CURSO DE PROGRAMAÇÃO CNC
Curso de programação CNC 1
CNC
COMANDO NUMÉRICO
COMPUTADORIZADO
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Prof. Claudimir Rebeyka, M.Sc.
Agosto / 2008
CNC – COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO
Comando Numérico Computadorizado Prof. Claudimir Rebeyka 2
1. CNC E O AMBIENTE DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ................................... 3
1.1. Comparativo entre usinagem convencional e usinagem com CNC ..... 4
2. DEFINIÇÃO DO COMANDO NUMÉRICO E SEUS DIFERENTES TIPOS .... 6
3. COMPONENTES DE UMA MÁQUINA CNC .................................................... 9
4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CNC ......................................... 13
5. INFORMAÇÕES NECESSÁRIAS AO FUNCIONAMENTO DO CNC ....... 14
5.1. Pontos de referência utilizados nas máquinas CNC................................. 14
5.2. Eixos e sentidos de movimento .................................................................... 16
5.3. Determinação do zero peça ....................................................................... 18
5.4. Dados de ferramentas para usinagem ...................................................... 20
5.5. Gerenciamento de ferramentas e métodos de medição ...................... 21
6. TRANSFERÊNCIA DE DADOS PARA O CNC ................................................ 26
6.1. Transferência de dados de ferramentas para os CNC ............................ 27
7. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 30
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1. CNC E O AMBIENTE DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
O desenvolvimento na indústria mecânica é determinado pela busca de
processos de fabricação mais rápidos e automáticos, onde a produção possa
ser feita com a melhor relação entre custo e qualidade. Para a execução das
tarefas são desenvolvidas máquinas e formas de controle, como por exemplo, o
CNC, bem como metodologias de trabalho que diminuam a intervenção do
homem, facilitando o trabalho e garantindo a repetibilidade do produto.
A automação se desenvolve com a aplicação de sistemas mecânicos,
eletrônicos e computacionais na operação e controle da produção. Desta
forma, a automação é relacionada com as atividades físicas da fábrica. Os
sistemas de produção automatizados são projetados para executar o
processamento, montagem, manuseio de materiais e atividades de inspeção
com pequena senão nenhuma participação humana.
Já o termo CIM (Computer Integrated Manufacturing), foi proposto devido
ao extensivo uso de computadores no projeto de produtos, planejamento da
produção, controle de operações e execução de várias tarefas comuns às
empresas de manufatura, e está relacionado com as funções de
processamento das informações necessárias à produção.
O CNC utiliza um programa de instruções que é transmitido
eletronicamente ao equipamento de produção para regular suas funções e sua
operação. A capacidade de mudança no programa é que faz do CNC uma
tecnologia flexível e apropriada para produção de baixo e médio volume. É
muito mais fácil escrever novos programas do que modificar o equipamento de
produção. Isto faz com que as máquinas CNC sejam elementos do CIM
executando funções da produção de forma automatizada.
O CNC é hoje o mais dinâmico processo de fabricação de peças,
constituindo um dos maiores desenvolvimentos para a automação de máquinas
para usinagem. Ele representa investimento inicial maior, porém quando a sua
aplicação é bem estruturada, o investimento é compensado devido às
vantagens do processo, ao produzir peças com menor tempo fabricação,
aumentar a qualidade do produto, produzir com maior eficiência e desta
maneira aumentando também a produtividade.
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Os primeiros esforços
para a aplicação de
comando numérico em
máquinas operatrizes
tiveram início em 1949, no
Laboratório de Servo
Mecanismo do Instituto de
Tecnologia de
Massachussets (M.I.T),
associado a U.S. Air Force e
Parsons Corporation of
Traverse City, de Michigan.
A primeira linguagem
de programação de
máquinas foi o APT
(Automatically Programed
Tool) pelo MIT em 1956. Já
no final de 1962, todos os maiores fabricantes de máquinas ferramentas estavam
empenhados na fabricação de máquinas com comando numérico.
Os principais fatores que induziram à pesquisa, aparecimento e introdução
do uso de máquinas operatrizes comandadas numericamente foram:
O avanço tecnológico durante e após a segunda guerra mundial.
A necessidade de adaptação dos equipamentos aos conceitos de
fabricação como baixo custo em pequenos lotes.
Produtos de geometria complexa e alta precisão.
Menor tempo entre projeto do produto e início da fabricação do mesmo.
1.1. Comparativo entre usinagem convencional e usinagem
com CNC
A forma de trabalho na usinagem com CNC é diferente da forma de
trabalho na usinagem convencional.
Na usinagem convencional todas as operações são comandadas
manualmente ou mecanicamente, sendo que o controle das operações é feito
diretamente pelo operador da máquina. Já na usinagem com CNC, o comando
da máquina é efetuado por um computador incorporado na máquina e o
controle das operações é efetuado por sensores eletrônicos.
