UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
EVERTON LUIS KUNZ SCHNEIDER
ADEQUAÇÃO E CONTROLE DE UM PÓS-PROCESSADOR PARA CENTRO DE USINAGEM VERTICAL
PANAMBÍ 2015
EVERTON LUIS KUNZ SCHNEIDER
ADEQUAÇÃO E CONTROLE DE UM PÓS-PROCESSADOR PARA CENTRO DE USINAGEM VERTICAL
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Professor: Me. Felipe Tusset
PANAMBÍ 2015
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Formas construtivas das máquinas CNC. ... 14
Figura 2 - Imagem do cento de usinagem DYNA DM 2016... 16
Figura 3 - Forma construtiva Dyna – DM2016. ... 17
Figura 4 - Indicação dos eixos coordenados. ... 18
Figura 5 - Fuso de esferas recirculantes ... 19
Figura 6 - Caminho mais curto para eixos rotativos ... 21
Figura 7 - Tipos de magazines para centros de usinagem ... 23
Figura 8 – Formatos padrões dos sistemas de fixação... 24
Figura 9 - Dimensões básicas ... 24
Figura 10 – Principais adaptadores para fixação de ferramentas. ... 25
Figura 11 - Sistema CNC ... 26
Figura 12 - Rampas de Aceleração e Frenagem ... 27
Figura 13 - Forma de controle de movimentos... 28
Figura 14 – Estrutura de eventos do pós-processador ... 36
Figura 15 – Diagrama de Ishikawa ... 38
Figura 16 – Organograma de trabalho ... 39
Figura 17 – Perfil da peça aplicada nos testes. ... 41
Figura 18 – Peça posicionada no Software Edgecam ... 42
Figura 19 – Simulação das operações de desbaste, acabamento e rest finishing. ... 43
Figura 20 – Simulação da furação de centro ... 44
Figura 21 – Lógica da programação adotada para troca de ferramenta ... 45
Figura 22 – Avanços de trajetórias retilíneas. ... 45
Figura 23 - Avanços de trajetórias circular ... 46
Figura 24 – Gráfico comparativo dos tempos ... 52
Figura 25 – Diagrama de Ishikawa ... 53
Figura 26 – Centro de usinagem DINA DM 2016 ... 60
Figura 27 – Matéria prima usinada ... 60
Figura 28 – Cronômetro digital ... 61
Figura 29 – Tela do software Edgecam ... 61
Figura 30 – Tela para ajuste do pós-processador ... 62
Figura 31 – Sistema de fixação do modelo... 62
Figura 34 – Tela de configuração da máquina no pós-processador ... 64
Figura 35 - Tela de configuração do magazine no pós-processador ... 64
Figura 36 - Conversão de avanços rápidos curtos no pós-processador ... 65
Tabela 1– Especificações técnicas Dyna - DM2016. ... 16
Tabela 2 - Parâmetros de Corte ... 43
Tabela 3 – Tempo simulado de cada operação de usinagem ... 48
Tabela 4 - Tempos cronômetrados de cada operação ... 49
Tabela 5 – Tempos de troca de ferramenta sequencial ... 49
Tabela 6 – Tempo de troca de ferramenta aleatória ... 50
Tabela 7 – Tempo médio de troca de ferramentas... 50
Tabela 8 – Tempos de Avanços das trajetórias retilíneas ... 51
Tabela 9 - Tempos de Avanços das trajetórias circulares ... 51
Tabela 10 – Comparativo dos tempos ... 52
Tabela 11 – Variáveis corrigidas do pós-processador ... 54
SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ... 3 LISTA DE TABELAS ... 5 SÍMBOLOGIA ... 8 RESUMO ... 9 ABSTRACT ... 10 INTRODUÇÃO ... 11 1 JUSTIFICATIVAS E OBJETIVOS ... 12 1.1 Descrições do problema ... 12 1.2 Objetivo geral ... 12 1.3 Objetivos específicos ... 12 1.4 Justificativa ... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 14 2.1 Máquinas CNC ... 14
2.2 Centros de usinagem vertical ... 15
2.2.1 Forma construtiva ... 17
2.2.2 Acionamento dos eixos ... 18
2.2.3 Eixos controlados ... 20
2.2.4 Magazine de ferramentas ... 22
2.2.5 Sistema de fixação de ferramentas ... 23
2.2.6 Comandos CNC ... 25
2.2.7 Rampas de aceleração e frenagem ... 26
2.2.8 Cinemática de movimentos ... 28
2.3 Linguagens de programação ... 29
2.4 Sistemas de programação ISO ... 30
2.4.1 Caractére ... 30 2.4.2 Palavra ... 31 2.4.3 Bloco ... 31 2.4.4 Programa ... 31 2.5 Estrutura de programa ... 32 2.6 Softwares de CAM ... 32 2.6.1 Aplicações e funções ... 33
2.6.3 Eventos do programa no pós-processador ... 35
2.6.4 Simulação ... 36
2.6.5 Erros possíveis em programação ... 37
2.7 Diagrama de Ishikawa ... 37
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 39
3.1 Metodologia Experimental ... 39
3.2 Equipamentos utilizados... 40
3.3 Configurações dos Testes ... 40
3.3.1 Peça ... 41
3.3.2 Configuração dos programas CNC ... 41
3.3.3 Coleta de dados ... 46
3.3.4 Método de analise do problema ... 46
3.4 Variáveis do pós-processador ... 47
3.5 Erro Aceitável... 47
4 RESULTADOS ... 48
4.1 Resultados da simulação ... 48
4.2 Resultado da coleta de dados... 48
4.3 Análise de dados coletados... 51
4.3.1 Análise do problema ... 52
4.4 Correção do pós-processador ... 53
4.5 Resultados de testes complementares... 55
5 CONCLUSÃO ... 56
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 57
ANEXO A ... 60
ANEXO B ... 64
CNC...Comando Numérico Computadorizado CAM ...Computer Aided Manufacturing CN...Comando Numérico RPM ...Rotação por Minuto ISO ...Organização Internacional de Normalização DNC ...Controle Numérico Direto CLP ...Controlador Lógico Programável ABNT ...Associação Brasileira de Normas Técnicas HSC... High Speed Cutting CAD...Computer Aided Design APT...Ferramentas Automaticamente Programadas G00...Deslocamento Rápido (mm/min) G01...Deslocamento em Avanço de Corte (mm/min)
RESUMO
O presente trabalho de pesquisa está alicerçado na necessidade da ampliação da capacidade competitiva das empresas, principalmente as indústrias de transformação, que precisam ter seus processos de venda cada vez mais competitivos no mercado.
Para tal foi objeto de estudo desse trabalho a analise de dados de pesquisa e pratica que visa estudar e determinar os parâmetros que influenciam nos tempos simulados no software de CAM (Computer Aided Manufacturing), a fim de aproximar a simulação do real, para que as defasagens existentes entre ambos não seja prejudicial, dando uma exatidão e confiabilidade há tais tempos simulados.
Palavra chave: Parâmetros, tempos, simulação.
AA
ABSTRACT
This research work is rooted in the need to expand the competitiveness of companies, especially manufacturing industries, which need to have their sales processes increasingly competitive market.
The object of study of this work the analysis of research data and practice that aims to study and determine the parameters that influence the simulated time in the CAM software (Computer Aided Manufacturing), in order to approximate the simulation of reality, so that existing gaps between them is not harmful, giving an accuracy and reliability for such simulated times.
INTRODUÇÃO
•
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. (COUTINHO, 1995).
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. (MASTELARI, 1996)
Reduzir tais tempos tornou-se, portanto, uma tarefa imposta pelas circunstâncias reinantes em qualquer indústria moderna. Com base nestes tempos cada vez mais precisos é necessário fazer ajustes em parâmetros para que o tempo de usinagem simulado fique compatível com a prática, não dando margem para a elevação dos custos de produção.
