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Máquinas CNC algumas definições e considerações

 

A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos de fabrico. Perfis de alta complexidade são facilmente torneados. estruturas em 3 dimensões tornam-se relativamente fáceis de produzir e o número de passos no processo com intervenção de operadores é drasticamente reduzido. O CNC reduziu também o número de erros humanos, não os eliminando (o que aumenta a qualidade dos produtos diminuindo o desperdício), agilizou as linhas de montagem e tornou-as mais flexíveis, pois a mesma linha de montagem pode agora ser adaptada para produzir outro produto num tempo muito mais curto se comparado com os processos tradicionais de produção. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico da informática e a tendência por uma interactividade cada vez maior com o usuário, o código e linguagem de máquina também evoluiu.

A ordem cronológica do CNC:

• 1947 - Parsons Corporation: Desenvolveu um sistema de controle que direcciona um cabeçote para vários pontos em sequência;
• 1951 - Servomecanismo (MIT): Sistema de Parson mais computador;
• 1952 - Cincinnati Milicron: Primeira fresadora vertical CN com 3GDL;
• 1954 - Apresentação do 1º CN em público;
• 1957 - Primeira produção de máquinas CN entregue e instalada;
• 1960 - Máquinas CN disponíveis em larga escala;
• 1970s-1980s - Centros de maquinagem;
• 1990s-2000 - Programação à distância, Internet, CAM.

Tipos de controladores:

• Controlador ponto a ponto: Este controlador é o mais simples, a máquina toma a posição dos pontos referidos, mas não faz o controlo do percurso. Um exemplo deste tipo de controlador pode ser encontrado nas operações de furação de placas.

• Controlador paraxial ou de percurso: Estes controladores permitem movimentos de contornos paralelos a um dos eixos de referência, por isso só movimenta um eixo de cada vez. São exemplos destas operações furos rectangulares em placas, ou ranhuras.

• Controlador de trajetória ou continuo: É o controlador mais complexo, que permite contornos complexos e onde existe sincronização de movimento dos eixos da máquina.

Eixos de trabalho de fresadora CNC

Eixos de trabalho de Torno CNC

Instruções básicas do código ISO ou G

• N-> Numero de Sequência (de um bloco de programação)
• XYZ-> Comando dos eixos de movimento (coordenadas dos pontos de chegada)
• G-> Função preparatória (indicam as características da operação)
• M-> Função auxiliar (indicam outras funções, como mudanças de ferramenta, paragens, ligar óleo de corte, etc)
• F-> Velocidade de avanço (necessita de uma função preparatória)
• S-> Velocidade de rotação (é a rotação da árvore principal)
• IJK-> São vetores de posição circular de interpolação
• T-> Numero de ferramenta
• H-> Corretor da ferramenta

 

– Máquina CNC

• NC – Controlo Numérico

O controle numérico (CN) é um método de controle dos movimentos de máquinas pela interpretação direta de instruções codificadas na forma de números e letras. O sistema interpreta os dados e gera o sinal de saída que controla os componentes da máquina. O primeiro protótipo de máquina CN foi construído em 1952 no Massachusetts Institute of Technology, era uma fresadora vertical copiadora, retrabalhada via retrofitting com servomotores, utilizada na fresagem frontal de alumínio. Os dados de entrada foram fornecidos através de uma fita perfurada, nas experiências as peças foram fabricadas com sucesso, com precisão e de forma repetitiva sem intervenção do operador. Com base neste equipamento, a indústria de máquinas ferramenta passou a projetar, construir e vender máquinas CN.

• DNC – Controlo Numérico Directo

Controle Numérico Direto (Direct Numerical Control - DNC) este sistema é aplicado para transmitir e enviar dados entre um computador e uma ou mais máquinas CN, garantindo assim maior produtividade e menor risco de perda de dados, evitando perda de tempo por parte do operador pela dispensável digitação do programa ou outros dados.

• CNC – Controlo Numérico Computacional

Controlo numérico computorizado (Computer Numeric Control) é um sistema que permite o controle de máquinas, sendo utilizado principalmente em tornos e centros de maquinação. Permite o controle simultâneo de vários eixos, através de uma lista de movimentos escrita num código específico (código G). Com o objectivo de confecção de peças complexas, em serie e/ou de grande precisão, especialmente quando usada em conjunto com os actuais programas CAD/CAM.