Figura ilustrativa de uma máquina
controlada por CNC
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Usinagem convencional:
Na usinagem convencional o operário é o principal elemento do sistema
de produção, pois cabem a ele as decisões sobre a execução do trabalho.
Diante da máquina o operador irá receber:
A ordem de produção
O desenho da peça
Os dispositivos de fixação e instrumentos de medição
As peças em bruto ou semi-acabadas
As ferramentas a serem utilizadas
Com base nestas informações, cabem ao operador as tarefas de:
interpretar, decidir, executar, controlar e informar sobre o trabalho a ser
realizado. Desta forma, a eficiência do processo produtivo dependerá
diretamente da experiência do operador. Operadores de máquina mais
experientes farão o trabalho com maior facilidade que operadores iniciantes.
Usinagem com CN:
Já na usinagem com CN, o número de informações é bem maior, pois o
operador recebe:
A ordem de produção
Toda a documentação da peça a ser usinada, desenhos, planos de fixação
e listas de ferramentas
Os dispositivos de fixação e instrumentos de medição
As peças em bruto ou semi-acabadas
O programa CN preparado no escritório, com todos os dados de corte,
seqüência de movimentos da máquina e funções auxiliares
As ferramentas montadas e posicionadas no porta ferramentas da máquina.
Estas ferramentas são trocadas automaticamente pela máquina CN,
comandadas pelo programa CN
Assim, na usinagem com CN, cabem ao operador as tarefas de: executar
e informar sobre o serviço. As tarefas de interpretação e decisão são realizadas
antes da usinagem, pelo programador de CN. A tarefa de controle pode ser
feita pela própria máquina, e em casos específicos pelo controle de qualidade
da empresa, reduzindo o tempo de preparação da máquina.
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2. DEFINIÇÃO DO COMANDO NUMÉRICO E SEUS DIFERENTES TIPOS
DEFINIÇÃO
O comando numérico é um equipamento eletrônico capaz de receber
informações por meio de entrada própria, compilar estas informações e
transmiti-las em forma de comando à máquina, de modo que esta, sem a
intervenção do operador, realize as operações na seqüência programada.
COMANDO NUMÉRICO PONTO A PONTO
Neste tipo de comando, para alcançar uma determinada posição
programada, a máquina se desloca com movimentos independentes, sem uma
trajetória pré-definida e controlada. Nenhum tipo de operação de fabricação
pode ocorrer durante este deslocamento, somente depois que a máquina
alcance completamente a posição programada. Este comando é simples e
barato, e é utilizado em máquinas onde sejam necessárias rapidez e precisão de
posicionamento final, independente da trajetória percorrida.
COMANDO NUMÉRICO CONTÍNUO - CN
Neste tipo de comando a movimentação da máquina é controlada
individualmente e continuamente, com uma exata relação entre os eixos da
máquina, para que a trajetória seja perfeitamente definida, na sua forma de
deslocamento bem como em sua velocidade de avanço.
A coordenação dos movimentos é controlada através de um
componente chamado de interpolador. O interpolador calcula os pontos a
serem alcançados e controla o movimento relativo dos eixos assegurando que o
ponto final programado seja alcançado simultaneamente em todos os sentidos
de movimento.
No comando numérico contínuo muitas funções da máquina são
predeterminadas exclusivamente pela estrutura rígida dos circuitos elétricos /
eletrônicos que formam a unidade de comando sendo que o nível de
flexibilidade está ligado à introdução de programas novos ou modificados.
O comando é desenvolvido especificamente para controle de um certo
tipo de máquina, não havendo flexibilidade de aplicação em outros tipos de
equipamentos. Para se fazer uma mudança deste porte seria necessária fazer a
troca do comando numérico.
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COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO - CNC
O comando numérico computadorizado também é um equipamento
eletrônico que traduz informações para as máquinas. A diferença é que esta
tradução é feita através de um microcomputador interno.
As informações do perfil da peça, ou das operações de usinagem são
programadas através de um arquivo de programa. Devido à sua capacidade
de processamento, os CNC podem controlar máquinas mais complexas, com
diversos tipos de usinagem e ferramentas e executar perfis de usinagem mais
complexos. A tarefa do interpolador é realizada por um programa de
computador (software), permitindo interpolações lineares, circulares,
parabólicas e do tipo spline (curva suave que passa por um conjunto de
pontos).
Alguns CNC dispõem de interfaces gráficas para testes de programa. Em
máquinas com este tipo de recurso é possível fazer a programação em um
computador comum, depois transmitir o programa para a máquina, executar o
teste para verificar o percurso da ferramenta antes da usinagem. Isto evita erros
de sintaxe na programação, erros de posicionamento de ferramentas, entre
outros.
