Habilitar um sistema de troca automática de ferramentas
André F. Quintã, José P. O. Santos
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Aveiro aquinta@mec.ua.pt, jps@mec.ua.pt
RESUMO
Este artigo descreve o trabalho de integração de um centro de maquinagem num sistema flexível de produção, mais propriamente a parametrização e programação do comando numérico e autómato para habilitar o sistema de troca automática de ferramentas. O algoritmo implementado considera a utilização da ferramenta número zero para libertar a árvore e determina o menor percurso para posicionar o armazém porta-ferramentas.
Palavras-chave: Troca automática de ferramentas, Comando Numérico, CIM, SFP
1. INTRODUÇÃO
Desde as primeiras máquinas-ferramenta que uma das preocupações tem sido diminuir as paragens e tempos de setup, de forma a optimizar os tempos de produção. Uma das principais evoluções neste sentido foi a introdução da troca automática de ferramentas nas máquinas-ferramenta que veio reduzir drasticamente o tempo de setup. Ao longo dos anos têm aparecido vários sistemas de troca automática de ferramentas, sendo o sistema de torreta utilizado principalmente em centros de torneamento, os sistemas de carrossel e de corrente são mais vulgares nos centros de maquinagem.
Com a introdução do conceito de controlo integrado de produção (CIM) e de sistema flexível de produção (FMS) veio-se acentuar a necessidade de uma forte automatização e integração entre os recursos fabris. Os equipamentos utilizados neste tipo de sistema são caracterizados por uma grande autonomia em relação ao factor humano pelo que a utilização de processos automáticos de carga e descarga de peças e ferramentas é essencial, assim como a interligação entre os sistemas de fabrico/assemblagem através dos sistemas de transporte.
O trabalho aqui descrito incide no Sistema Flexível de Produção (SFP) existente no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro. Propôs-se integrar um centro de maquinagem no sistema já existente. O centro de maquinagem possui o hardware necessário para a troca automática de ferramentas, mas este não está activo, ou seja o programa autómato não inclui o controlo do sistema de troca automática de ferramentas. Para que o centro de maquinagem possa ser integrado no sistema flexível de produção foi necessário habilitar a troca automática de ferramentas e desenvolver um sistema de fixação automática de peças, a carga e descarga de peças é realizada por um manipulador cartesiano. Foi também desenvolvido uma aplicação informática que comunica com o comando numérico via RS232 e controla remotamente este recurso, esta aplicação recebe instruções de uma aplicação central integrando assim o centro de maquinagem no sistema flexível de produção.
2. O CENTRO DE MAQUINAGEM
O centro de maquinagem em causa insere-se no laboratório SFP existente no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro, este laboratório foi desenvolvido com o intuito de possibilitar o estudo e teste de soluções para os problemas de planeamento e controlo da produção de sistemas industriais e servindo de apoio a trabalhos académicos de graduação e pós-graduação, [1], [2] e [3].
A instalação fabril baseada no conceito de SFP está agrupada em células de fabrico flexíveis com transporte automático de material e ferramentas entre elas, cada célula é controlada individualmente por computador e é constituída por duas ou mais máquinas-ferramenta e sistema automático de carga e descarga de materiais e ferramentas.
O SFP da Universidade de Aveiro está ainda em fase de desenvolvimento, por enquanto é constituído apenas por duas células de fabrico flexíveis e um sistema de transporte de peças entre elas. Uma das células é composta por um centro de torneamento Starturn4, um centro de maquinagem com comando numérico Fagor 8050, um braço robô Eurobtec
IR52C e um armazém de peças, a outra célula possui um centro de maquinagem com comando numérico Heidenhain 426PB, um robô cartesiano de 3 eixos e um armazém de peças, o transporte de peças entre as duas células é assegurado
O controlo do sistema é assegurado por um computador central que comunica com diversos computadores locais que por sua vez controlam cada um dos recursos, recorrendo a redes de comunicação ethernet e série RS232.
Figura, nº1, Arquitectura do Sistema Flexível de Produção
O centro de maquinagem com controlador numérico Heidenhain 426PB é uma fresadora vertical com 3 eixos servo controlados, o comando numérico possui disco rígido, simulação gráfica da maquinagem e ainda comunicação série RS232, RS422 e ethernet., figura nº2, [4].
