2. Noções Básicas de Comando Numérico
2.1. Introdução
O Comando Numérico (NC) representa a automatização do processo de fabricação executado por uma máquina-ferramenta no sentido de que todas as informações, tanto geométricas quanto tecnológicas, necessárias para fabricação de uma peça, sejam codificadas em um programa. A partir do programa o processo é inteiramente automático, sendo as informações lidas pelo comando e executadas pela máquina.
A seguir são apresentadas as principais características do Comando Numérico, bem como o princípio de funcionamento de uma máquina CNC.
2.2. Definição de Comando Numérico
Uma definição simplificada de NC seria: um sistema de controle capaz de receber informações numéricas por meio de entrada própria, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz, de modo que esta, “sem” a intervenção do operador, realize as operações na seqüência programada.
As máquinas-ferramenta podem ter uma combinação de eixos de deslocamento lineares e rotacionais. Para o controle digital destes eixos, cada eixo NC precisa um sistema de medição eletrônico do deslocamento e um sistema de acionamento de um motor controlável numericamente. Estes dois sistemas devem estar diretamente ligados ao controle numérico da máquina. Simplificadamente, pode- se colocar que o NC trabalha da seguinte forma: os valores de posicionamento desejados (target) são comparados continuamente com os valores atuais (medidos pelos sistemas de medição eletrônicos) e então sinais são enviados ao motor do eixo apropriado para eliminar qualquer diferença entre estes dois valores. A Figura 2.1 mostra este tipo de controle, chamado de controle de laço fechado (closed loop control).
Um programa chamado de Interpolador coordena os movimentos de cada eixo calculando os pontos de chegada ao longo da trajetória pretendida e então controla o movimento relativo dos eixos para assegurar que o ponto de chegada para cada eixo seja alcançado simultaneamente.
A fabricação com Comando Numérico pode ser imaginada como a associação de três elementos [1]:
- A programação - chamada também de software, contém os dados necessários para a usinagem da peça e responde às seguintes perguntas:
o que fazer? (peça);
onde? (dados geométricos de peças);
quando? (seqüência de operação);
com que? (ferramenta) e
- O gabinete de Comando Numérico - também chamado hardware (embora os atuais gabinetes sejam praticamente só do tipo CNC e exijam também uma parte de software para sua operação), abriga a unidade de recepção de programas (leitora de fita, leitora de fitas magnéticas, cassetes, unidade de disco ou entrada RS 232) e a unidade de processamento (computador-interpolador), responsável pelo processamento dos dados e transmissão à unidade de acionamento da máquina através da interface.
- A máquina-ferramenta - com seus elementos de comando, acionamento e medição.
Figura 2.1 - Princípio do controle CNC de laço fechado (closed loop control) [3]
A Figura 2.2 apresenta simplificadamente o esquema de funcionamento de um equipamento CNC. Cada uma destas partes será estudada em mais detalhes neste capítulo e nos subsequentes.
O que, onde, quando, com que, como
Interface Relés, chaves e embreagens
Servo- motores
Medição
Usinagem Peça
Bruta
Peça Acabada Unidade de Recepção
Unidade de Processamento
Programa
Gabinete (Controle)
Máquina
Figura 2.2 - Componentes de um sistema de Comando Numérico [1]
Interpolador
2.3. Metodologia de Trabalho Convencional X CNC
A forma de trabalho com máquinas NC difere consideravelmente da maneira convencional, mudando a filosofia de atuação do operador. Na indústria tradicional o operário (Figura 2.3) diante da máquina, recebe:
- a ordem de serviço (com o número de peças a executar, velocidade de corte e de avanço, tempo previsto para a usinagem, etc.);
- o desenho da peça;
- as ferramentas afiadas;
- os dispositivos de fixação (eventualmente);
- e as peças em bruto ou semi-elaboradas.
Com base nestas informações, cabe ao operador as tarefas de Interpretar, Decidir e Informar sobre o trabalho a ser realizado. Do tempo total disponível para a execução da tarefa, uma parcela ponderável refere-se ao tempo de preparação: limpeza da máquina, lubrificação, montagem de novas ferramentas e dos dispositivos, estudo do desenho e das instruções, etc.