No comando numérico computadorizado (CNC), várias funções da
máquina passam a ser flexíveis graças à introdução de um computador na
unidade de comando graças à estrutura lógica da unidade de comando, que
pode ser modificada sem alterar o sistema físico dos circuitos eletrônicos
(hardware). Também é possível executar programas de diagnóstico, no objetivo
de controlar componentes da máquina, evitando falhas e reduzindo o tempo
de reparo.
Na figura abaixo, pode-se observar duas máquinas diferentes operadas
por CNC.
O mesmo tipo de CNC pode controlar diferentes tipos de máquinas
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COMANDO NUMÉRICO ADAPTATIVO - CNA
Possui as funções normais dos CNC e a função adaptativa.
A função adaptativa permite o controle de processo através da medição
em tempo real das variáveis do processo. Podem ser medidas:
Velocidade de corte
Velocidade de avanço
Potência consumida
Dimensões da peça
Nível de vibrações
Com base nestas medições, o comando calcula e ajusta os parâmetros
de usinagem para atingir um desempenho otimizado no processo, durante o
processo.
Apesar das vantagens oferecidas, este sistema ainda custa caro e
apresenta menor confiabilidade, pois existem muitas variáveis para controlar. Por
isto é necessária uma análise criteriosa de viabilidade prática para
implementação em cada caso.
COMANDO NUMÉRICO DISTRIBUÍDO - DNC
Um computador central armazena os programas CNC, e gerencia o fluxo
de informações para várias máquinas CNC, conforme a necessidade. Os
programas podem ser enviados automaticamente, conforme a solicitação do
CNC, ou pelo operador da máquina através de um meio de comunicação.
Existem vários níveis de sistemas DNC, que podem variar desde o simples
armazenamento de dados, até o controle total de um conjunto de máquinas.
Em sistemas bem estruturados, é possível que as máquinas funcionem
independentemente do computador central, aumentando a flexibilidade em
casos de falhas.
Este tipo de comando dispensa o uso de equipamentos locais de leitura
de dados, pois os programas são enviados diretamente através da rede. A
estrutura permite ao operador maior rapidez e facilidade de acesso aos
programas CNC, e permite ao programador fazer a programação off-line.
Como os programas CNC são armazenados em um computador da rede
DNC, isto é, no servidor, o procedimento de cópia de segurança (backup) pode
ser feito automaticamente, evitando a perda de dados.
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Guias com esferas recirculantes
3. COMPONENTES DE UMA MÁQUINA CNC
As máquinas controladas por CNC seguem basicamente a mesma
concepção de projeto mecânico das máquinas de controle convencional em
relação aos processos de usinagem. Porém são necessários alguns cuidados na
sua construção que estão relacionados a seguir:
1. Uso de guias temperadas e associação de materiais que assegurem o mínimo
desgaste. A produção é aumentada de várias vezes pelo uso do CNC, o que
implica em maior número de movimentos e maior desgaste.
2. Posicionamento e forma adequados do barramento (principalmente nos
tornos) de forma a evitar que os cavacos, carregando grande quantidade de
calor, fiquem acumulados sobre as guias o que provocaria deformações
alterando a precisão da máquina.
3. A redução do atrito para melhorar o rendimento e reduzir aquecimento, com
emprego de guias com roletes, guias com esferas, guias hidrostáticas, fusos com
esferas recirculantes, guias com revestimento para redução do atrito.
4. Maior rigidez estática e dinâmica da máquina para assegurar precisão de
execução e grande capacidade de remoção de material.
5. Estudo das condições de trabalho de sistemas servo-comandados, análise dos
efeitos de folga e deformação elástica.
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Servo motor
Servo Driver - Converte os sinais eletrônicos emitidos pelo comando da máquina
em impulsos elétricos que acionam o servo motor.
Servo Motor - Motor de
velocidade variável,
responsável pelo movimento
da mesa da máquina. Para
tornos, o servo motor aciona
os eixos de movimento da
ferramenta.
Tacômetro - Instrumento de
medição responsável pelo
monitormento dos valores de
avanço e rotação dos eixos
da máquina. O tacômetro
fornece informação para o
conversor ou o servo driver da
necessidade ou não de
realimentação dos seus
respectivos motores.
6. Utilização de um sistema de medição dos deslocamentos normalmente eletro-
indutivo ou ótico, robustos e de alta precisão, capaz de resistir ao ambiente
industrial e às vibrações.
Sensores de posição lineares
Similares ao que se pode ver
na figura ao lado. São
fabricados em comprimentos
até 3000mm apresentam-se
em diversos formatos
construtivos como no formato
de haste sendo inclusive
adequado para a
montagem internamente em
cilindros hidráulicos. Podem
ficar alojados em um perfil de
alumínio com cursor em
forma de carrinho ou livre,
sendo excelente substituto
para os potenciômetros
lineares.