A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos industriais. Perfis de alta complexidade são facilmente torneados. Estruturas em 3 dimensões tornam-se relativamente fáceis de produzir e o número de passos no processo com intervenção de operadores é drasticamente reduzido. O CNC reduziu também o número de erros humanos (o que aumenta a qualidade dos produtos diminuindo o desperdício), agilizou as linhas de montagem e tornou-as mais flexíveis, pois a mesma linha de montagem pode agora ser adaptada para produzir outro produto num tempo muito mais curto se comparados os processos tradicionais de produção. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico da informática e a tendência por uma interactividade cada vez maior com o utilizador, o código e linguagem de máquina também evoluiu.

– Princípio de trabalho

• Sistema de controlo de ciclo aberto

Ciclo aberto – Instruções programadas são fornecidos para o controlador através de um aparelho de input. Essas instruções são então convertidas para impulsos elétricos (sinais) pelo controlador e enviado para o amplificador para alimentar os servos motores, o acumular de impulsos determina a distancia que cada servo tem de se deslocar e a sua frequência determina a velocidade.

A principal desvantagem do ciclo aberto é a inexistência de feedback do Sistema para verificar se o posicionamento do programa ou a velocidade do programa foi atingida, se o sistema sofrer interferência por excesso de carga, temperatura, humidade ou lubrificação, pode causar desvios entre o produto final e o projeto.

Por essas razões o sistema de ciclo aberto é geralmente usado para sistemas ponto a ponto, onde a precisão não é fulcral, sistemas de movimentos lineares utilizam este sistema.

• Sistema de controlo de ciclo fechado

O Sistema de ciclo fechado tem um subsistema para monitorizar as entradas de informação fornecida pela máquina e corrigir qualquer discrepância entre o programa e a peça final. O sistema de monitorização pode ser digital ou analógico, o analógico mede variações como o posicionamento e a velocidade em níveis de voltagem, em quanto a digital funciona pelo meio de impulsos elétricos.

Os sistemas de ciclo fechado, são muito poderosos e precisos, porque são capazes de monitorizar e executar a operação e as suas condições em tempo real compensando qualquer variação.

As versões mais modernas das CNC de Sistema de ciclo fechado, são capazes de uma resolução de 0,0025 mm. Naturalmente estes sistemas são mais complexos, pois requerem mais sistemas de controlo e os seus circuitros, tudo isto acarreta mais custos do que num sistema de ciclo aberto.

– Componentes de uma máquina CNC

Máquina de CNC – Constituição:

·         Unidade de recepção de dados (via microcomputadores, teclado, fitas magnéticas, disquetes, ...)

·         Unidade calculadora (hardware), onde as informações recebidas são processadas e transmitidas à interface

·         Unidade de interface que liga o comando à máquina, de modo que transmita as informações processadas aos motores da mesma

·         Unidade de comunicação com o operador/programador (vídeo com informações úteis relativas ao processo).

– Motores

• Motor DC

São usados maioritariamente para a movimentação do porta ferramentas, ferramentas, sistema de vídeo e posicionamento do óleo de corte, os mesmos são usados para tarefas simples e que não necessitem de grande precisam, baixando assim os custos das máquinas e a sua complexidade.

• Motor passo-a-passo

São usados principalmente para a movimentação dos eixos, o mesmo recebe o seu nome por trabalhar por passos ou impulsos, podendo o mesmo “contar” os passos tendo assim ideia da posição espacial dos eixos as suas vantagens são:

·         Simplicidade de operação

·         Baixo custo, comparado com os servo motores

·         Menor torque a velocidades mais baixas permite o uso pulias redutoras e temporizadoras para várias cargas sem recorrer ao uso de engrenangens

Desvantagens:

·         Possuem menos eficácia quando comparados com os servo motores

·         Possuem tendência a ter problemas com impedância e ruido no sinal

·         As cargas não aceleram rapidamente devido ao baixo torque em relação à inércia

·         Em termos do rácio peso/tamanho vs potência perdem para os servo motores

• Motor linear

O motor linear é essencialmente um servo motor desenrolado em que o rotor com os imans permanentes passa a ser a parte imovel e o estator passa a ser a parte móvel com os enrolamentos encapsulados em epóxi, usado também para a movimentação dos eixos a sua maior vantagem é a inexistência de partes moveis o que permite muito maior precisão no posicionamento e consistência, como as leituras da sua movimentação são feitas numa escala(ótica ou magnética) em vez do tradicional encoder circular as mesmas podem ser efetuadas com o motor em carga o que em alta precisão pode fazer toda a diferença.

