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Fundamentos dos CNCs

"Embora a intenção desta apresentação seja lhe ensinar o uso dos CNCs, ajudará também a entender por que estas máquinas sofisticadas ficaram tão populares. Aqui estarão alguns dos benefícios mais importantes que se oferece através de equipamentos CNCs."

O primeiro benefício oferecido por todas as formas de máquinas ferramentas CNC é sem duvida a automatização. A intervenção de operador relacionada a peças produto é drasticamente reduzida ou eliminada.
Muitas máquinas CNC podem rodar sem nenhum acompanhamento humano durante um ciclo de usinagem completo, permitindo ao operador tempo livre para desempenhar outras tarefas. Isto permite ao usuário CNC vários benefícios que incluem fadiga de operador reduzida, menos enganos causados por erro humano, usinagem consistente e em tempo previsível para cada produto. Considerando que a máquina estará correndo sob controle de um programa, o nível de habilidade requerido do operador de CNC (relacionado a pratica de usinagem é básico) também é reduzido quando comparado a um operador de máquinas ferramentas convencionais.

O segundo benefício principal da tecnologia CNC são peças consistentes e precisas. As máquinas CNC de hoje ostentam precisão incrível das especificações e também quanto a repetibilidade.
Isto significa que uma vez que um programa esteja testado e aprovado, podem ser produzidos dois, dez, ou mil produtos idênticos facilmente com precisão e consistência adequadas.

Um terceiro benefício oferecido pela maioria das máquinas ferramentas CNC é a flexibilidade. Desde que estas máquinas são rodadas sob controle de programas, pois cortar um produto diferente quase é tão fácil quanto carregar um programa diferente. Uma vez que um programa foi verificado e foi executado para produção, pode ser substituído facilmente por um próximo tipo de peça a ser cortada. Isto nos leva a outro benefício, o de trocas rápidas de "setup".
Desde que estas máquinas são muito fáceis de se montar e produzir um certo produto, e considerando-se que podem ser carregados programas facilmente, eles permitem tempos de "setup" muito curtos. Isto é imperativo com as exigências de produção dos nossos dias.

Controle de movimento - O coração do CNC

Figura 1. O movimento de uma mesa de máquina convencional é acionado pelo operador que gira uma manivela (manípulo). O posicionamento preciso é realizado pelo operador que conta o número de voltas a ser dada na manivela com graduações no dial (anel graduado) desta forma dependendo exclusivamente da perícia do operador.

A função mais básica de qualquer máquina CNC é o controle de movimento automático, preciso, e consistente. Todos equipamentos CNC que tenha duas ou mais direções de movimento, são chamados eixos. Estes eixos podem ser preciso e automaticamente posicionados ao longo dos seus movimentos de translação. Os dois eixos mais comuns são lineares (dirigido ao longo de um caminho reto) e rotativos (dirigido ao longo de um caminho circular).
Em vez de serem movimentadas virando manivelas manualmente como é feito em máquinas ferramentas convencionais, as máquinas CNCs têm seus eixos movimentados sob controle de servo motores do CNC, e guiado pelo programa de peça.
Em geral, o tipo de movimento (rápido, linear e circular), Para os eixos se moverem, a quantidade de movimento e a taxa de avanço (feed rate) é programável em quase todas máquinas ferramentas CNC. A figura 1 (acima) mostra o controle de movimento de uma máquina convencional. A figura 2 (abaixo) mostra um movimento de eixo linear de uma máquina CNC.

 

Figura 2. Uma máquina CNC recebe a posição comandada do programa CNC. O servo motor é acionado com a quantidade correspondente de giros no fuso de esferas de aço, na velocidade adequada para posicionar a mesa onde foi comandada ao longo de um eixo linear. Um dispositivo de avaliação confirma se a quantidade de giros no fuso guia realmente ocorreu.