A usinagem sempre foi um setor alvo de grandes investimentos nas fábricas devido à complexidade de suas peças, devido a essa complexidade a produção dessas peças necessita de tempos de usinagem muito baixo. Buscando melhorar este tempo são investidos recursos na compra de máquinas mais eficientes, robustas e ferramentas com maiores capacidades de remoção de material.
Porem não adianta termos as melhores máquinas se nossos tempos de simulação e tempos práticos fornecidos pela máquina não estão próximos gerando uma defasagem que pode definir se a empresa será competitiva em seu mercado de atuação. Com vista nesta defasagem foram feitos teste para se verificar as condições reais em que a máquina esta operando para podermos fazer ajustes em nosso pós processador e com isto nossos tempos de simulação e operação estarão bem próximos.
Este trabalho está estruturada em cinco capítulos, sendo eles Justificativa e Objetivos, Revisão Bibliográfica, Materiais e Métodos, Resultados e Conclusão.
1 JUSTIFICATIVAS E OBJETIVOS
1.1 Descrições do problema
Este trabalho aborda um estudo referente à defasagem de tempos entre o simulador do software Edgecam e a máquina CNC, com base em alguns testes práticos realizados para verificar a variação de tempo durante o processo de fabricação de componentes usinados.
A programação é realizada em software Edgecam, onde é possível visualizar todas as etapas que a (as) ferramenta (s) irá (ão) realizar, podendo fazer alguns ajustes conforme necessário. Após a definição dos caminhos de ferramentas, o CAM (Computer Aided Manufacturing) processa os dados em um pós-processador que gera o programa em linguagem de programação CN (comando numérico), em seguida esse arquivo é enviado para o centro de usinagem. Durante a execução do programa CNC a máquina percorre os caminhos criados pelo pós-processador, gerando um determinado tempo para que o processo de usinagem seja encerrado.
A diferença entre os tempos simulados e o realizado na operação de usinagem tem como principal problema a confiabilidade da simulação, além das questões inerentes aos custos de produção, uma vez que orçamentos são realizados com base nos tempos de produção, com o erro gerado, pode-se estar com um preço defasado ou superfaturado.
1.2 Objetivo geral
Este trabalho de pesquisa visa estudar e determinar os parâmetros que influenciam nos tempos simulados no software de CAM, a fim de aproximar a simulação do real.
1.3 Objetivos específicos
Para o alcance do objetivo principal, proposto para este trabalho de pesquisa, se fazem necessárias as seguintes atividades:
• Mapear os parâmetros reais para os tempos de operação, tempos de trocas de ferramenta e tempos de deslocamento do equipamento em operação real;
• Ajustar o pós-processador com os parâmetros mapeados; • Executar testes práticos para a comprovação dos resultados.
1.4 Justificativa
Na atualidade a empresa que oferece o melhor serviço pelo menor custo terá as melhores chances do mercado, sendo assim, cada vez mais esta se investindo em novas tecnologias para poder se chegar ao tempo real de fabricação de um produto, ou item a ser usinado.
Para evitar a perda de mão-de-obra qualificada e material utilizado durante o processo de usinagem, além de poder alcançar o tempo exato que a máquina levará para realizar determinada tarefa, utilizam-se softwares cada vez mais avançados que contenham uma gama de opções para alcançar o tempo de simulação exato ou igual ao que se levaria na prática com o processo de usinagem.
Porem não adianta deter a tecnologia se os parâmetros entre máquina e o software não são os mesmos, esta divergência de tempos poderá definir o futuro da empresa, pois não se pode confiar em tempos estimados para cotações de novos itens e otimização de processo de usinagem.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Máquinas CNC
As máquinas CNC foram criadas a partir de máquinas convencionais. Apesar disto, a forma construtiva da maquina CNC (Figura 1) e muitos de seus componentes tiveram de ser reprojetados 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. (RIBEIRO, 2011).
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. (RIBEIRO, 2011).
As massas móveis das máquinas devem ser diminuídas em função do aumento das velocidades do processo de usinagem, possuindo uma maior rigidez estática e dinâmica para assegurar precisão de posicionamento e aumentar a capacidade de remoção de material. (RIBEIRO, 2011).
Figura 1 - Formas construtivas das máquinas CNC.
A ação de componentes eletromecânicos (motores e transdutores) para produzir e controlar os movimentos das partes mecânicas da máquina. (p.ex., movimentação da ferramenta, movimentação da peça, determinação da velocidade de giro do fuso). Sistemas de medição de deslocamentos robustos de maior precisão, capazes de resistirem ao ambiente industrial e a vibrações. (RIBEIRO, 2011).
Motores de acionamento dos avanços e posicionamentos de baixa inércia e elevado torque, motores de acionamento do eixo principal da máquina de elevada potência e capacidade de variação contínua de velocidade e controles de potência de avanço e velocidade. Previsão de local para esteira removedora de cavacos. (RIBEIRO, 2011).
2.2 Centros de usinagem vertical
Estes se desenvolveram como intuito de substituir as fresadoras e até mesmo os tornos convencionais, entrou lentamente no mercado para conciliar a produção dos anteriores. São máquinas multifuncionais, geralmente combinam operações de mandrilamento, furação, fresamento e rosqueamento, e podem possuir de três a cinco eixos. O tipo básico tem 3 eixos e o fuso é montado ao longo do eixo Z.
São centros de usinagem cuja direção de profundidade, isto é, a direção de movimento do eixo árvore é vertical no qual se tem uma ferramenta de corte rotativa montada em um cabeçote com orientação vertical que se aproxima da peça de cima para baixo, normalmente, trabalhando na superfície superior do material. Este tipo de máquina é excelente para peças de pouca altura com usinagem restrita a uma ou duas faces.
O centro de usinagem DYNA DM2016 (Figura 2), foi desenvolvido pela DYNAMECHTRONICS, da Califórnia, USA, e é uma maquina CNC do tipo centro de usinagem vertical, com 3 eixos coordenados, sistema de programação via comando CNC em duas linguagens: a ISO e a DYNA 4M. (TUSSET, 2006).
Conforme podem ser observadas na Tabela 1 as principais características construtivas do centro de usinagem DYNA DM 2016. A mesma possui um deslocamento dos eixos com capacidade de X - 510 mm, Y – 406 mm e Z – 508 mm, a mesa para fixação de peça e dispositivo para fixação de peças possui 480 mm de largura e 780 mm de comprimento suportando até 450 quilogramas, seu magazine de ferramentas suporta dezesseis ferramentas de diferentes tamanhos e formatos, com um
sistema de fixação de ferramentas por cones do tipo MAS-BT403 – ISO 40. Seu motor principal possui 6000 RPM (rotação por minuto) e seu peso total é de 3500 quilogramas.
Figura 2 - Imagem do cento de usinagem DYNA DM 2016
Fonte: Dyna Mechtronics
Tabela 1– Especificações técnicas Dyna - DM2016.
2.2.1 Forma construtiva
Existe um número variado de formas construtivas para máquinas CNC, isso acaba atribuindo características particulares para cada tipo. No caso do centro de usinagem vertical, estudado por este trabalho, forma construtiva do equipamento está ilustrada na Figura 3 é composta de uma base de ferro fundido onde está presa a coluna de sustentação do eixo Z, sendo essa última fixa. Os eixos X e Y estão montados sobre a base fundida e realizam o movimento longitudinal (X) e transversal (Y). Junto à coluna de sustentação do eixo Z, ainda se encontra acoplado o magazine de ferramentas da máquina não ilustrado na Figura 3.
Figura 3 - Forma construtiva Dyna – DM2016.
Fonte: Dyna Mechtronics
Todas as máquinas-ferramenta CNC são orientadas por um sistema de coordenadas cartesianas na elaboração de qualquer perfil geométrico. Para que a máquina possa trabalhar com as posições especificadas, estas têm que ser declaradas em um sistema de
referência, que corresponde aos sentidos dos movimentos dos carros (eixos X, Y, Z), ilustrados na Figura 4.
O sistema de coordenadas da máquina é formado por todos os eixos existentes fisicamente na máquina. As direções dos eixos seguem a “regra da mão direita”, e deve-se deve-sempre programar a trajetória da ferramenta. (MANGE, 2011).