Sensor de posição linear
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Os sensores de posição absolutos lineares utilizam-se do princípio
magneto-estritivo para obtenção da posição do cursor. Uma onda de torção é
gerada pela passagem da corrente através dos campos dos imãs do cursor. O
tempo de propagação da onda caracteriza a posição do cursor, ao qual é
associado um sinal de saída.
7. As maiores velocidades de deslocamento das partes móveis exigem um
estudo criterioso dos momentos e das forças de inércia, com cuidado especial
na redução do peso das massas móveis.
8. Motor de acionamento da árvore principal de elevada potência e
capacidade de variação contínua de velocidade. Os motores CC eram os mais
utilizados no passado, mas atualmente os motores de CA são mais empregados,
pois são mais baratos e de baixa manutenção.
9. Previsão de local para colocação da esteira para remoção automática de
cavacos que saem em grande quantidade.
Conversor - Converte os impulsos eletrônicos emitidos pelo comando em
impulsos elétricos que acionam o motor principal da máquina.
Encoder - Transdutor, responsável pela medição de posição dos eixos. Para eixos
lineares, o encoder mede a posição linear, para eixos de rotação o encoder
mede a posição angular. O encoder fornece os dados de posição dos eixos
para o comando da máquina.
Princípio de funcionamento de um sensor de posição linear
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Princípio de funcionamento de um Encoder
Trocador de ferramentas
10. Existência de trocadores automáticos de ferramentas e estrados porta-peça
para alcançar maior produtividade com a redução dos tempos improdutivos de
troca, tanto das peças como das ferramentas, além de reduzir o tempo de
preparação da máquina.
11. Sistema de medição
das ferramentas (pre-
setting). Este tipo de
sistema auxilia na
medição da ferramenta
na própria máquina
CNC.
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Princípio de funcionamento de um CNC
Dispositivo de
entrada de dados
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Mesa da máquina E
Convesor
Motor AC
T
Eixo da máquina E
Servo-driver
Servo motor
T
4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CNC
Na composição eletrônica, definida como unidade de comando, são
introduzidos os dados da peça e do processo de fabricação, que determinam
as tarefas dos acionamentos, enquanto os sinais dos transdutores constituem os
dados de controle dos elementos acionados. Assim, pode-se afirmar que o CNC
funciona em circuito fechado de malha de controle.
Ou seja, o CNC dispara ordens de acionamento e recebe o sinal de
resposta dos elementos acionados. Isto constitui o comando. Pode-se dizer que
é numérico devido ao fato de que toda instrução de processo vem sempre
acompanhada de seu respectivo valor numérico. E o fato de ser
computadorizado é porque que todo processamento ocorre em uma unidade
de comando independente da máquina.
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5. INFORMAÇÕES NECESSÁRIAS AO FUNCIONAMENTO DO CNC
A introdução das informações de comando para o CNC ocorre através
de uma interface de entrada de dados. Como o CNC é um equipamento
destinado à produção, torna-se necessário o armazenamento destas
informações, seja no próprio comando ou em cópias de segurança para
posterior aplicação. Para o seu correto funcionamento, o CNC deve armazenar
dados tecnológicos sobre o processo de fabricação, formas geométricas,
pontos de referência, dimensões de ferramentas, entre outros que possibilitem a
execução do produto de forma automatizada.
A programação CNC é baseada na norma ISO 6983 de 1982, sendo cada
que função da máquina é associada a um código específico. Também
conhecida como “código G”, esta norma estabelece um relacionamento de
texto entre os códigos de comando e as funções da máquina.
Já a norma ISO 14649 é baseada em informações da descrição da tarefa
a ser executada na máquina CNC, bem como especificação das ferramentas,
condições tecnológicas de execução e informações sobre as formas
geométricas do produto. Esta nova forma de programação, também chamada
de STEP – NC propõe uma interface de integração entre o CAM – Computer
Aided Manufacturing e o CNC.
5.1. Pontos de referência utilizados nas máquinas CNC
Para programar uma máquina CNC é necessário estabelecer sistemas de
referência nos quais possam ser descritas posições relativas entre as ferramentas
de fabricação e as peças a serem fabricadas.
A referência da máquina também pode ser chamada de ponto zero
máquina e sua posição é definida pelo fabricante. A referência da peça pode
ser chamada de ponto zero-peça, e sua posição é escolhida pelo programador
CNC. O ponto zero-máquina e o ponto zero-peça indicados na figura a seguir
possibilitam o CNC identificar a posição relativa da peça na mesa da máquina.