Um comando CNC executado dentro do controle (comumente por um programa) diz para o servo motor girar um número preciso de vezes. A rotação do servo motor gira o fuso que passa em um suporte da mesa que esta montada sobre barramento, quando o fuso gira os sulcos do mesmo força a mesa em uma direção e esta desliza sobre o barramento de apoio gerando movimento em uma direção.
Este fuso movimenta o eixo linear. Um dispositivo de avaliação no final oposto deste fuso roscado permite o controle para confirmar que o número comandado de rotações aconteceu.

Embora uma analogia bastante rústica, o mesmo movimento linear básico pode ser encontrado em uma máquina convencional. Quando se gira a manivela, você girará um eixo com rosca (parafuso sem fim), o qual movimenta a mesa em uma direção específica.
Por comparação, um eixo linear em uma máquina ferramenta CNC é extremamente preciso. O número de rotações do fuso dirige precisamente o servo motor e controla a quantidade de movimento linear ao longo deste eixo.

Como é comandado o movimento de um eixo - Entendendo os sistemas de coordenadas.

Seria inconcebível para o usuário CNC gerar movimento de eixo tentando controlar o servo motor de cada eixo, quantas vezes deveria girar este fuso para comandar uma determinada quantidade de movimento linear. (Isto estaria como ter que entender quantas voltas da manivela em um anel graduado para movimentar a mesa em um milímetro exatamente!). Em vez disto, todos os controles CNC permitem comandar o movimento do eixo de um modo muito mais simples e mais lógico utilizando alguma forma de sistema de coordenada. Os dois sistemas de coordenadas mais populares da maioria usado nas máquinas CNCs é o sistema de coordenada cartesiano ou coordenada retangular e o sistema de coordenada polar. Sem dúvida, o mais comum é o sistema de coordenada retangular, e nós o usaremos para todas as discussões feitas nesta apresentação.

Uma aplicação muito comum para o sistema de coordenada retangular são os gráficos.
Quase todo o mundo já teve que fazer ou interpretar um gráfico. Desde que a necessidade para se utilizar gráficos é tão trivial, e isto se assemelha muito ao que é exigido para causar movimento de eixo em uma máquina de CNC, revisemos os fundamentos dos gráficos.

Figura 3. O gráfico ilustra o uso de linhas básicas, os incrementos usados para cada linha básica, e a origem pontual para as duas linhas básicas (horizontal e vertical).

Figura 3 (acima) é um gráfico da produtividade de uma companhia durante ano passado. Como em qualquer gráfico de duas dimensões, este gráfico tem duas linhas de base. Cada linha básica é usada para representar algo. O que a linha básica é representa por incrementos, além do que, cada linha básica tem seus limites. Em nosso exemplo de produtividade, a linha básica horizontal está sendo usada para representar tempo. Para esta linha básica, o incremento de tempo está em meses.
Note que esta linha básica tem inicio em janeiro e final em dezembro. A linha básica vertical representa produtividade. A produtividade está dividida de dez em dez por cento cada incremento, inicia-se em zero por cento de produtividade e finaliza-se nos cem por cento.

A pessoa que fez o gráfico observou a produtividade da companhia para janeiro do ano passado e à posição de produtividade no gráfico durante janeiro, um ponto então foi apontado no gráfico. Isto então foi repetido em fevereiro, março, e cada mês do ano. Uma vez que todos pontos foram lá colocados, uma linha ou curva é passada em cada um dos pontos o que tornar mais claro o desempenho da companhia no ano passado.

Tomamos o que sabemos agora sobre gráficos e relacionamos ao eixo de movimento do CNC. Em vez de plotar os pontos teóricos para representar idéias conceituais, o programador de CNC plotará os pontos do final físico para cada movimento de eixo. Cada eixo linear da máquina ferramenta pode ser pensado como uma linha básica do gráfico. Como os gráficos de linhas básicas os eixos estão divididos em incrementos. Mas em vez de estar dividido em incrementos de idéias conceituais como tempo e produtividade, cada eixo linear do sistema de coordenada retangular de uma máquina CNC está dividido em incrementos mensuráveis em mm (medida de distancia). No modo de polegadas modo, o incremento menor pode ser 0.0001 polegada. No modo métrico, o incremento menor pode ser 0.001 milímetro. (A propósito, para eixo rotativo o incremento é 0.001 graus.)