A regra da mão direita indica o sentido positivo dos eixos, sendo que o dedo polegar aponta para o sentido positivo do eixo Z, sentido positivo do eixo Y é dado pelo dedo anelar e o indicador aponta para o sentido positivo do eixo X.
O conhecimento desses sentidos de movimentação é vital para a configuração do pós-processador aplicado aos sistemas CAM, além dessa orientação é necessário informar a cinemática dos movimentos desenvolvidos pela máquina, a qual será tratada em um tópico específico neste trabalho.
Figura 4 - Indicação dos eixos coordenados.
Fonte: AZEVEDO, Domingos F.O (2014)
2.2.2 Acionamento dos eixos
Acionamento dos eixos é feito pôr motor de corrente continua ligado a um fuso de esferas recirculantes conforme pode ser visto na Figura 5, que com o seu giro em sentido horário e anti-horário gera movimentos, deslocando o cabeçote ou a mesa para as posições determinadas no programa CNC. Para garantir o correto posicionamento da
ferramenta durante a operação de usinagem as máquinas CNC contam com alguns acessórios tais como: (RIBEIRO, 2011).
- Comando - Recebe as informações através de entrada própria, que pode ser através do teclado da máquina, fitas perfuradas ou magnéticas, disquetes, DNC, pendrive, intranet etc.
- Conversor - Converte os pulsos eletrônicos emitidos pelo comando em pulsos elétricos que acionam o motor principal da máquina.
- Tacômetro - Instrumento de medição responsável pelo monitoramento dos valores de avanço e rotação dos eixos da máquina. O tacômetro fornece informação para o conversor ou o servo drive da necessidade ou não de realimentação dos seus respectivos motores.
- Servo Drive - Converte os sinais eletrônicos emitidos pelo comando da máquina em pulsos elétricos que acionam o servo motor.
- Servo Motor - Motor de velocidade variável, responsável pelo movimento dos eixos da máquina. Para tornos, o servo motor aciona os eixos de movimento da ferramenta. - 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.
Figura 5 - Fuso de esferas recirculantes
2.2.3 Eixos controlados
A noção mais básica de eixo em máquinas CNC é de um sistema com um servo motor diretamente acoplado a um fuso. Quando o motor gira uma volta, a porca do fuso desloca-se a uma distância igual ao passo. Para um motor girando a 3000 RPM e em um fuso de passo 10 mm, se o motor girar nessa velocidade por 6 segundos haverá um deslocamento de 3 metros para a porca. Um eixo desse tipo é dito como linear, mas não é só esse que podemos ter em máquinas CNC. Na verdade, em raríssimos casos teremos uma máquina sem eixos lineares. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Em uma fresadora não CNC em sua concepção mais simples, para a movimentação dos carros da mesa, tem-se um volante para cada fuso e um terceiro para levantar ou abaixar a mesa. Ao todo são 3 eixos lineares. Se este modelo de máquina fosse transformada para CNC, devera escolher um comando CNC capaz de controlar 3 eixos. A programação desses eixos lineares no CNC se dá através da inserção das cotas absolutas de destino até onde o eixo deve se deslocar e com que velocidade. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Os nomes destes eixos seguem uma convenção e não um padrão. Para eixos longitudinais, usa-se a letra X, para os transversais a letra Y e para o eixo onde ocorre penetração da ferramenta na peça, dizemos que é o Z. Isso não é uma exigência e sim uma convenção. Você pode batizar o eixo da sua máquina da melhor forma que convier. Existem comandos CNC que permitem a inserção de uma Sting para renomear o eixo, porém alguns softwares de CAM não aceitam nomes quaisquer para eixos. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Quando dois eixos lineares de avanço são perpendiculares entre si, estes são ditos como eixos geométricos. Outros tipos de eixo são os rotativos onde a definição “rotativo” é a de um eixo onde sua posição é programada em graus, podendo ser superior a 360°, o que significa que mais de uma volta será dada. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Uma característica de configuração de eixos rotativos, disponível na maioria dos comandos CNC, é a do trajeto pelo caminho mais curto Figura 6, ou seja, o comando CNC escolhe o sentido de giro de forma que o deslocamento entre a posição atual e a programada seja o mais curto. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Figura 6 - Caminho mais curto para eixos rotativos
Fonte: MECATRÔNICA ATUAL ( 2002 )
Se o eixo estiver na posição angular, por exemplo: 10°, e deseja-se ir para 350°, o deslocamento total será de -20°. Isso é uma economia de tempo, porém só será vantagem se a mecânica da máquina garantir que não ocorrerão colisões e que este movimento, diz-se “cruzando o zero”, é permitido. Esses dois tipos de eixos até agora exibidos, são conhecidos como “eixos de avanço”; Em inglês, a nomenclatura é de “feed-axis”. Este nome provém do nome da velocidade com que estes eixos são comandados em máquinas convencionais. Diz-se que este ou aquele eixo em combinação com determinada ferramenta permite velocidades de avanço de tantos metros por minuto (velocidade = mm/min). (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
Outros eixos são os eixos ditos como Principais ou “Main-axis”, do Inglês. Neles, apenas a sua velocidade é programada e não uma posição. Assim como os eixos de avanço, os eixos principais possuem também um nome que os caracteriza no meio industrial que é o de “fuso” ou de “Spindle”. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002)
Máquinas com vários fusos são chamadas de multifuso. Exemplos disso são tornos duplos, com fuso principal para torneamento de um lado da peça e fuso secundário para o torneamento do outro. É absolutamente possível que uma máquina possua mais de 2 fusos, deve-se verificar que tipo de acionamento está em uso e se a rotação de todos não é sempre a mesma. Se o ciclo de cada fuso é exatamente o mesmo, existe uma boa chance de se parametrizar o CNC como de um único fuso. Mas observe
que este caso requer uma análise da simultaneidade dos ciclos de cada fuso. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002)
O quarto e último tipo de eixo é o controlado pelo CLP (controlador lógico programável) da máquina. Por definição, um eixo controlado por CLP é aquele onde o controle de malha fechada de posição não é feito pelo firmware do CNC. Na verdade, ainda existem poucas marcas de CNC onde há uma área do firmware reservada para controle de posição de eixos por CLP, mas isso está desaparecendo, pois tem-se servo-acionamentos externos com controle de posição. Exemplos de eixos controlados por CLP são os magazines automáticos de ferramenta ou torres, eixos de carga e descarga automática de peça na máquina, mesas divisoras e contra-pontas no caso dos tornos. Na troca de ferramenta automática, o operador escreve uma instrução T seguida do número da ferramenta e isso já basta para o motor que está acionando a torre entender que rumo tomar e em que posição ele deve se posicionar para que tal ferramenta comandada seja a próxima disponível para trabalho. (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
2.2.4 Magazine de ferramentas
O magazine de ferramentas funciona como um armazém, onde são alocadas as ferramentas em posições conhecidas e informadas ao comando CNC. Os magazines possuem diferentes formas e capacidades. Normalmente estão acoplados ao corpo da máquina, e a interface com o eixo principal se dá por braços de troca automática, ou movimentos de rotação.
Quanto ao formato os magazines para centros de usinagem podem ser tipo carrossel como indicado na Figura 7a, tipo esteira ou corrente horizontal conforme Figura 7b ou ainda tipo esteira ou corrente vertical como mostrado na Figura 7c.
Com relação às capacidades, essas são variadas e dependem do tamanho da máquina CNC à qual estão acoplados, existem magazines com capacidades para 16, 24, 32, 40, 60, 80 e 120 ferramentas, para capacidades maiores que 120 ferramentas, são integradas às máquinas magazines auxiliares, duplicando e até triplicando a capacidade de armazenagem de ferramentas.
As ferramentas são fixas nos magazines através de um sistema padronizado de engate-rápido, onde o flange do cone da ferramenta é acoplado. As posições são identificadas por números, e essas posições são chamadas de pocket’s (bolsos).