O ponto zero-peça é a origem do sistema de coordenadas da peça, que
é definido pelo programador e servirá como referência para usinagem e
programação. A partir deste ponto é que serão programados os caminhos e
posicionamentos das ferramentas e todas as funções de usinagem.A mudança
do sistema de referência é feita no programa e ajustada pelo operador da
máquina. A distância entre o zero-máquina e o zero-peça é determinada
diretamente na máquina pelo operador. Existe uma área no painel de comando
onde o operador informa a posição do zero peça.
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Sistemas de referência (adaptado de Siemens, 1997)
a) b)
a) Ponto zero máquina b) Ponto zero peça
Sistemas de referência (adaptado de Siemens, 1997)
a) b)
a) ponto zero ferramenta em ferramentas de diferentes comprimentos
b) Localização do ponto zero ferramenta na ferramenta e no eixo da máquina
Nos processos de usinagem executados em máquinas controladas por
CNC é comum o uso de ferramentas de corte de geometria definida sendo que
a montagem destas deve ocorrer fora da máquina, no intuito de reduzir o tempo
de preparação e aumentar o tempo de produção.
Para as ferramentas também é aplicado um sistema de referência,
chamado ponto zero-ferramenta, a partir do qual são medidas as dimensões
das ferramentas (Erro! Fonte de referência não encontrada.). Os valores
dimensionais das ferramentas são de extrema importância para o processo de
usinagem CNC, pois baseado nestas informações é que o comando da
máquina irá calcular a trajetória da ponta da ferramenta, de forma a produzir
corretamente a peça usinada.
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Sistemas de coordenadas
O propósito destes sistemas de referência é o de prover um meio de
localização da ferramenta em relação à peça. Considerando o ponto zero
ferramenta o CNC consegue aplicar determinados conjuntos de ferramentas
para confecção da peça de acordo com as especificações do projeto,
atendendo a qualidade necessária para o produto.
O ponto zero ferramenta é localizado no eixo que contém a ferramenta,
próximo da entrada do alojamento do cone porta ferramenta. Este ponto é fixo
e normalizado e coincide com o ponto localizado na parte maior do diâmetro
do cone porta ferramenta, quando a mesma está montada. Durante o
processamento do programa o controle tira os dados de correção necessários
da página de correção de ferramentas e corrige individualmente, para cada
ferramenta diferente, o percurso que a máquina irá percorrer. Com duas
ferramentas diferentes, a máquina executará percursos diferentes para produzir
peças iguais.
5.2. Eixos e sentidos de movimento
Eixo é uma direção segundo a qual podem ser programados os
movimentos relativos entre a ferramenta e a peça de forma contínua e
controlada.
Os eixos
principais determinam
um sistema de
coordenadas
retangulares, de
rotação à direita.
Neste sistema de
coordenadas são
programados
movimentos da
ferramenta.
Na programação
CNC, os eixos
principais são
classificados como
eixos geométricos.
Para cada eixo cartesiano, foi associado um eixo de rotação, a saber:
Eixo A Rotação em torno do eixo X
Eixo B Rotação em torno do eixo Y
Eixo C Rotação em torno do eixo Z
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Regra da mão direita
Os eixos de movimento coincidem com os eixos dos sistemas de
coordenadas cartesianas (X, Y e Z), sendo que os sentidos dos eixos são
determinados pela regra da mão direita.
Foi adotada internacionalmente a convenção de orientar o EIXO "Z" em
sentido paralelo ao eixo -árvore da máquina, contendo o movimento principal
de corte. O sentido positivo do eixo "Z" é aquele na qual a ferramenta se afasta
da peça.
No caso especifico do torno, todo trabalho se processa em um plano que
passa pelo eixo de simetria da peça. Portanto, temos apenas dois eixos: o
Longitudinal por convenção o eixo "Z" e o transversal que será o eixo "X"
(diâmetro ou raio).
Para fresadoras, aplicam-se os eixos geométricos X, Y e Z.
Para máquinas mais complexas, podem ser controlados até mais de cinco
eixos de movimento. Cada um associado a um elemento da máquina. Existem
máquinas com eixos paralelos aos eixos X, Y e Z. Neste caso suas denominações
passam a ser U, V e W, respectivamente.
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Sistemas de coordenadas e zero-peça
5.3. 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.
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Direct Numerical Control (Adaptado de Quinx, 2005)
Também é interessante fazer comentários dentro do programa CNC sobre
a localização do ponto zero peça. Estes comentários serão utilizados pelo
operador da máquina CNC para determinar a posição do ponto zero peça.
Os dados relativos à execução de movimentos durante o processo de
fabricação, bem como as condições tecnológicas e funções de máquina
associadas para execução da usinagem são estabelecidas no programa CNC.