Assim como os gráficos, cada eixo no sistema de coordenadas da máquina CNC tem que iniciar em algum lugar. Com o gráfico, a linha básica horizontal começou a janeiro e a linha básica vertical começou na produtividade de zero %. Este lugar aonde as linhas básicas verticais e horizontais se encontram é chamado o ponto de origem do gráfico. Para propósitos de CNC, este ponto de origem é chamado pelo programa comumente: ponto zero (também chamado de zero de trabalho, zero peça, ou origem do programa).

 

Figura 4. O sistema de coordenada retangular para o plano XY. O ponto zero do programa estabelece o ponto de referência para movimento comandado em um programa de CNC. Isto permite para ao programador especificar movimentos de um local comum. Se o zero de programa for sabiamente escolhido, normalmente podem ser tomadas as coordenadas precisas para o programa diretamente.

Figura 4 (acima) mostra como são comandados os movimentos de eixo comumente em máquinas CNC. Por exemplo, os dois eixos que nós estamos mostrando são chamados de X e Y, mas lembre-se de que no programa o zero pode ser aplicado a qualquer eixo. Embora o nome de cada eixo mude em cada tipo de máquina CNC a outros (outros nomes comuns incluem Z, A, B, C, U, V, e W), este exemplo deveria ser usado para mostrá-lo bem como o movimento de eixo pode ser comandado.
Como pode ver, a posição mais baixa no canto e mais a esquerda da peça será correspondente à posição zero para cada eixo. Quer dizer, o canto mais baixo à esquerda da peça é o ponto zero do programa. Antes de escrever o programa, o programador deverá determinar a posição zero do programa. Tipicamente, o ponto zero do programa é escolhido como o ponto onde todas as dimensões se iniciam.

Com esta técnica, se o programador deseja enviar a ferramenta a uma posição 10 milímetros à direita do ponto zero do programa, X10.0 é comandado. Se o programador deseja que a ferramenta mova se a uma posição de 10 milímetros sobre o ponto zero do programa, Y10.0 é comandado.
O controle determinará quantas vezes automaticamente ira girar o servo motor de cada eixo e assim fazer o eixo alcançar o ponto de destino comandado. Isto faz com que o programador comande o movimento de eixo de uma maneira muito lógica.

Com os exemplos dados, todos os pontos aconteceram para cima e à direita do ponto zero do programa zero. Esta área, acima e à direita do ponto zero do programa é chamado de primeiro quadrante (neste caso, quadrante número um). Não são raras máquinas CNC que trabalhem em outros quadrantes. Quando isto acontecer, pelo menos um das coordenadas deve ser especificado como negativa. Figura 5 (abaixo) mostra a relação dos quatro quadrantes como também as representações "mais e menos" que requereram para cada. Figure 6 (abaixo) mostra uma aplicação comum onde os pontos finais ocorrem entre os quatro quadrantes e coordenadas negativas devem ser especificadas.

Figura 5. Se um ponto aparecer num programa CNC em qualquer quadrante diferente do primeiro quadrante, um sinal de menos deverá ser incluído em pelo menos um dos seus eixos.

Absoluto versus incremental

Todas as discussões sobre este ponto assumem que o modo absoluto de programar deve ser usado. No modo absoluto, as coordenadas dos pontos de todos os movimentos serão especificadas a partir do ponto zero do programa. Para novatos, normalmente este é o melhor e mais fácil método de especificar as posições para comandos de movimento. Porém, há outro modo de especificar os movimentos de eixo.
O modo incremental onde se é especificado os movimentos a partir da posição atual da ferramenta, não do zero do programa. Com este método de movimento dominante, o programador tem que estar perguntando. "Quão distante eu deveria mover a ferramenta?", são tão raras as vezes que este método é útil que atualmente esta se transformando em coisa do passado, em geral, este método é mais incômodo e difícil.
É importante tomar muito cuidado ao se fazer os comandos de movimento. Os novatos têm a tendência para pensar incrementalmente. Trabalhando se no modo absoluto (como deveria ser feito), o programador sempre deveria estar perguntando "A que posição a ferramenta deveria ser movida?" Esta posição é relativa ao zero do programar, não da posição atual da ferramenta. Figura 6 (abaixo) mostra duas séries idênticas de movimentos, um no modo incremental e a outra no modo absoluto.