Figura 7 - Tipos de magazines para centros de usinagem
Fonte: Notas de aulas de Fabricação Assistida (2014)
Além armazenar as ferramentas, os magazines mais modernos têm a função de gerenciar as ferramentas neles dispostas, através do monitoramento da posição, tipo e dimensões. Alguns modelos efetuam em integração com o comando CNC a gestão da vida útil do ferramental armazenado.
2.2.5 Sistema de fixação de ferramentas
Um dos mais importantes componentes de uma máquina ferramenta é o "spindle". O resultado da usinagem em alta velocidade depende decisivamente da interface formada entre a ferramenta e a máquina, o tool holder (fixador) e o sistema de acoplamento na máquina devem ser desenvolvidos para trabalhar dentro de condições severas. O sistema de fixação deve garantir não só a troca rápida de ferramenta como também as funções de alta performance e a exatidão dimensional após várias trocas.
A fixação do cone no cabeçote é feita por pressão, e devido à diferença nos diâmetros. É de vital importância que se atente para os seguintes fatos: balanceamento, batimento, concentricidade e alta tolerância de forma e posição, reduzindo assim a influência da força centrífuga causada pela distribuição não uniforme de pequenas massas e desvios radiais.
Atualmente no mercado de sistemas de fixação dispõe de vários fabricantes. Todos seguem normas internacionais que regulamentam a interface do sistema de fixação com a máquina-ferramenta e da ferramenta com o sistema de fixação.
As normas DIN 69871, CAT-V, ISO 7388, MAS BT 403, HSK e CAPTO são as que regulamentam a interface entre a máquina e o sistema de fixação, elas basicamente
determinam as dimensões e os formatos padrões conforme Figura 8. As variações estão presentes nos flanges, onde há o acoplamento com o magazine e o braço de troca automática. Também no caso das normas Capto e HSK, há variação no formato do cone de fixação.
Figura 8 – Formatos padrões dos sistemas de fixação
Fonte: Catálogo SANDVIK
Quanto ao tamanho do cone, para cada norma existem no mínimo três variações, essas são regulamentadas por normas ISO. O tamanho em um sistema de fixação é indicado por uma nomenclatura padrão precedido da norma que rege a fabricação do cone. Os tamanhos podem ser ISO 30, 40, 50 e 60, ou ainda HSK A63, HSK A100, Capto C3, C4, C5, C6, C8 e C10.
O centro de usinagem DYNA DM2016 utiliza em seu spindle e magazine a norma MAS-BT403, com tamanho de cone ISO 40, cujas dimensões podem ser visualizadas na Figura 09.
Figura 9 - Dimensões básicas
Para cada interface apresentada anteriormente, existe uma variedade de formatos de sistemas de adaptação para a ferramenta de corte. Todas essas variações são padronizadas por normas DIN, ABNT e ISO, e estão relacionadas com o formato e dimensão da haste ou furo da ferramenta de corte. Na Figura 10 é possível visualizar os principais tipos de adaptadores para fixação de ferramentas.
Figura 10 – Principais adaptadores para fixação de ferramentas.
Fonte: Catálogo SANDVIK
2.2.6 Comandos CNC
Comando CNC pode ser definido como sendo um equipamento eletrônico capaz de controlar automaticamente uma máquina, através de códigos que representam unidades de distância. Velocidade, rotação, tempo e qualquer outro dado necessário para execução da usinagem. (MUNDO CNC, 2008).
A usinagem de peças é feita por uma máquina CNC, onde o programador é responsável por colocar todas as informações de deslocamento ao realizar os perfis e dados tecnológicos obedecendo a uma sequência lógica de programação. (MUNDO CNC, 2008).
O comando numérico lê, interpreta e executa cada um dos códigos que compõem o programa de usinagem da peça. Por exemplo, para deslocar o centro de usinagem para a coordenada 120 mm, com um avanço de 250 mm/min, deve-se programar G1 X120. F250. (GUIA DO ESTUDANTE, 2014).
Para executar uma ordem, o CNC envia uma mensagem ao motor que está ligado ao eixo longitudinal da máquina. A ordem, na verdade, é um sinal elétrico que deixa o comando numérico para acionar diretamente o motor. No entanto, como este sinal elétrico é muito fraco e insuficiente, é necessário amplificá-lo. A amplificação do sinal
elétrico é feita pelos drivers. A partir daí o motor gira no ângulo e velocidade desejados. (GUIA DO ESTUDANTE, 2014).
A verificação se a ordem dada pelo CNC foi cumprida é feita por meio dos sensores. Os sensores são os olhos do comando numérico. Eles informam ao CNC o que está ocorrendo com a máquina e permitem a correção de eventuais desvios entre o programado e o real. Os principais sensores são os de posição e de velocidade. Todo este sistema está demonstrado na Figura 11. (GUIA DO ESTUDANTE, 2014).
Figura 11 - Sistema CNC
Fonte: Notas de aulas de Fabricação Assistida (2014)
2.2.7 Rampas de aceleração e frenagem
Tanto para a combinação de eixos em contorno e também para eixos independentes, uma aceleração limitada pode ser definida através de uma trapezoidal ou um perfil de seno quadrado. Os parâmetros estão definidos de forma igual para ambos os perfis em relação a cada eixo específico. Contrariamente ao perfil trapezoidal, o perfil de seno quadrado mais suave permite a aceleração e desaceleração conforme pode ser visto na Figura 12. (BECKHOLF, 2015).
No caso de a aceleração com rampas curtas, o movimento de contorno é guiado de modo que as acelerações específicas de eixo não sofram quaisquer alterações abruptas. (BECKHOLF, 2015).
Para HSC - High Speed Cutting (Usinagem em Altas Velocidades) são necessárias condições de contorno, visando uma suavização na aceleração e frenagem, impedindo as oscilações de movimento suave e abrupto, para tal a máquina necessita dispor de um sistema de processamento com grande velocidade. (BECKHOLF, 2015).
Os perfis das rampas de aceleração e frenagem, são definidos conforme a cinemática dos movimentos mecânicos da máquina, principalmente as que possuem criticidade em termos de vibrações. Os tempos de rampa para aumentar e reduzir a aceleração só devem ser
definidos tão alto quanto necessário e tão baixos quanto possível, porque estes parâmetros têm uma influência considerável sobre os tempos de posicionamento. (BECKHOLF, 2015).
Figura 12 - Rampas de Aceleração e Frenagem
Fonte: BECKHOFF (2015)
O perfil de aceleração pode ser apresentado em sete segmentos. (BECKHOLF, 2015).
I - Aumento de velocidade com o aumento da aceleração para um valor máximo de aceleração dentro de um prazo determinado.
II - Aumento de velocidade com aceleração constante.
III - Aumento de velocidade com a diminuição de aceleração até o valor de aceleração 0 dentro de um tempo especificado.
IV - Fase de velocidade constante, aceleração 0.
V - Diminuição com o aumento da velocidade de desaceleração para um valor máximo de aceleração de frenagem dentro de um prazo determinado.
VI - Diminuição da velocidade com desaceleração constante.
VII - Diminuição da velocidade com a diminuição da desaceleração até o valor de aceleração de frenagem 0 dentro de um tempo especificado.
2.2.8 Cinemática de movimentos
Uma máquina CNC possui uma cinemática muito simples, pois a sua configuração física está baseada em movimentos cartesianos. São movimentos lineares, que se utilizam de técnica de “porca e parafuso” que pelo seu tamanho e funcionalidade recebe o nome de fuso. (MUNDO CNC, 2008).
A função mais básica de qualquer máquina CNC é o controle de movimentos automáticos, preciso e constante, (Figura 13).
Figura 13 - Forma de controle de movimentos
Um comando CNC executando dentro do controle diz para o servo motor girar um numero preciso de vezes. A rotação do servo motor gira o fuso que passa em um suporte da mesa que está montada sobre o barramento, quando o fuso gira desloca a mesa em uma direção e esta desliza sobre o barramento de apoio gerando movimentos. Este fuso movimenta o eixo linear. Um dispositivo de avaliação no final oposto deste fuso roscado permite o controle para confirmar que o numero comandado de rotações aconteceu. (MUNDO CNC, 2008).