Este programa é escrito em linguagem de programação, geralmente seguindo o
padrão ISO, diretamente no painel do CNC, ou em um computador externo ao
CNC.
Quando o programa é feito diretamente no painel do CNC, não há
necessidade de uma forma de transferência de dados, a não ser para criação
de cópias de segurança. Por outro lado, quando a programação é feita em um
computador externo, há necessidade de uma forma de transferência de dados.
Os métodos mais comuns utilizados para transferência de programas CNC
incluem a utilização de meios magnéticos portáteis (disquete ou CD),
computadores ligados aos CNC através de conexões seriais, e a rede DNC
(Direct Numerical Control). Alguns fabricantes citam o uso de comunicação
através de uma rede com padrão Ethernet em suas máquinas.
AS redes DNC normalmente são utilizadas unicamente para transferência
de programas CNC. Na rede DNC um computador central distante da máquina
CNC armazena os programas de fabricação e gerencia o fluxo de informações
para várias máquinas, conforme a demanda.
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Dimensões da ferramenta utilizadas no CNC (adaptado de
Siemens, 1997 e Traubomatic, 1984)
Conforme o esquema da Erro! Fonte de referência não encontrada., os
dados são enviados automaticamente através de um meio físico de conexão. A
tarefa de programação CNC pode ser realizada em um outro computador
evitando a parada da máquina.
Segundo Robb (1998) a rede DNC evoluiu para um sistema de
gerenciamento de programas CNC, com supervisão de revisão de programa e
distribuição automática para o comando das máquinas. É possível transmitir
programas em blocos, permitir a edição de arquivos diretamente no servidor,
comparar dados, permitir o monitoramento remoto da máquina CNC. Outro
ponto importante na rede DNC é a capacidade de permitir que usuários
tenham acesso a outros dados relacionados com programas CNC, tais como
dimensões de ferramentas, desenhos e outras informações sobre a produção.
De acordo com a literatura consultada, somente Robb (1998) e Kochan e
Cowan (1986) citam a utilização da rede DNC com o propósito de transferir
dados de ferramentas para as máquinas CNC. Entre os demais autores, esta
forma de transferência de dados é aplicada ao envio de programas CNC,
sendo muitas vezes tratada de forma superficial.
5.4. Dados de ferramentas para usinagem
Para usinagem, os dados de ferramentas mais comuns para o processo CNC
são: o seu diâmetro (ou raio) e seu comprimento, além de um número que a
identifique no programa CNC (Siemens, 1997; Traubomatic, 1984).
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Formas de medir ferramentas para máquinas CNC
Segundo Linch (2003), estes dados são tratados pelo CNC geralmente
como uma tabela que fica armazenada em uma área específica da memória
da máquina. O comprimento da ferramenta, medido desde o assentamento no
eixo-árvore da máquina até a aresta de corte, é associado a um valor no
endereço Z e o raio ou diâmetro é associado ao endereço X. O operador CNC
pode fazer ajustes na medida em que as ferramentas desgastam, garantindo a
qualidade da peça produzida.
5.5. Gerenciamento de ferramentas e métodos de medição
De acordo com Boehs et al. (2002), o gerenciamento de ferramentas deve
focar o planejamento estratégico, logístico e técnico da empresa. Cada
conjunto de ferramentas para uma determinada etapa de fabricação deve ser
definido durante o planejamento de processos e deve ser conhecido antes da
etapa de montagem das ferramentas (Boehs et al., 2002). As ferramentas são
montadas de acordo com uma lista de montagem, onde são atribuídos números
para cada ferramenta, que serão necessários no programa CNC de modo a
associar as operações de fabricação que foram a elas estabelecidas. Assim, a
medição de ferramentas é uma tarefa intrínseca ao trabalho executado pelas
máquinas controladas por CNC, e para o seu controle, é necessário um código
único para cada ferramenta.
Segundo Kief e Waters (1992), o propósito da medição de ferramentas é a
localização precisa da aresta de corte e um ponto de referência no corpo da
ferramenta. As formas mais usuais de medição de ferramentas de corte são
apresentadas na figura abaixo.
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Medição por contato da aresta de corte da ferramenta
Medição com usinagem de uma superfície de referência
Segundo Simon et al (2002), uma das formas utilizadas para medição de
ferramentas das máquinas CNC é a usinagem de uma superfície de referência,
com posterior medição da peça e correção dos dados de ferramenta. Neste
caso são introduzidos valores aproximados das dimensões das ferramentas no
comando da máquina e após a usinagem a peça resultante é medida. Os
desvios de medidas determinados em relação às dimensões do desenho são
introduzidos no CNC, como dados de correção para a respectiva ferramenta.