Movimento absoluto versus movimento incremental

 

Figura 6. É muito fácil de dizer o local preciso da ferramenta em qualquer comando dado pelo modo absoluto. No modo incremental, pode ser muito difícil determinar a posição atual da ferramenta para um determinado comando de movimento.


Alem de ser muito fácil de determinar a posição atual para qualquer comando, outro benefício de se trabalhar no modo absoluto tem a ver com enganos feito durante comandos de movimento.
No modo absoluto, se um erro de movimento é cometido em um comando do programa, só um movimento estará incorreto. Por outro lado, se um erro é cometido durante movimentos por incrementos, todos os movimentos a partir deste ponto também estarão errados.

Lembre se de que o controle CNC precisa saber onde você definiu o ponto zero do programa assim como se passa informação de uma pessoa para outra. Como isto varia dramaticamente de uma máquina CNC para outra. Um método mais antigo e usual é nomear o zero de programa no programa. Com este método, o programador diz ao controle a posição do ponto zero do programa em relação ao ponto zero da máquina. Isto é comumente passado ao controle pelo código G92 (ou G50) este comando é colocado pelo menos no começo do programa e possivelmente no começo de cada ferramenta.

Um modo mais novo e melhor para nomear zero do programa é por alguma forma de compensação. Fabricantes de controle de centros de usinagem normalmente chamam estas compensações de "Offsets" do zero de instalação. Fabricantes de centro de torneamento comumente chamam estas compensações para cada tipo de desenho da ferramenta. Mais modos de como os programas podem ser zerados serão apresentados durante conceito fundamental número quatro.

Outros pontos sobre movimentos de eixos

Até este ponto, nossa preocupação primária foi lhe mostrar como determinar o ponto de cada comando de movimento. Como você pode perceber, enquanto fazendo isto foi requerida uma compreensão do sistema de coordenada retangular. Porém, há outras preocupações como um movimento acontecerá. Por exemplo, o tipo de movimento (rápido, interpolação linear, circular, etc.), e taxa de avanço também deve ser uma das preocupações do programador. Nós discutiremos estas outras considerações durante conceito fundamental número três.

Programa CNC

Quase todos controles de CNCs atualmente usam um único formato de endereço de palavra para se programar. (As únicas exceções para isto são certos controles sociáveis). Através deste formato de endereço de palavra, queremos dizer que o programa CNC é feito sobre sentenças de comandos. Cada comando é composto de palavras CNC e cada qual têm seu endereço de letras e valores numéricos. O endereço de letra (X, Y, Z, etc.) diz ao controle o tipo de palavra e o valor numérico diz ao controle o valor da palavra. Usado como palavras e sentenças no idioma português, palavras em um comando CNC dizem as máquinas CNCs o que é que desejamos fazer com este bloco de comando.

Uma analogia muito boa para o que acontece em um programa CNC é encontrada em qualquer conjunto de instruções passo a passo. Por exemplo, você tem algumas visitas de outra cidade que estão chegando para visitar sua companhia. Você precisa escrever as instruções para se chegar do aeroporto local a sua companhia. Para fazer isto, você deve primeiro visualizar o caminho do aeroporto até sua companhia. Você vai então, em seqüência, escrever cada instrução uma em baixo da outra.A pessoa que segue suas instruções executará a primeira instrução e então seguirá para a próxima até que ele ou ela chegue a suas instalações.

De modo semelhante, um programador CNC manual deve poder visualizar as operações de usinagem que deverão ser executadas durante a execução do programa. Então, passo a passo, o programador dará um conjunto de comandos que fazem a máquina se comportar adequadamente.

