela 1) e demandam uma mão-de-obra altamente especializada, exigindo treinamento e um tempo relativamente longo de aprendizado para o total domínio da ferramenta (Prestam at.al. 84). Além deste custo de aquisição e treinamento a maioria dos sistemas
CAD/CAM exige que se efetue um contrato de manutenção anual para se ter acesso aos novos lançamentos com as atualizações do software o que também representa um aumento de custos indiretos. SOFTWARE MÓDULO CUSTO DE AQUISIÇÃO EM U$$
MasterCam Fresamento completo até 3 eixos 18.600,00 40h 260, Powermill Fresamento completo até 5 eixos 23.500,00 40h 950, Cymatron Fresamento completo até 3 eixos 18.500,00 40h 950, Catia CAD e fresamento completo até 3 eixos 27.000,00 96h – CAD 52h - CAM
TABELA 1.1 – Custo de aquisição para softwares de CAM – módulo de fresamento (U$$ 1 = R$3,52 em 10/03/03) É conhecido, também, que existe um grande número de empresas trabalhando com fluxo de informações baseado em papel (Costa01), que não dispõem de recursos para investimentos e manutenção de um sistema integrado CAD/CAM (por deficiência própria ou da cadeia na qual ela encontra-se inserida). Ainda, que os recursos humanos dessas não são capazes de absorver tais tecnologias. Esta deficiência em recursos humanos treinados foi observada durante curso realizado no laboratório de
máquinas e atualmente, com a mudança do comando para o SINUMERIK a pergunta é o que fazer com as máquinas antigas e o que se deve fazer para suprir o mercado de programadores para os novos tipos de comandos. Para tentar responder a questão acima se têm dois caminhos: pode-se investir em treinamento de pessoal e compatibilizá-los com sofisticação do equipamento ou desenvolverem-se soluções mais simples e baratas. Neste trabalho, é apresentada uma proposta seguindo a segunda opção. Um outro problema é em relação à ergonomia de alguns comandos CNC. Existe a dificuldade em se digitar programas utilizando o teclado da interface. A posição do teclado é desconfortável o que causa um cansaço físico mesmo para a digitação de programas curtos e as teclas exige um razoável esforço para serem pressionadas 1.2 – OBJETIVO O objetivo a ser alcançado neste trabalho é elaborar e validar uma ferramenta computacional protótipo a baixo custo para a geração de programas CNC 2 ½ eixos para centros de usinagem tendo como base o comando MACH9MP da ROMI. 1.3 – METAS Para atingir o objetivo acima definimos as seguintes metas: a) Implementar protótipo computacional de um editor/simulador; b) Testar o protótipo em ambiente de laboratório; c) Selecionar empresas para participar de testes práticos; d) Realizar treinamento para programadores designados por estas empresas; e) Testar o protótipo em ambiente fabril. 1.4 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Este trabalho esta estruturado da seguinte forma: No capítulo 1 é apresentado os principais obstáculos enfrentados pelos usuários devido a constante evolução e as particularidades de cada comando CNC e ao alto custo de aquisição de sistemas automáticos de programação.
No capítulo 2 é apresentado um embasamento conceitual, descrevendo máquinas CNC e sistemas de programação manual e automática, sendo discutido as vantagens e as desvantagens de uma forma de programação e de outra, bem como a descrição do processo de elaboração de um programa CNC. No capítulo 3 são apresentadas as bases para a análise de interfaces na área de interação Humano-Computador (IHC) com ênfase a tecnologia de features principalmente as features de usinagem já que, no desenvolvimento do protótipo foi procurado representar as diversas funções de usinagem por meio destas entidades. No capítulo 4 é apresentado uma descrição detalhada de todas os módulos que compõe o protótipo implementado juntamente com o processo de preenchimento das informações necessárias para a elaboração de programas CNC e as diversas etapas de testes a que a ferramenta foi submetida para a sua validação. No capítulo 5 são apresentados os resultados obtidos dos testes práticos realizados no capítulo 4. Por fim, no capítulo 6, são apresentadas as conclusões sobre o trabalho desenvolvido e as propostas para trabalhos futuros.
O principal fator que forçou os meios industriais a essa busca foi a segunda guerra mundial. Durante a guerra as necessidades de evolução foram de papel decisivo: necessitava-se de muitos aviões, tanques, barcos, navios, armas, caminhões, etc..., tudo em ritmo elevado de produção e com grande precisão dimensional pois a guerra estava consumindo tudo, inclusive com a mão de obra. Grande parte da mão de obra masculina utilizada pelas fábricas como especializada 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. Diante deste desafio iniciou-se o processo de pesquisa onde surgiu a máquina comandada numericamente. A primeira ação neste sentido surgiu em 1949 no laboratório de Servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), com a união da Força Aérea Norte Americana (U.S. Air Force) e a empresa Parsons Corporation of Traverse City, Michigan (Pressman77) (Machado90). 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 para acionamento dos 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 (Machado90). Após este período a Força Aérea Norte americana 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 produzidas 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 CNC principalmente na indústria aeronáutica. Em 1956 surgiu o trocador automático de ferramentas, mais tarde em 1958, os equipamentos com comando de posicionamento ponto a ponto com a conseqüente melhora na geração contínua de contornos por este sistema em desenvolvimento (DeGarmo97).
A partir de 1957 houve nos Estados Unidos uma grande corrida na fabricação de máquinas comandadas por CNC pois os industriais investiam até então em adaptações do CNC 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 (Smid00). A falta de padronização era bastante sentida em empresas que tivessem mais de uma máquina com 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 chamar-se EIA244A ou ASCII (Smid00). 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 (Pressman77) (Stemmer81), que será vista adiante em capítulo específico. Daí para frente foram desenvolvidas outras linguagens para a geração contínua de contornos como AutoPrompt (Automatic Programming of Machine Tools), ADAPT, Compact II, Action, e outros que surgiram e continuam surgindo para novas aplicações (SENAI85) (Machado90). 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. Em 1967 surgiam no Brasil as primeiras máquinas controladas numericamente vindas dos Estados Unidos (Stemmer81). No início da década de 70 surgem as primeiras máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado) e no Brasil surgem as primeiras máquinas