Figura, nº2, Centro de maquinagem com controlador Heidenhain 426PB
O centro de maquinagem possui ainda o equipamento necessário para a troca automática de ferramentas nomeadamente um armazém rotativo (carrossel) com capacidade para seis ferramentas actuado por um servomotor (eixo w), com um codificador óptico incremental acoplado, um sensor de origem do carrossel, um sistema que permite bloquear o carrossel em cada uma das posições, este sistema é constituído por um cilindro pneumático de duplo efeito com sensor incorporado. O conjunto carrossel, servomotor e sistema de bloqueio está acoplado a um cilindro pneumático de duplo efeito com sensores de posição que permite o avanço da ferramenta para a árvore. O sistema de aperto da ferramenta é constituído por uma garra que é activada por cilindro pneumático de duplo efeito com sensores de posição, figura nº3.
O controlador Heidenhain 426PB pode ser separado em dois componentes, o comando numérico (CN) e o autómato (PLC). Apesar de exteriormente não se distinguirem estes componentes e apenas se observar um bloco de componentes electrónicos, figura nº4, na realidade o hardware destes componentes está separado e têm funções distintas, [4].
O CN assegura a interface com o utilizador através do monitor e do teclado, além disso controla os eixos, ou seja envia o sinal eléctrico adequado para o servocontrolador que por sua vez controla o servomotor de cada eixo. O sinal eléctrico enviado para o servocontrolador é controlado em malha fechada, a realimentação é realizada por réguas ópticas incrementais associadas a cada eixo. É também o CN que interpreta os programas peça de forma a efectuar os movimentos adequados de cada eixo e da árvore, o CN gere os ficheiros (ficheiros de sistema, programas peça, etc.…) armazenados no disco rígido do controlador, os dispositivos de comunicação (RS232, RS422 e ethernet) são também controlados pelo CN.
O PLC controla todos os dispositivos auxiliares do centro de maquinagem, como por exemplo sensores, electroválvulas e luzes sinalizadoras. O controlo destes dispositivos é programável, através do programa PLC podemos alterar o seu funcionamento. Todos estes dispositivos estão ligados fisicamente ao PLC, cada elemento corresponde a um endereço de memória entradas e saídas binárias. Enquanto que o programa do CN é o mesmo para uma grande variedade de máquinas, o programa PLC tem de ser desenvolvido especificamente para cada máquina. A comunicação entre o CN e o PLC é realizada através de uma zona de memória comum e reservada para esse efeito.
Figura, nº4, Controlador numérico Heidenhain 426PB
3. TROCA AUTOMÁTICA DE FERRAMENTAS
O primeiro passo para habilitar a troca automática de ferramentas foi a compreensão de todos os sistemas envolvidos, tanto de hardware como de software. A nível de hardware os componentes lógicos (electroválvulas e sensores) são de funcionamento relativamente simples, no entanto a utilização dos eixos Z, S e w revelou-se bastante complexa devido à necessidade de parametrizar os eixos no CN assim como no servocontrolador. Outra das tarefas que envolveu o hardware foi a ligação entre hardware e software, ou seja a atribuição de um endereço de memória de entrada ou saída a cada componente físico, apesar de quase todas as ligações eléctricas já se encontrarem efectuadas a falta de um esquema eléctrico por parte da empresa que produziu o centro de maquinagem obrigou à pesquisa dos endereços de memória correspondentes a cada componente.
A nível de software é importante interpretar e diferenciar o papel de cada componente do controlador, CN e PLC assim como a comunicação entre eles. O CN gere a interpretação do programa peça, aquando da instrução de troca de ferramentas é o CN que actualiza a tabela de ferramentas e dá a ordem ao PLC para efectuar a troca de ferramentas, para tal o CN activa uma memória específica com o endereço reservado M4073 (Strobe T), a execução do programa peça é interrompida até que o PLC termina a troca de ferramentas e activa outra memória M4093 (Acknowledgement
Strobe T). O programa PLC existente contempla apenas as funções mais básicas do centro de maquinagem, pelo que foi
necessário ampliar o programa PLC, este é escrito numa linguagem do tipo lista de instruções de baixo nível, específica dos controladores numéricos Heidenhain.
Na realidade a comunicação entre o CN e o PLC durante a troca de ferramentas é um pouco mais complexa e está subdividida em duas fases, a primeira fase consiste em retirar a ferramenta que se encontra na árvore e a segunda fase em colocar a nova ferramenta. Na primeira fase o CN activa a Strobe T e informa o PLC da correspondente posição no carrossel porta ferramentas (Word 262), quando a ferramenta a retirar já se encontra no carrossel o PLC activa a memória Acknowledgement Strobe T que indica que terminou o pedido do CN ao activar a Strobe T. De seguida o CN
activa novamente a Strobe T e informa o PLC da posição no carrossel da ferramenta a colocar na árvore (Word 262), o PLC activa os recursos necessários para colocar a nova ferramenta em posição e activa novamente a Strobe T. Existe ainda outra memória envolvida que é activada pelo CN e indica se o pedido da Strobe T é referente à primeira fase, retirar a ferramenta da árvore ou à segunda fase colocar a nova ferramenta, esta memória tem o endereço reservado de M4520, figura nº5.