Figura 2.3 - Fabricação usando máquinas convencionais [1]
Na máquina com Comando Numérico, o operador recebe (Figura 2.4):
1. A ordem de serviço com a documentação completa da peça a usinar, o dispositivo de fixação e a matéria-prima;
2. O programa NC preparado no escritório, com todos os comandos de deslocamento da ferramenta, bem como, ligação de refrigerante, velocidade de corte, de avanço, sentido de rotação, etc;
na máquina.
Matéria-prima Ferramentas
Montadas
Dispositivos de Fixação
Programa
Documentação Completa
Figura 2.4 - Material recebido pelo operador da máquina CNC [1]
Com isto, o tempo de preparação reduz consideravelmente, a produção fica “independente” do operário e praticamente não há refugo.
2.4. Tipos de Controle Numérico
Algumas variações podem ser encontradas entre os controle que trabalham numericamente.
Alguns destes controles são apresentados a seguir.
2.4.1. Controle Numérico Ponto a Ponto
Para alcançar uma determinada coordenada programada, todos os eixos se deslocam independentemente em movimento rápido e sem uma trajetória pré-definida e controlada. Nenhuma usinagem pode ocorrer durante este deslocamento, mas somente depois da máquina completamente posicionada.
Este comando é simples e barato e é empregado em máquinas onde se deseja posicionamento exato, como em puncionadeiras e furadeiras [1, 3, 4].
2.4.2. Controle Numérico Contínuo ou Simplesmente Controle Numérico (NC ou CN)
A movimentação de cada eixo da máquina é precisamente controlada de forma contínua, seja individualmente ou de vários eixos existentes, para que a trajetória seja perfeitamente definida, tanto na sua forma quanto na velocidade de avanço.
Como mencionado anteriormente, um sistema chamado de interpolador é responsável pela coordenação dos movimentos de cada eixo, calculando os pontos a serem alcançados durante a trajetória desejada (linear e circular – Figura 2.5a, b e c) e controlando o deslocamento relativo dos mesmos assegurando que o ponto final programado seja alcançado simultaneamente pelos eixos.
Este comando foi o primeiro a ser utilizado sendo antigo e não mais utilizado em equipamentos novos.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 2.5 - Tipos de interpolações dos eixos: linear (a) e (b), circular (c) e parabólica (d) [3]
2.4.3. Controle Numérico Computadorizado (CNC)
Este controle realiza as mesmas movimentações do anterior, só que dispondo de um computador para realizar o processamento das informações. A tarefa do interpolador neste controle é realizada por um software, permitindo além das interpolações usuais (linear e circular), interpolações parabólicas e spline (curva suave que passa por um conjunto de pontos), como mostrado na Figura 2.5 d. Estes são os controles utilizados atualmente.
de controle numérico, facilitando em muito a operação dos mesmos. Outras vantagens do CNC sobre o NC são apresentadas a seguir.
- Possibilita alterar características do CNC através de programação (software) e não alteração física, isto leva a facilidade de incorporar novos recursos.
- Redução do número de componentes resultando na menor probabilidade de falhas.
- Programas de diagnose permitem que a unidade central verifique o funcionamento de cada componente do controle reduzindo o tempo de reparação de falhas, aumentando o tempo útil disponível da máquina.
- Versatilidade de aplicação, pois o mesmo comando CNC pode ser utilizado para Torno, Fresadora, Centro de Usinagem, etc., com a devida adaptação à cada caso, via software (programação).