2.3 Linguagens de programação
A linguagem de programação de um sistema de controle determina as regras com as quais se deverão criar os programas de CNC e as bases da linguagem de programação usada atualmente, nos sistemas de controle CNC são normalizadas. Podendo ser separada em:
- Linguagem EIA/ISO: Linguagem de códigos, também conhecida como códigos G. É na atualidade a mais utilizada universalmente, tanto na programação manual, como na programação gráfica, onde é utilizado o CAM. Os códigos EIA/ISO foram criados antes mesmo do aparecimento das máquinas CNC, eles eram usados nos escritórios em máquinas de escrever automáticas que utilizavam cartões perfurados. A linguagem EIA/ISO é considerada de baixo nível. (BAZZOA, 2010)
- Linguagem interativa; Programação por blocos parametrizados possui blocos prontos e não usa códigos. Ex. linguagem MAZATROL aplicando às máquinas MAZAK. Produção gráfica via "CAM" (Computer Aided Manufacturing). Não é mais uma linguagem de programação e sim uma forma de programar em que o programador deverá possuir os conhecimentos de: processos de usinagem; materiais; ferramentas e dispositivos para usinagem; informática para manipulação de arquivos; máquinas (avanços, rotações e parâmetros); domínio de um software de CAD e um de CAM. Descrevendo de uma maneira simplificada, apenas para fácil entendimento, o programador entra com o desenho da peça, que pode ser feito no próprio CAM ou em desenhos recebidos do CAD (Computer Aided Designe), define matéria - prima (tipo e dimensões), ferramentas e demais parâmetros de corte, escolhe o pós-processador de
acordo com a máquina que fará a usinagem e o software de CAM se encarregará de gerar o programa, utilizando os códigos da linguagem EIA/ISO. (BAZZOA, 2010)
O centro de usinagem do laboratório Fabricação Assistida da UNIJUÍ utiliza duas linguagens de programação a ISO e a DYNA 4M, optou-se em utilizar a programação EIA/ISO.
2.4 Sistemas de programação ISO
Um programa CNC, com a linguagem EIA/ISO, apresenta uma estrutura bem e dividida em seções, podendo repetir-se ao longo do programa. Estas seções possuem uma ordem de distribuição no programa, que está atrelada a sequencia de execução do mesmo.
Na programação CNC cada programa é subdividido em blocos, estes em palavras e estas em caracteres. (ROMI, 1985)
Caractére → Palavra → Bloco → Programa CNC
2.4.1 Caractére
O caractere é a menor parte de um programa CNC e pode estar em três formas: algarismo, letra ou símbolo. Os algarismos são dez, de 0 até 9, permitindo-se criar números usados nos programas. Os algarismos podem ser usados de dois modos: como valores inteiros (sem ponto decimal) ou como números reais (com o ponto decimal), note que sempre será necessário usar o ponto como separador de decimais e não a vírgula como é comum no Brasil. Os números obtidos podem ser positivos ou negativos, neste caso é necessária à utilização do sinal de menos (-). (ROMI, 1985).
Podem ser usadas 26 letras que fazem parte do alfabeto (obs. não é permitida a utilização da cedilha “ç” ou acentuação). Nem todos os controladores aceitam letras minúsculas, portanto, na dúvida use letras maiúsculas. Muitos símbolos são usados para a programação junto aos caracteres e letras, os mais comuns são o ponto decimal, o sinal de menos, o sinal de porcentagem, o parêntese e outros, dependendo do controlador. (ROMI, 1985).
2.4.2 Palavra
Uma palavra no programa é uma combinação alfanumérica de caracteres, criando instruções para o sistema de controle. Normalmente cada palavra inicia com uma letra seguida por um número que representa um código ou valor. O número que segue a letra da palavra pode ser exclusivamente inteiro ou aceitar ponto decimal, bem como, pode não aceitar valor negativo ou aceitar, como ocorre em muitos casos. Geralmente as palavras indicam os eixos de posição, avanço, velocidade, comandos preparatórios, instruções miscelâneas e outras definições. (ROMI, 1985)
2.4.3 Bloco
O bloco é usado para múltiplas instruções. Um programa inteiro consiste de linhas individuais de instruções em ordem de sequência lógica, cada linha é denominada bloco e pode ser composta por uma ou mais palavras. Inicia-se com a letra “N”, seguida por um número inteiro. (ROMI, 1985).
2.4.4 Programa
A estrutura de programação de uma peça varia de um controlador para outro, mas a lógica necessária não muda. Um programa de CNC geralmente inicia com um número de programa ou uma identificação similar, seguida por instruções em uma ordem lógica. O programa termina com um código de parada ou um símbolo de terminação do programa, como o símbolo de porcentagem “%”. (ROMI, 1985)
A identificação de um programa se faz com a letra “O” seguida de um número com até quatro algarismos inteiros positivos. Os blocos de programa consistem num conjunto de palavras de programa que, por sua vez, são compostas por uma letra de endereço seguida de uma sequência de algarismos. (ROMI, 1985)
2.5 Estrutura de programa
A estrutura de um programa baseia-se na norma DIN 66204. Um programa que será transmitido diretamente ao CNC é composto das seguintes partes: (RIBEIRO, 2011).
• CABEÇALHO DE PROGRAMA - Contém a informação do tipo de dados contidos naquela instrução, e funções de cancelamento de compensações de comprimento de ferramenta, raio de corte, funções orientativas quanto ao sistema de coordenadas e de medição a ser adotado pelo programa CNC.
• COMENTÁRIOS - Contém informações adicionais para o operador. Não executam funções na máquina.
• INSTRUÇÕES DE COMANDO - Executam operações específicas da máquina, como ligar o fuso, trocar a ferramenta, desligar o fluido refrigerante, etc.
• BLOCOS DE USINAGEM - Contém informações sobre a trajetória da ferramenta.
• FUNÇÕES TECNOLÓGICAS - Contém informações sobre o funcionamento da máquina.
• FIM DE PROGRAMA - Orienta o término da execução da operação de usinagem, e reposicionamento no início do programa.
2.6 Softwares de CAM
A sigla CAM significa Computer Aided Manufacturing (Fabricação Assistida por Computador) são programas utilizados para fabricação das peças desenhadas em CAD (Computer Aided Design), por exemplo, Pitágoras ou Mastercam. A tecnologia CAD/CAM corresponde à integração das técnicas CAD e CAM num sistema. Sendo assim, pode-se projetar um componente qualquer na tela do computador e transmitir as informações entre o computador e uma máquina CNC. Sistemas CAD/CAM caracterizam-se por centralizar a execução de diversas atividades relacionadas ao processo produtivo, compreendendo desde o projeto mecânico passando pela escolha da maquina, processo de manufatura e a consequente geração automática das trajetórias para as maquinas CNC. Atualmente os softwares mais conhecidos são Edgecam,
Powermill, Solidcam, Camworks, NXcam, Mastercam, Autodeskcam. Atualmente no mercado existem softwares para programação de maquinas CNCs que executam diversas operações em uma peça (caso geralmente empregado em usinagem de componentes ou ate conjuntos soldados) ou somente uma operação como corte de chapas. Pode-se destacar também a utilização destes softwares para diversos trabalhos de produção em serie ou produção de componentes especiais, destacam-se: guilhotinas, corte laser, corte plasma, eletroerosão, eletroafio, jato d’agua, impressora 3D.
Para a programação do centro de usinagem DYNA DM 2016 foi utilizado o software EDGECAM.
Edgecam é um sistema de CAM para usinagem de produção e moldes e matrizes. O software possui módulos para fresamento e torneamento até 5 eixos, usinagem de superfícies, ferramentas acionadas, duas torres, eixos C & Y, eixo B, sub-spindle, eletroerosão a fio, entre outros. Baseado no sistema operacional Windows, o Edgecam possui ferramentas de automação como gerenciamento de folhas de processo, Tool Store, Code Wizard e simulador de usinagem.