Este tipo de procedimento é bastante utilizado para ajuste do diâmetro de
barras de mandrilar e ferramentas de torneamento montadas diretamente na
máquina CNC, sobretudo quando a máquina não dispõe de suportes
padronizados de ferramentas.
Medição por contato da aresta de corte da ferramenta Uma forma simples de medição do comprimento das ferramentas é a
utilização do próprio CNC para cálculo do comprimento. Para isto basta
encostar a aresta da ferramenta em uma superfície de referência da peça ou
da máquina (Romi, 1987).
Para efetuar a medição por esta técnica, o operador aproxima a
ferramenta e controla o contato da aresta sobre a superfície de referência
geralmente utilizando uma folha de papel conforme a figura abaixo.
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Dispositivo de medição
incorporado (DMI) (Marposs,2004)
Medição de ferramentas com o
auxílio de dispositivos especiais
(Adaptado de Mapal, 2004)
Medição com dispositivos de medição incorporados
Algumas máquinas CNC
dispõem de dispositivos de
medição incorporados (DMI)
dedicados à medição de
ferramentas. Estas máquinas
necessitam de funções
específicas no CNC para controle
destes dispositivos e, apesar da
medição ser mais rápida que nas
opções anteriores, ainda utilizam
tempo que poderia ser destinado
à produção. O dispositivo de
medição é local e serve apenas à
máquina que o contém.
Este tipo de tecnologia
proporciona a medição da
ferramenta, eliminando erros de
montagem e de localização da
aresta, pois a ferramenta é
medida na posição de trabalho, conforme pode ser visto na figura ao lado
(Marposs, 2004).
Medição com auxílio de dispositivos especiais
Algumas operações de usinagem
podem utilizar ferramentas especiais
que são montadas sempre nas
mesmas dimensões, como exemplo
quando são produzidos grandes
lotes de peças (Kief e Waters, 1992).
Para este tipo de ferramentas
podem ser desenvolvidos dispositivos
especiais para conferência da
posição da aresta de corte,
conforme pode ser observado na
figura ao lado.
A medição pode ser efetuada
com a aplicação de sensores de
contato e mostradores analógicos
(Mapal, 2004).
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Máquina de medir ferramentas (MMF) (adaptado de Zoller, 1995)
Medição com auxílio das Máquinas de Medir Ferramentas
Outra forma bastante comum é a utilização de Máquinas de Medir
Ferramentas – MMF, também chamadas de presetter. De acordo com alguns
autores, estas máquinas permitem a fixação da ferramenta na máquina CNC,
localizando corretamente o ponto de referência da ferramenta (Hanson, 1999;
McCarthy, 1996; Zoller, 2002 e Parlec, 2004). A partir desta posição, entendida
como zero ferramenta é medida a posição da aresta de corte.
Em algumas MMF, a medição da ferramenta é feita por comparação
visual, conforme pode ser visto na figura da página seguinte. Neste caso, o
preparador de ferramentas posiciona a máquina de forma que a sombra da
aresta de corte da ferramenta seja projetada e coincida com a referência do
anteparo de visualização (Zoller, 1995). A máquina apresenta as dimensões da
ferramenta em seu mostrador eletrônico, sendo que algumas máquinas possuem
opção de impressão dos dados de ferramentas.
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Projeção da aresta de corte, mostrador digital e impressora)
(adaptado de Zoller, 1995)
Uma variação da forma medição de ferramentas com auxílio da MMF tem
como base o estabelecimento das dimensões das ferramentas durante o
planejamento de processos.
Toda vez que for produzida determinada peça, a ferramenta apropriada
deverá ser montada, nas dimensões indicadas e de acordo com sua tolerância
de montagem específica para aquele processo, sendo que a MMF é utilizada
apenas para conferência destas dimensões. Neste caso, para uma determinada
etapa da fabricação, o diâmetro e o comprimento de montagem para um
mesmo tipo de ferramenta deve ser idêntico de acordo com as dimensões de
montagem indicadas pelo planejamento de processos. Este tipo de
procedimento é apropriado para a produção de grandes lotes de peças com
pequena variabilidade de ferramentas ou para máquinas multifuso. (Kief e
Waters, 1992).
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6. TRANSFERÊNCIA DE DADOS PARA O CNC
Antigamente, a transferência de dados era realizada através de fitas
perfuradas com as instruções dos dados da peça e condições de usinagem,
definidas pelo programador. Estas fitas podiam ser criadas tanto pelo sistema
manual como através do auxílio do computador. Uma leitora ótica acoplada na
máquina fazia a leitura da fita e passava a instrução de comando à máquina.
A programação manual também podia, e em boa parte das máquinas
atuais ainda pode, ser feita através de teclados alfanuméricos presentes ou
conectados as máquinas de comando numérico, principalmente onde a
simplicidade do trabalho a ser feito e a natureza da operação, não justificam
gastos com sofisticados métodos de programação.