Apesar do seu custo superior é a única opção existente no mercado que responde com eficácia aos três critérios de maior importância na escolha de um sistema de topo:

·         Velocidade das viagens (até 10m/s e 10g de aceleração)

·         Curso de grande comprimento (basicamente é ilimitado)

·         Grande precisão (0,0001mm)

A maior desvantagem dos motores lineares é o aquecimento dos enrolamentos, pois o epóxi que os envolve não possui a capacidade de dissipar o calor, podendo ser necessário um sistema de refrigeração do mesmo.

• Servomotor DC

Os motores mais usados nas CNC’s contemporanias para o movimento dos eixos nos sistemas de ciclo fechado porque transferem a informação do seu posicionamento para a CNC no caso do motor DC é ligado a um encoder com um sensor e controlador por um servo amplificador. Estes motores apresentam maior precisão que os motores passo-a-passo. Graças ao seu rácio de torque alto vs inertia, permite acelerações rápidas. É também muito eficiente.

As suas desvantagens prendem-se com o preço mais elevado, maior complexidade, com o binário superior estar inerente à maior velocidade de operação, necessitam de maior manutenção pois são suscetíveis a aquecimento e necessitam de ter as suas escovas trocadas periodicamente.

• Servomotor AC

Idêntico ao servomotor DC mais com o seu funcionamento a estar a cargo de um variador de velocidade e sem a necessidade de troca de escovas.

– Eixos, guias e parafusos

• Fusos com fêmea de esferas circulantes

Os fusos servem para transformar o movimento circular dos motores/servomotores em movimentos lineares da mesa.

• Acoplamentos mecânicos tipo fusível

Acoplamento é uma conexão ou interação entre dois sistemas, mediante o que se transfere energia de um para outro. acoplamentos são usados para unir peças e transmitir potência, torque e rotação, os acoplamentos nas CNC têm função de unir eixos, absorver choques, funcionando como fusível mecânico, compensar os desalinhamentos entre eixos, reduzir as vibrações, não forçar os rolamentos dos motores ou caixas, permitir a manutenção no eixo motriz ou no eixo movido individualmente e absorver dilatações dos eixos do motor e do sistema.

Na sua função de fusível permitem que a ligação mecânica seja interrompida numa força predeterminada impedindo assim o estrago de peça vitais da máquina.

• Guia linear

Têm como função assegurar o movimento linear da mesa em paralelo com o movimento vindo do motor linear ou do fuso com fêmea de esferas circulantes.

- Sistemas de medição

• Tacómetro

Pode ser utilizado como um tacômetro óptico ou como um tacômetro de contacto, o que permite medir as rotações por minuto em vários tipos de aplicações. Utilizado como tacômetro de contacto, permite medir a velocidade linear (metros/segundo). Já quando no modo foto tacómetro, dispõe de um laser com precisão de até 100 cm de distância do ponto de medição de rotação, serve para medir a rotação da peça no torno CNC ou da ferramenta no centro de maquinagem ou fresadora CNC.

• Codificador

É um aparelho que converte a posição angular ou linear de um motor/guia/eixo em impulsos eléctricos. Pode trabalhar por indução, sensor óptico e por detecção de magnetismo seja no próprio eixo ou fora.

• Codificador incremental

Um codificador incremental é mais consistente e preciso nas suas leituras, mas precisa de uma unidade exterior para calcular o relacionamento entre a leitura e o posicionamento real, o que entre períodos sem alimentação pode levar à necessidade de calibragem do mesmo. Geralmente é constituído por duas “réguas circulares” uma de alta resolução para o movimento e uma de baixa resolução para contar as rotações nos codificadores angulares.

• Codificador absoluto

Um codificador absoluto mantém a posição e a leitura da mesma, mesmo quando não existe corrente no sistema, a mesma leitura está disponível aquando da introdução de corrente no sistema. A relação entre a posição física e a leitura é determinada no fabrico do codificador absoluto, assim o mesmo não necessita de ser calibrado.

• Guias lineares

Funcionamento semelhante aos descritos atrás, com a particularidade de ser medido de forma linear.

Espero que esta breve descrição dos elementos básicos que compõem a CNC sejam úteis.