Figura nº5, Diagrama temporal da comunicação entre CN e PLC durante a troca de ferramentas
Existem ainda dois casos particulares na troca de ferramentas em que a comunicação entre o CN e o PLC ocorre de forma diferente, quando se executa a instrução “TOOL CALL 0” (chamada da ferramenta zero) e quando se chama outra ferramenta após a chamada da ferramenta zero. A ferramenta zero não existe, a chamada da ferramenta zero utiliza-se para deixar a árvore sem ferramenta, esta situação é particularmente útil na fase de testes de programas peça e quando é necessário utilizar ferramentas ou acessórios que não estão no carrossel porta-ferramentas. Se estas duas situações não fossem consideradas separadamente da situação geral, a troca de ferramenta ocorreria na mesma sem erros no entanto seriam efectuados movimentos desnecessários, desperdiçando assim tempo precioso.
Alguns dos passos a realizar para efectuar a troca de ferramentas são comuns às três situações possíveis, variando apenas a ordem de sequência em que são utilizados, assim procedeu-se à programação de cada passo individualmente, além disso foi atribuída a cada um desses passos uma função auxiliar M. As funções auxiliares M podem ser utilizadas no programa peça ou no modo de introdução manual de instruções (MDI), [5] e [6], com estas funções é possível efectuar a troca de ferramentas passo a passo o que pode ser importante para repor o sistema caso a troca seja interrompida por qualquer motivo. As funções auxiliares funcionam de forma idêntica à chamada de uma nova ferramenta, quando o CN executa uma função auxiliar no programa peça, interrompe a execução do programa e informa o PLC de que este deve executar uma determinada tarefa activando uma memória reservada Strobe M. Algumas das funções auxiliares são padrão da linguagem ISO e por isso comuns a todos os centros de maquinagem como por exemplo as funções M3 (Rotação CW), M4 e (Rotação CCW) e M5 (Paragem da árvore), para este centro de maquinagem o programa PLC inclui também as seguintes funções. A função M19 faz com que o fuso da árvore seja posicionado numa posição angular de referência que permite a acoplagem do cone porta-ferramentas na árvore. A função M80 desbloqueia o sistema de segurança do carrossel, permitindo assim a sua rotação, por outro lado a função M81 bloqueia o mesmo sistema impedindo a sua rotação. A função auxiliar M82 actua o cilindro pneumático que faz avançar o carrossel para a árvore, a função M83 faz recuar o mesmo cilindro. A função M84 fecha a garra que fixa o cone porta-ferramentas na árvore, a função M85 abre a garra. A função M86 activa o eixo vertical (Z) de forma a posicionar a árvore ao nível do carrossel (Z In), a função M87 posiciona o mesmo eixo numa cota em que a árvore está mais elevada que o carrossel (Z Out) permitindo assim que este avance, recue ou rode sem perigo de colisões.
Os passos correspondentes a cada uma das funções auxiliares descritas foram englobados na troca de ferramentas, através de três sequências distintas. O caso mais vulgar é aquele em que a chamada de uma ferramenta diferente de zero ocorre após a chamada de outra ferramenta diferente de zero, neste caso a sequência de tarefas tem como objectivo retirar e colocar ferramenta. Quando é chamada a ferramenta zero o objectivo é apenas retirar a ferramenta, por fim a chamada de uma ferramenta quando a árvore está vazia tem como objectivo apenas colocar ferramenta, figura nº6.
Bloquear carrossel Posicionar fuso Z In Z Out Só colocar ferramenta Retirar e colocar ferramenta Só retirar a ferramenta Avançar carrossel Abrir garra Z Out Desbloquear carrossel Rotação do carrossel para a posição da
nova ferramenta Bloquear carrossel Z In Fechar garra Recuar carrossel Desbloquear carrossel
Figura nº6, Sequências para as diferentes situações na troca de ferramentas
4. POSICIONAMENTO DO CARROSSEL
O posicionamento do carrossel porta-ferramentas, eixo w é realizado recorrendo a módulos reservados do PLC que enviam a informação do movimento pretendido para o CN que por sua vez controla o servocontrolador. O módulo especial utilizado para posicionar o eixo w é módulo 9120, é necessário indicar qual o eixo que se pretende utilizar, a cota a atingir, a velocidade de avanço e o tipo de coordenadas incrementais ou absolutas.