Além disso, o Edgecam disponibiliza uma biblioteca completa de tecnologias de usinagem e um banco de dados de ferramentas. O software também oferece suporte para a tradução direta de arquivos de sólidos do SolidWorks, Inventor, Pro/E, CATIA e SolidEdge, assim como de outros sistemas CAD populares no mercado. Desenvolvido pela empresa Britânica Planit Holdings plc. O software é distribuído no Brasil pela SKA, empresa com sede em São Leopoldo/RS e escritórios em Santa Catarina, Paraná, São Paulo e Minas Gerais.
2.6.1 Aplicações e funções
Diversos sistemas CAM possibilitam realizar simulações de usinagem. Este recurso é bastante empregado, pois permite ao usuário verificar as trajetórias de ferramenta calculadas pelo software e possíveis colisões de ferramenta em peças.
Suas principais funções durante a criação do programa CNC são:
- Gerenciamento da biblioteca de ferramentas - O software possui uma biblioteca em seu sistema onde constam os cadastros das ferramentas que a empresa possa possuir, com dados de tipos de insertos, profundidade máxima de corte, altura ou comprimento
da ferramenta na pratica facilitando ao máximo no momento de ser feita escolha da ferramenta para a geração do programa.
- Geração das trajetórias para as operações de usinagem - É definida como o caminho pelo qual a ferramenta ira percorrer durante sua utilização no programa de usinagem. O programador, se julgar necessário, pode interferir durante a criação do programa.
- Simulação - utiliza-se para verificar alguma anomalia no programa antes da criação do código CN, para que o programador possa ajustar conforme necessário.
- Geração do código NC (programa) - Nada mais é do que a linguagem em que a maquina ira trabalhar para executar a confecção da peça. Após todas as etapas para a criação do programa, o programador escolhe a maquina que deseja utilizar e envia os dados ao pós-processador que gera o código CN.
2.6.2 Pós-processadores
A maioria dos sistemas CAM gera um ou mais tipos de arquivos de linguagem neutra que contêm instruções para uma máquina CNC. Estes ou estão em um formato binário chamado CLDATA ou algum formato ASCII o qual é legível e geralmente escrito em linguagem APT. APT é uma sigla para "Ferramentas Automaticamente Programadas" que aceita definições geometrias simbólicas e instruções de usinagem, e gera CLDATA que descreve uma operação de usinagem passo a passo em condições absolutas. Alguns sistemas de CAM provêem um grande grau de flexibilidade, permitindo incluir quase qualquer coisa no arquivo neutro, outros são bastante rígidos sobre o que pode e não pode ser incluído (MUNDO CNC, 2008).
No outro estremo do pós-processamento estão às máquinas CNC. Que requerem informações personalizadas para que o controle exija menos do profissional que opera a máquina. Mais importante, a máquina CNC deve ser dirigida para satisfazer os critérios de chão de fabrica que estão principalmente baseados em segurança e eficiência. (MUNDO CNC, 2008).
O pós-processador é o software responsável para traduzir instruções neutras do sistema CAM para as instruções específicas requeridas pela máquina CNC. Este software precisa responder às exigências e limitações do sistema CAM, máquinas e ambiente industrial.(MUNDO CNC, 2008).
2.6.3 Eventos do programa no pós-processador
Eventos de programa dispostos no pós-processador aplicado aos sistemas CAM, seguem uma lógica similar aos eventos da programação em linguagem EIA/ISO anteriormente citados. São as partes básicas de um programa de usinagem CNC qualquer. A Figura 14 ilustra esta separação. (TUSSET, 2006).
Esses eventos contemplam etapas de processamento de informações vindas do software de CAM, cada evento irá organizar a lógica de programação a ser imposta, para que o resultado seja um programa CNC legível para a máquina-ferramenta. A seguir são descritos os eventos contemplados nos pós-processadores.
• NC Program General - (Programa geral CNC / cabeçalho). Está inserida no programa entre parênteses como forma de comentário, pois a mesma não é lida pela máquina como função de programação, onde estão descritas a informações referentes à que se destina este programa de usinagem (código da peça, tipo de operação, programador CNC, quantidade de ferramentas, numero do programa,....).
• General Motion e Miscellaneous Functions - São funções variadas dos códigos G e M, as funções auxiliares possibilitam a preparação e o funcionamento da máquina para a usinagem no modo CNC. Pois as mesmas referenciam a máquina no plano de trabalho, no sistema de unidades de medida, no sistema de coordenadas, no tipo de avanço que será programado e subprogramas a serem executados ao longo do programa principal.
• Hole Cycles - São as configurações dos ciclos de furação contidos dentro de cada bloco do programa de usinagem.
• Tool change - São as configurações das trocas de ferramentas, onde o programa executa todos os movimentos e função para efetuar a troca de uma ferramenta por outra dentro do mesmo programa CNC.
• Repeat Machining - Repetição de ciclos de usinagem.
• Datum Shifting - Pontos de referencia dentro do programa CNC, para inicio e fim ciclos.
• Subroutines - Sub-rotinas é um conjunto de instruções concebido para executar uma operação frequentemente utilizada dentro de um programa.
Figura 14 – Estrutura de eventos do pós-processador
Fonte: Print Screen da tela de programação
2.6.4 Simulação
Nesta etapa o usuário verifica se as estratégias de usinagem, as seqüências a serem executadas, bem como as ferramentas de corte adotadas estão de acordo com o processo de usinagem esperado. A simulação permite ao usuário verificar possíveis colisões, tais como: (MECATRÔNICA ATUAL, 2005).
• Colisão do sistema de fixação da ferramenta de corte (mandril e pinça) com a geometria da peça.
• Colisão da ferramenta com dispositivos de fixação da matéria-prima na mesa da máquina ou outros instrumentos da máquina.
• Movimentações inadequadas da ferramenta, ocorrendo invasão da geometria final. • O sistema CAM pode identificar as regiões afetadas (caso ocorra colisão), e ainda
2.6.5 Erros possíveis em programação
Os erros de pós-processamento são o principal problema de colisões em máquinas CNC programadas a partir de um software de CAM. A simulação pode ter mostrado ao usuário uma correta execução das trajetórias e posicionamentos a serem executados, mas se o pós-processador decodificar essas informações de forma errônea, o acidente é inevitável.
Atualmente os erros mais comuns de pós-processamento são:
• Conflito de trajetória - causado pela decodificação errada de funções de programação no pós-processador.
• Erro de segmento - os ajustes de precisão do pós-processador diferem dos ajustes da máquina CNC, fazendo com que haja uma disparidade entre o programado e o possível de ser realizado;
• Erros nas trocas de ferramenta - podem ocorrer na sequencia das funções executadas ou na posição que ocupam dentro do programa NC.
2.7 Diagrama de Ishikawa
O controle de processo é a essência do gerenciamento em todos os níveis hierárquicos da empresa, desde o presidente ate os operadores. O primeiro passo no entendimento do controle de processo é a compreensão do relacionamento causa-efeito. (FALCONI, 2004).
Sempre que algo ocorre (efeito, fim, resultado) existe um conjunto de causas (meios) que podem ter influenciado. Observando a importância da separação das causas de seus efeitos no gerenciamento e como nós temos a tendência de confundi-los, os japoneses criaram o “diagrama de causa e efeito”. Este diagrama é também chamado de “espinha de peixe” ou “diagrama de Ishikawa” mostrado na Figura 15, foi criado para que todas as pessoas da empresa pudessem exercitar a separação dos fins de seus meios. (FALCONI, 2004).
Processo é o conjunto de causas (que provoca um ou mais efeitos) sendo dividido em famílias de causas que também são chamados de fatores de manufatura: (FALCONI, 2004).
- Matéria prima: Fornecedores, fornecedor interno. - Máquinas: Deterioração, manutenção.
- Medidas: Instrumento, condições locais e inspeção. - Meio ambiente: Local e clima.
- Mão de obra: Físico e mental.
- Método: Informação, instrução e procedimento.