Por outro lado, a programação feita com auxílio do computador,
proporciona, além da rapidez, maior segurança contra erros. Já nos anos 70
foram introduzidas as máquinas CNC que passaram a depender menos da parte
de “hardware”, essencial nos circuitos das anteriores dos anos 60, e ter seu
funcionamento baseado muito mais no “software”.
Os avanços substituíram a entrada manual de dados e as fitas perfuradas
por armazenamento em disquete dos programas ou comunicação remota.
Em casos de programas longos, é possível particionar o programa,
reduzindo a capacidade de memória da máquina. Além disso, é possível fazer o
controle dos tempos de fabricação, tempos de usinagem, tempos de
preparação, permitindo a avaliação do desempenho da máquina.
Formas de transferência de dados para um CNC
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Etiquetas adesivas indicando as dimensões da ferramenta
(adaptado de Zoller, 1995)
Atualmente é possível inserir dados na máquina a partir de uma grande
variedade de programas e linguagens dentre os quais destacam-se os seguintes
métodos de transferência de dados:
Programação direta no próprio comando da máquina
Transferência de arquivos via DNC
Comunicação ON-LINE via microcomputador
Placa de rede (padrão ethernet)
6.1. Transferência de dados de ferramentas para os CNC
A transferência de dados de ferramentas para os CNC depende
diretamente da forma de medição destas ferramentas. As medições de
ferramentas efetuadas diretamente na máquina CNC dispensam a necessidade
de transferência de dados, pois o próprio comando executa a função de
memorização das dimensões da ferramenta. Já em medições efetuadas fora da
máquina CNC há a necessidade de uma forma de transferência de dados para
o comando (Leatham-Jones, 1986).
Na montagem com dispositivos especiais de medição, a transferência de
dados de ferramentas é efetuada somente na primeira preparação da máquina
CNC, geralmente por digitação no painel do CNC. Nas repetições posteriores a
montagem será efetuada na mesma dimensão, bastando efetuar a troca da
ferramenta. Neste caso o comprimento e o diâmetro são estabelecidos com
valores de montagem tolerados, determinados no planejamento de processos
(Mapal, 2005).
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Formas de envio de dados para os CNC (adaptado de Parlec,
2004)
Na montagem feita na MMF, o preparador de ferramentas indica as
dimensões de montagem numa lista que acompanha as ferramentas até a
máquina. Em alguns casos observa-se a impressão de etiquetas adesivas que
são fixadas nas ferramentas para indicar suas dimensões. Neste caso, o
operador da máquina CNC é o responsável pelo gerenciamento das
informações de ferramentas, fazendo a digitação dos valores medidos
diretamente no painel do CNC.
Segundo Kief e Waters (1992), alguns sistemas possibilitam o
armazenamento da identificação da ferramenta e dos valores das dimensões
em um micro-chip, incorporado no suporte da ferramenta. Estes sistemas
representam o atual estado da arte da medição de ferramentas, pois
constituem uma solução integrada para a tarefa de medição e não reduzem a
flexibilidade do CNC visto que não é necessário parar a produção para transferir
os dados das ferramentas. Entretanto, a aplicação deste tipo de sistema implica
na necessidade de MMF especiais e CNC especiais que tenham as funções de
gravação e leitura das informações dos micro-chips.
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De acordo com Parlec (2004) existem várias maneiras pelas quais o CNC
receba os dados de ferramentas gerados em uma MMF, conforme pode ser
observado na figura anterior. É possível acrescentar valores relativos ao ponto
zero ferramenta ou ponto zero da peça para de correção dos valores de
medição das ferramentas.
As MMF podem enviar dados diretamente para a impressora através de
uma interface serial ou USB. Através de uma rede Ethernet, os dados de
ferramentas podem ser enviados da MMF para o controle de célula e em
seguida para o CNC, diretamente para o sistema CAD/CAM ou para o servidor
de rede. Ainda as MMF podem acionar o controlador de micro-chip, onde as
informações sobre ferramentas são armazenadas em um micro-chip para
transferência posterior ao CNC.
De acordo com Zoller (2002), a transferência de dados pode utilizar uma
rede DNC, rede ethernet, disquete ou com o auxílio de um programa que faz o
pós-processamento das informações geradas na MMF.
A existência de máquinas integradas ao sistema da manufatura é
proposta pelos fabricantes das MMF (Parlec, 2005; Zoller, 2005), sendo sua
implementação condicionada à análise técnica. A Zoller dispõe de uma
biblioteca com arquivos de mais de 2000 CNC diferentes para serem integrados
em suas MMF de modelos recentes (Zoller, 2005).
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