Além das tarefas consideradas usuais, porque podem ser realizadas num controle NC tradicional, o moderno controle CNC permite realizar uma série de tarefas especiais, aumentando o grau de eficiência e de automatização da máquina-ferramenta. As tarefas especiais tornadas possíveis com o CNC podem ser agrupadas em 4 categorias [1]:
1) Melhoria das condições de programação e comando:
- armazenagem em memória de todo o programa de usinagem;
- possibilita alteração (correção e otimização) do programa com os comandos de edição;
- correção automática de raios e comprimentos de ferramentas;
2) Expansão das possibilidades de controle:
- digitação;
- delimitação da área de trabalho, evitando ultrapassagem de seus limites por carros e ferramentas;
- diagnose automática de defeitos de controle e da máquina;
3) Melhorias de operação da máquina:
- retomada automática da usinagem, com volta ao ponto de interrupção;
- compensação de folgas e de erros mecânicos de posicionamento;
- aceleração, desaceleração e paradas temporizadas incluídas no programa;
- possibilidade de utilização de ciclos fixos e subprogramas;
- programação paramétrica;
- realização de troca de coordenadas, giros, programação em vários quadrantes, imagens espelho;
- tela CRT (Cathode Ray Tube) para intercomunicação com o operador;
- armazenagem de vários programas em discos flexíveis (floppy disk);
- uso de controles de interface programáveis (PC-programmable control) integrados no CNC;
- inclusão no CNC de funções para o controle adaptativo;
4) Melhoria administrativa:
- comunicação com o operador da máquina;
- interligação com sistemas DNC (Comando Numérico Distribuído - ver item 2.4.5) simplificando a administração e distribuição de programas NC;
2.4.4. Comando Numérico Adaptativo (CNA ou AC)
Possui as funções normais do CNC e a função adaptativa, ou seja, um método de controle de processo que usa sensores para medir, em tempo real, variáveis de processo (Velocidade de corte - Vc, avanço - f, força e potência de corte, medida da peça, vibrações, ...) e baseado nestas, calcular e ajustar parâmetros para atingir um desempenho quase otimizado do processo.
Apesar das vantagens oferecidas, estes sistemas são caros e de pouca confiabilidade, pois existem muitas variáveis a serem controladas. Por este motivo, apesar da viabilidade prática deste tipo de comando, ainda há a necessidade de mais desenvolvimento. Observa-se, no entanto, que as pesquisas neste campo estão caminhando para soluções mais simples, como o monitoramento de algumas variáveis do processo de usinagem, tais como: a quebra/existência da ferramenta, desgaste acentuado do gume de corte, excesso de vibração, etc.
2.4.5. Comando Numérico Distribuído (DNC)
Neste caso, um computador central gerencia continuamente o trabalho de várias máquina CNC, garantindo a ela o suprimento dos programas NC conforme a necessidade. Dependendo do tipo do DNC, os programas podem ser enviados automaticamente conforme solicitação do controle CNC ou pelo operador da máquina através de algum meio de comunicação disponível.
Os sistemas DNC oferecem várias vantagens operacionais:
a) Dispensa o uso da leitora de fita que era um dos maiores motivos de manutenção e conseqüente parada das primeiras máquinas NC e CNC;
b) Maior facilidade e rapidez de acesso à programas armazenados no computador, com finalidades de revisão e edição, bem como, interação mais eficiente entre programador e máquina;
c) Permite a transferência de programas longos, mesmo quando estes não cabem na memória do comando, particionando-os neste caso.
d) Possibilita fazer um levantamento de vários tempos de máquina (usinagem, preparação, tempos improdutivos em geral, etc.), possibilitando a avaliação do desempenho da máquina.
Sistemas bem estruturados, em caso de falha, permitem que os CNC de cada máquina funcionem independentemente do computador central, possibilitando uma maior flexibilidade do sistema.
Há vários níveis de sistemas DNC, indo desde o total controle de uma série de máquinas até a simples comunicação (envio de programas) para uma máquina CNC.
As máquinas CNC mais recentes já permitem ser conectadas em uma rede de computadores como sendo simplesmente mais um ponto da rede. Isto torna a comunicação e troca de programas uma tarefa muito mais simples.