5
6
4
1
3
2
60º
O carrossel porta-ferramentas é um armazém rotativo com capacidade para seis cones porta-ferramentas, figura nº7. Após realizar a referência do eixo, os movimentos necessários para o posicionamento do carrossel são apenas em múltiplos de 60º, para tornar a troca de ferramentas mais rápida o posicionamento deve ser feito no sentido do menor percurso. O posicionamento é realizado com coordenadas incrementais, para determinar qual o sentido de rotação e qual a amplitude do movimento é necessário considerar a posição do carrossel antes da troca que corresponde ao número da ferramenta na árvore e a posição da nova ferramenta. Como referência do eixo w considera-se a posição da ferramenta que está alinhada com a árvore e pronta a avançar.
O número da ferramenta que se encontra na árvore é armazenado na Word W80, no fluxograma esta variável é referida como “ANTIGA”, o número da ferramenta que se pretende colocar na árvore é armazenado na Word W82, “NOVA” no fluxograma. O primeiro passo para determinar qual o menor percurso é o cálculo do módulo da diferença entre a nova posição e a antiga, o valor é armazenado na Word W84, no fluxograma aparece como “DIF”. A programação desta simples instrução matemática corresponde às seguintes linhas do código PLC.
L W80 - W82 = W84 L W84 < K+0 IFT L- W84 = W84 ENDI
Como o carrossel só tem seis posições e considerando a possibilidade da ferramenta ter o número zero, o módulo da diferença das duas posições pode variar entre zero e seis. Se o resultado for zero, significa que a posição antiga e nova são a mesma, pelo que não é necessário efectuar nenhum movimento. Se o resultado for três significa que as duas posições são opostas, ou seja é necessário efectuar uma rotação de 180º não havendo diferença entre o sentido de rotação escolhido. No caso do resultado ser diferente de zero e de três, o resultado indica o número de passos de 60º que separam as duas posições pelo percurso mais curto mas não indica qual o sentido. Para determinar o sentido de rotação é necessário ter em conta se a posição nova está avançada em relação à posição antiga. O algoritmo para determinar a amplitude e sentido do posicionamento do carrossel está representado no fluxograma da figura nº8.
5. RESULTADOS E CONCLUSÕES
O algoritmo descrito foi implementado com sucesso no centro de maquinagem, a troca automática de ferramentas pode ser realizada passo a passo através das funções auxiliares, no modo MDI ou num programa peça através da instrução
“TOOL CALL” em linguagem peça Heidenhain, ou pela função auxiliar M06 em linguagem peça ISO. O tempo total de
troca de ferramentas é aceitável no entanto podia ser melhorado recorrendo a servomotores mais potentes e com mais precisão, tornando o posicionamento dos eixos mais rápido.
Ao habilitar a troca automática de ferramentas no centro de maquinagem, melhorou-se significativamente a integração deste recurso no Sistema Flexível de Produção, foi ainda implementado um sistema de fixação automática de peças. Construiu-se também uma aplicação informática em LabView que controla remotamente o centro de maquinagem permitindo iniciar a maquinagem de peças a partir de um computador central.
O algoritmo utilizado para determinar o menor percurso revelou-se prático devido à capacidade reduzida do armazém, para armazém de maior capacidade será necessário considerar algoritmos mais complexos, podendo ser vantajoso utilizar um sistema sem indexação fixa de ferramenta à posição no armazém.
Figura nº8, Fluxograma do cálculo do menor percurso
REFERÊNCIAS
[1] José P. O. Santos, “Uma arquitectura para a integração da produção baseada em modelos executáveis”, Tese de Doutoramento, Universidade de Aveiro, Portugal, 2003
[2] Jose P. O. Santos, J. J. Pinto Ferreira, José M. Mendonça “A modelling language for the design and execution of enterprise models in manufacturing”, International Journal of Computer Integrated Manufacturing, Vol.13, Número 1, pág. 1 a-10, Janeiro, 2000
[3] Jose P. O. Santos, J. J. Pinto Ferreira, José M. Mendonça “From Shop Floor Simulation to Shop Floor control, a Model-Based Approach”, 9th Dedicated Conference on Simulation in Production and Logistics ASIM’2000, Berlin, Março, 2000 [4] “Technical manual TNC 426B TNC430, Heidenhain, September 1997
[5] User’s Manual Conversational Programming TNC 426, Heidenhain, August 1996