Figura 15 – Diagrama de Ishikawa
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta a metodologia de trabalho, os equipamentos, instrumentos e demais recursos aplicados ao desenvolvimento da pesquisa.
3.1 Metodologia Experimental
Para o alcance dos objetivos dispostos para este trabalho de pesquisa, o mesmo foi dividido em três grandes etapas, onde cada atividade correspondente esta contida no organograma detalhado na Figura 16 e seguido fielmente.
Figura 16 – Organograma de trabalho
Fonte: Próprio Autor
Na etapa 1 foi efetuada a configuração de um programa CNC padrão, utilizando o pós-processador na configuração atual. Após a geração deste programa foi efetuada uma coleta de dados através da tomada de tempos de execução do programa na máquina-ferramenta. De posse dos dados coletados, foi efetuada a análise do problema.
Com o mapeamento da situação atual (etapa 1), na etapa 2 foi efetuada a correção do pós-processador com base nos erros encontrados na coleta de dados, foram executados testes preliminares para comprovar a eficácia das alterações feitas no pós-processador.
A etapa 3 contemplou a execução dos testes complementares que levaram à validação das alterações executadas, através da usinagem real da peça partindo do programa gerado a partir das alterações do pós-processador.
3.2 Equipamentos utilizados
Foram utilizados para realização deste trabalho de pesquisa os softwares de CAD Solidworks 2012 e Software de CAM, Edgecam, versão 2011, ambos licenciados para a UNIJUÍ. No software de CAD foi modelada a peça de referencia, que depois foi exportada para o software de CAM para executar as simulações e programações que fizeram parte dos testes práticos.
Os testes práticos foram realizados no centro de usinagem marca DYNA, modelo DM2016, de propriedade do Laboratório de Fabricação Assistida da UNIJUÍ.
Para os testes de programação foram utilizadas ferramentas de usinagem e sistemas de fixação, bem como matéria-prima para ser usinada, disponíveis no Laboratório de Fabricação Assistida.
Para medição de tempos de usinagem forram utilizados 02 cronômetros digitais, marca Hanhart e modelo Stratos.
As imagens dos equipamentos utilizados estão dispostas no Anexo A.
3.3 Configurações dos Testes
A seguir são apresentadas as etapas de desenvolvimento dos testes para identificação do problema que foi alvo deste trabalho de pesquisa.
3.3.1 Peça
A peça utilizada para a elaboração dos programas CNC aplicada a este trabalho de pesquisa, foi modelada com auxilio do software CAD SolidWorks. A opção por este perfil ou modelo de peça, conforme ilustrado na Figura 17 ocorreu pelo fato de contemplar superfícies de usinagem complexas, possuindo formas inclinadas, raios, furação e roscas. Também por se tratar de um modelo que necessita de varias operações, retratando assim condições rotineiras de usinagem com aplicação de softwares de CAM.
Figura 17 – Perfil da peça aplicada nos testes.
Fonte: Próprio autor
3.3.2 Configuração dos programas CNC
Depois de modelada a peça foi importada e posicionada no software CAM Edgecam conforme indicado na Figura 18, onde foi feita a definição do ponto de referência para a usinagem (zero peça), a aplicação das estratégias de usinagem, ferramentas e parâmetros de corte, simulação dos resultados e geração do código ou programa CNC.
Durante essa etapa foram coletados os tempos de simulação gerados para cada operação programada no software de CAM, dessa forma foram mapeados os tempos individuais e o tempo total simulado, para posteriormente ser comparado com os tempos coletados durante a usinagem real na máquina CNC.
Figura 18 – Peça posicionada no Software Edgecam
Fonte: Próprio autor
Para a realização dos testes práticos foram utilizados os dados de corte dispostos na Tabela 2, esses dados foram mantidos para os testes de investigação, preliminares e complementares.
Tabela 2 - Parâmetros de Corte
PROGRAMA
CNC OPERAÇÃO FERRAMENTA POSIÇÃO RPM
Vf [mm/min]
6030 Desbaste Fresa 90° - Ø50 - 5F T12 5700 1500
6031 Acabamento Fresa Esférica Ø20 T15 5900 1200
6032 Rest Finishing Fresa Esférica Ø2 T06 5900 2000
6033 Furar centro Broca de Centrar N3 T08 1300 130
6033 Furar Ø 6,8 mm Broca HSS Ø6,8 T11 3700 740
6033 Furar Ø8,5 mm Broca HSS Ø8,5 T13 2900 580
6033 Escarear Furos Escareador Ø20x45° T09 1500 300
6033 Roscar M8 Macho Helicoidal M8 T02 600 1,5
3017 Roscar M10 Macho Helicoidal M10 T05 800 1,25
Fonte: Próprio Autor
A sequência de usinagem adotada para o programa CNC gerado no software de CAM obedece à ordem das operações dispostas na Tabela 2 ilustrada anteriormente. Na Figura 19 estão exemplificadas as simulações das operações de desbaste, acabamento e rest finishing.
Figura 19 – Simulação das operações de desbaste, acabamento e rest finishing.
Fonte: Próprio autor
Após a execução das três primeiras operações que irão dar forma à peça, são realizadas na sequencia, todas as operações de furação e rosqueamento, começando pela furação de centro, depois são efetuados os furos padrões para as roscas, após são executados os escareados e por último as operações de rosqueamento. Na Figura 20 está ilustrada a simulação das operações de furação, escareamento e rosqueamento.
Figura 20 – Simulação da furação de centro
Fonte: Próprio autor
Além do programa gerado pelo software de CAM, para a fase de investigação do problema foram elaborados manualmente mais quatro programas CNC, para testar condições de movimentação e troca de ferramentas de corte.
Como o magazine de ferramentas do centro de usinagem DM 2016 não dispõe da função randômica de armazenagem e gerenciamento de posição de ferramentas, ou seja, as ferramentas são sempre guardadas nos mesmos bolsos, se fez necessária a medição dos tempos de troca de ferramentas, considerando duas situações distintas. A primeira quando as trocas são programadas de forma sequencial, ou seja, em ordem crescente ou decrescente de posição. A segunda é quando as trocas são programadas de forma aleatória.
Para testar essas duas condições foram elaborados dois programas CNC, os quais simularam nove eventos de troca de ferramenta padrão, um programa na forma sequencial e outro na forma aleatória. Na Figura 21 está ilustrada a lógica de programação adotada para este teste.
Figura 21 – Lógica da programação adotada para troca de ferramenta
N° de Trocas 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Posição T02 T05 T06 T08 T09 T11 T12 T13 T15
N° de Trocas 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Posição T08 T02 T11 T15 T05 T12 T06 T13 T09
Troca sequencial de ferramentas
Troca aleatória de ferramentas
Fonte: Próprio autor
Com o intuito de verificar se a máquina-ferramenta seguia fielmente os avanços programados, foram elaborados dois programas CNC para teste de trajetória. O primeiro programa contempla trajetórias retilíneas com inversão de eixos de deslocamento. Já o segundo programa contempla trajetórias de interpolação circular com movimento simultâneo nos eixos X e Y. Em ambos os programas foram utilizadas faixas de avanço diferentes, para verificar se os tempos de trajetória se alteravam com o aumento do avanço.
O programa para teste de trajetória retilínea contempla um deslocamento no eixo X de 300 mm e posteriormente um deslocamento no eixo Y de 400 mm, formando um “L”, com comprimento de corte total (Lc) de 700 mm. Foram testados os avanços e trajetória conforme dispostos na Figura 22.
Figura 22 – Avanços de trajetórias retilíneas.
Fonte: Próprio autor
No programa para teste da trajetória em interpolação circular foi programada a execução da usinagem de um circulo de diâmetro 200 mm com posicionamento da
ferramenta no centro geométrico, deslocamento até a tangente do raio, contorno do diâmetro e retorno ao centro, totalizando um comprimento de corte de 828,3 mm. Na Figura 23 está exemplificada a trajetória e os parâmetros utilizados neste programa CNC.