O Comando Numérico caracteriza-se ainda pelas seguintes vantagens [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8]:
a) Grande produtividade, devido a redução do tempo de preparação e tempos secundários de usinagem. Alguns recursos que contribuem para este decréscimo de tempo são:
- Alta rigidez de construção;
- Velocidade e avanços quase sempre contínuos ou com grande variação, trabalhando nas condições bem próximas as recomendadas (calculadas);
- Troca de ferramenta automática;
- Mesa com indexação automática;
- Mesas intercambiáveis (estrados ou pallets);
- Facilidade de preparação da máquina para o trabalho (ferramentas pré-montadas, instruções geométricas e de usinagem no programa),
- Diminuição do número de máquinas necessárias para usinar a peça e em alguns casos “eliminação”
de operações posteriores como rebarbação, acabamento e até retífica.
b) Extrema flexibilidade de fabricação
- Permite usinar as mais variadas peças numa máquina, com um mínimo trabalho de preparação e sem necessidade de gabaritos, modelos, dispositivos de usinagem, etc. Outras vantagens associadas:
- Maior liberdade para os projetos;
- Protótipos mais baratos e maior versatilidade de produção (facilidade de fazer alteração na peça, protótipos para teste, etc.),
- Fidelidade na especificação (o CNC reduz o intervalo existente entre o requerido pelo produto e o conseguido pela fabricação).
c) Grande precisão de execução e repetibilidade
- Redução no controle dimensional, pois faz-se um exame rigoroso na primeira peça e a partir daí inspeciona-se periodicamente, porém, sem a necessidade de uma inspeção detalhada. Em alguns casos a inspeção pode ser feita na própria máquina-ferramenta,
- Redução do custo de montagem final do produto devido ao menor refugo das peças.
d) Possibilidade de controle rígido de fabricação, diretamente do escritório via computador. Erros humanos são reduzidos consideravelmente e o volume de produção não depende mais tanto de maior esforço do operário.
e) Redução do Inventário da produção (Inventário consiste no custo do dinheiro do material em processamento, em esperas e em estoque final de peças prontas). Decorrente da compactação dos ciclos, do menor tempo de fabricação, da maior confiabilidade, de facilidade para se mudar de
f) Diminuição do custo de ferramental
Os dispositivos usados no NC normalmente são simples dispositivos de localização e fixação e que podem ser de certa forma universal.
2.6. Algumas Limitações do CNC
a) Elevado custo
b) Mão-de-obra especializada (programação, manutenção, etc.)
c) Necessidade de elevada organização dos setores (matéria-prima, ferramentaria - preparação das ferramentas, plano de processo detalhado, etc.)
2.7. Componentes, Características e Peculiaridades de Uma Máquina CNC
Levando em conta a necessidade de se produzir cada vez com maior eficiência, as máquinas de comando numérico, embora baseadas em máquinas convencionais, tiveram que ser reprojetadas para atender as exigências de produtividade e qualidade. Para tanto, as seguintes considerações tiveram que ser levadas em conta [1, 3, 6]:
1. Guias temperadas e associação de materiais que assegurem o mínimo desgaste. Pelo Comando Numérico a produção é aumentada de várias vezes, o que implica em maior influência dos movimentos e, consequentemente, maior desgaste;
2. As maiores velocidades de deslocamento dos carros exigem um estudo criterioso dos momentos e das forças de inércia, com cuidado especial na redução do peso das massas móveis;
3. Redução do atrito para eliminar o fenômeno do "stick-slip", melhorar o rendimento, reduzir aquecimento, etc., com emprego de guias com roletes, guias com esferas, fusos com esferas recirculantes (ver Figura 2.6), guias hidrostáticas, com revestimento de epóxi ou plástico, etc.;
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;
6. Posicionamento e forma adequados do barramento (principalmente nos tornos - Figura 2.7) 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;
Figura 2.6 - Guias com roletes e fusos com esferas recirculantes [8]
Figura 2.7 - Barramento inclinados dos tornos CNC [8]
7. Previsão de local para colocação da esteira removedora de cavacos que saem em grande quantidade;
8. Existência de magazines e torres porta ferramentas (Figura 2.8) com trocadores automáticos de ferramentas e estrados porta-peça (Figura 2.9) 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;
9. Sistema de medição (pre-set) das ferramentas;
10. Sistema de medição dos deslocamentos normalmente eletro-indutivo ou ótico (linear ou rotacionais - Figura 2.10), robustos e de alta precisão, capaz de resistir ao ambiente industrial e às vibrações;