Figura 23 - Avanços de trajetórias circular
Fonte: Próprio autor
3.3.3 Coleta de dados
Com a finalização da etapa de configuração e geração do programa CNC pelo software de CAM, esse programa foi executado no centro de usinagem DM 2016, e foram cronometrados os tempos de execução de cada operação programada.
Para os programas de teste de trajetória e troca de ferramentas, também foram executadas as cronometragens dos tempos de execução de cada função.
Em ambas as situações foram previamente definidos sinais emitidos pela máquina CNC para o disparo e travamento do cronometro, assim padronizado a forma de coleta dos tempos medidos.
Os dados coletados foram tabulados e são apresentados no capítulo seguinte que trata dos resultados da pesquisa.
Após a investigação e experimentos realizados foram aplicados ferramentas da qualidade (método dos 6 M’s ou Diagrama de Ishikawa), com o intuito de determinar as causas principais e seus efeitos. Os resultados destas analises serão apresentados no capitulo 4.
3.4 Variáveis do pós-processador
Os erros dos tempos gerados pelo simulador para com os tempos reais são originados pelos parâmetros dispostos nas variáveis de movimentação e configuração do pós-processador.
Essas variáveis contemplam toda a cinemática dos movimentos do equipamento, a gestão do magazine de troca de ferramenta automática e as correções de avanços e rampas de aceleração e frenagem.
Para o ajuste desses parâmetros foi necessário contar com os resultados dos experimentos desenvolvidos, que auxiliaram na identificação dos pontos falhos.
3.5 Erro Aceitável
Para o presente trabalho de pesquisa será considerado um erro de até dois porcento (2%), entre o tempo real e o tempo simulado pelo pós-processador.
Este valor é admissível tendo por base os efeitos das rampas de aceleração e frenagem.
4 RESULTADOS
Este capítulo apresenta os resultados encontrados durante o desenvolvimento da pesquisa.
4.1 Resultados da simulação
Com a criação do programa de usinagem deste modelo pode-se chegar a tempos teóricos de cada operação, e a soma de todas é o tempo total de usinagem. Conforme pode ser visualizado na Tabela 3, estão detalhados os tempos e as operações de usinagem.
Tabela 3 – Tempo simulado de cada operação de usinagem
PROGRAMA
CNC OPERAÇÃO FERRAMENTA POSIÇÃO
TEMPO SIMULADO [min]
6030 Desbaste Fresa 90° - Ø50 - 5F T12 4,43 6031 Acabamento Fresa Esférica Ø20 T15 52,21 6032 Rest Finishing Fresa Esférica Ø2 T06 1,24 6033 Furar centro Broca de Centrar N3 T08 0,56 6033 Furar Ø 6,8 mm Broca HSS Ø6,8 T11 0,53 6033 Furar Ø8,5 mm Broca HSS Ø8,5 T13 1,18 6033 Escarear Furos Escareador Ø20x45° T09 0,45 6033 Roscar M8 Macho Helicoidal M8 T02 1,02 3017 Roscar M10 Macho Helicoidal M10 T05 1,42
Fonte: Próprio Autor
4.2 Resultado da coleta de dados
Com base em tempos teóricos fornecidos pelo Software Edgecam, pode-se ter uma ideia de qual deveria ser o tempo de usinagem de cada etapa. Porem foi feita a cronometragem de cada etapa três vezes conforme Tabela 4, para se ter uma média de tempo que a maquina levou para usinar o perfil do modelo em questão.
Tabela 4 - Tempos cronômetrados de cada operação PROGRAMA CNC OPERAÇÃO Medição 1 [min] Medição 2 [min] Medição 3 [min] Tempo Médio [min] Desvio Padrão Incerteza 6030 Desbaste 5,97 5,96 5,99 5,97 0,0153 0,008819 6031 Acabamento 55,21 55,25 55,22 55,23 0,0208 0,012019 6032 Rest Finishing 1,90 1,93 1,92 1,92 0,0153 0,008819 6033 Furar centro 1,83 1,87 1,85 1,85 0,02 0,011547 6033 Furar Ø 6,8 mm 0,92 0,89 0,94 0,92 0,0252 0,01453 6033 Furar Ø8,5 mm 1,50 1,55 1,52 1,52 0,0252 0,01453 6033 Escarear Furos 1,27 1,25 1,28 1,27 0,0153 0,008819 6033 Roscar M8 1,24 1,29 1,27 1,27 0,0252 0,01453 3017 Roscar M10 1,74 1,77 1,79 1,77 0,0252 0,01453
Fonte: Próprio Autor
Após foi feita a cronometragem de três tomadas de tempo para o sistema de troca sequencial das ferramentas conforme Tabela 5, e para o sistema de troca aleatória de ferramenta Tabela 6. Este é o tempo que a máquina leva para fazer somente a troca de uma ferramenta contida no magazine por outra, executando um percurso de movimentação em seus três eixos, e sucessivamente refazendo este percurso até fazer a troca de todas as ferramentas contidas no programa de usinagem do perfil.
Tabela 5 – Tempos de troca de ferramenta sequencial
Numero da troca 1 [seg] 2 [seg] 3 [seg] 4 [seg] 5 [seg] 6 [seg] 7 [seg] 8 [seg] 9 [seg] 1º 19,73 16,48 16,7 15,4 15,46 15,71 15,88 15,36 15,61 2º 18,07 16,78 15,94 16,02 15,55 15,8 16,12 15,19 15,34 3º 18,54 16,25 16,08 16,36 15,47 16,04 16,12 15,23 15,3 18,78 16,50 16,24 15,93 15,49 15,85 16,04 15,26 15,42 Desvio padrão 0,86 0,27 0,40 0,49 0,05 0,17 0,14 0,09 0,17 Incerteza 0,49 0,15 0,23 0,28 0,03 0,10 0,08 0,05 0,10 Fonte: próprio Autor
Tabela 6 – Tempo de troca de ferramenta aleatória Numero da troca 1 [seg] 2 [seg] 3 [seg] 4 [seg] 5 [seg] 6 [seg] 7 [seg] 8 [seg] 9 [seg] 1º 21,21 19,59 17,25 17,96 19.05 17,96 19,99 17,68 18,98 2º 23,56 19 17,98 18,59 18,87 18,44 20,12 17,76 18,93 3º 21,26 19,04 17,95 18,48 18,64 18,71 20,09 17,75 18,75 22,01 19,21 17,73 18,34 18,76 18,37 20,07 17,73 18,89 Desvio padrão 1,34 0,33 0,41 0,34 0,16 0,38 0,07 0,04 0,12 Incerteza 0,78 0,19 0,24 0,19 0,09 0,22 0,04 0,03 0,07
Fonte: Próprio Autor
Para se chegar a um único valor de tempo médio de troca de ferramenta foi calculada a média das trocas individuais em cada um dos programas executados, e posteriormente à média final de todos os tempos medidos conforme Tabela 7, gerando um valor de 17,59 segundos, como resultado do tempo médio de troca de ferramenta para a máquina CNC utilizada nos ensaios.
Tabela 7 – Tempo médio de troca de ferramentas
Média da troca
Sequencial 18,78 16,50 16,24 15,93 15,49 15,85 16,04 15,26 15,42 16,17
Média da troca
Aleatória 22,01 19,21 17,73 18,34 18,76 18,37 20,07 17,73 18,89 19,01
Média geral das
trocas 20,40 17,86 16,98 17,14 17,12 17,11 18,05 16,50 17,15 17,59 9 [seg] 8 [seg] 7 [seg] 6 [seg] 5 [seg] 4 [seg] 3 [seg] 2 [seg] 1 [seg] Numero da troca
Fonte: Próprio autor
Após foi criado um programa para fazer a verificação do deslocamento dos eixos X e Y, com 200 milímetros de deslocamentos em Y e com 500 milímetros de deslocamento em X com um formato de “L” chegando aos dados da Tabela 8. Onde o deslocamento em G01 é programado com 700, 2400 e 4000 milímetros de deslocamento por minuto para estes eixos e o deslocamento em G00 a máquina assume 18000 milímetros por minuto.