Embora um pouco fora do assunto, nós desejemos fazer uma observação importante sobre visualização. Da mesma maneira que a pessoa dirige em uma viagem precisa visualizar o caminho a ser tomado, assim deve o programador CNC poder visualizar os movimentos que máquina CNC estará fazendo antes mesmo do programa ser desenvolvido. Sem esta habilidade de visualização, o programador poderá não desenvolver os movimentos corretamente no programa. Esta é uma razão por que os operadores de máquinas fazem os melhores programas de CNC. Um operador experiente deve poder visualizar qualquer operação de usinagem de modo fácil e efetivo.
Da mesma maneira que cada instrução de viagem concisa será composta de uma sentença, assim vá cada instrução dada dentro de um programa CNC será composto de um comando. Da mesma maneira que a oração de instrução de viagem é composta de palavras (em português), assim é o comando CNC composto de palavras de CNC (em linguagem CNC).
A pessoa que segue seu conjunto de instruções de viagem os executará explicitamente. Se você cometer um erro com seu conjunto de instruções, a pessoa se perderá a caminho de sua companhia. Em modo semelhante, a máquina CNC executará um programa CNC explicitamente. Se houver um engano no programa, a máquina CNC não se comportará corretamente.
A baixo está um exemplo de um programa curto onde se deseja executar dois furos em uma peça em um centro de usinagem CNC. Lembre-se de que nós não estamos acentuando os comandos neste programa (entretanto as mensagens nas descrições dos blocos deve deixar relativamente claro sobre o que está acontecendo em cada comando). No entanto nosso principal propósito aqui é acentuar a estrutura de um programa CNC e o fato que será executado em uma seqüência de blocos.

Blocos de comando Descrição dos bloco

Bloco Descrição do bloco
O0001 Número de Programa
N005 G54 G90 S400 M03 Seleciona as coordenadas, sistema absoluto e o fuso deve girar no sentido horário a 400 RPM.
N010 G00 X1. Y1. Rápido para o local de XY do primeiro furo.
N015 G43 H01 Z.1 M08 Inicia a compensação de comprimento de ferramenta, rápido em Z para posição acima da superfície para furar, liga o refrigerante.
N020 G01 Z-1.25 F3.5 Avance para o primeiro furo a 3,5 polegadas por minutos.
N025 G00 Z.1 Rápido para fora do furo.
N030 X2. Rápido para o Segundo furo.
N035 G01 Z-1.25 Avance para o Segundo furo
N040 G00 Z.1 M09 Rápido para fora do segundo furo,desliga o refrigerante.
N045 G91 G28 Z0 Retorno para posição de referência em Z.
N050 M30 Fim de programa, rebobinar a fita.

 

As palavras e comandos neste programa não fazem muito sentidos a você, portanto nosso intuito é acentuar a ordem seqüencial na qual o programa CNC será executado. O controle lerá primeiro, interpretará e executará o primeiro comando no programa. Só então irá para o próximo comando. Leia, interprete, execute. Então seguirá para o próximo comando e assim sucessivamente. Novamente, note a semelhança a dar qualquer conjunto de instrução passo a passo.

Outras notas sobre programas CNC.

Como já foi dito, programas são compostos de comandos e comandos são compostos de palavras. Cada palavra tem um endereço de letra e um valor numérico. O endereço de letra diz para o controle o tipo de palavra. Os fabricantes de controle CNC variam com respeito a como eles determinam os nomes das palavras (letra e direção) e os significados delas. No inicio o programador CNC deve se referenciar pelo manual do fabricante do controle para determinar como deve ser o significado e o endereço de cada palavra. Aqui está uma lista breve de algumas dos tipos de palavras e as especificações de endereço de letra mais comuns.

O - Número de Programa (Usado para identificação de programa)
N - Número de Sucessão (Usado para identificação de linha)
G - Função Preparatória (Veja abaixo)
X - Eixo X
Y - Eixo Y
Z - Eixo Z
R - Raio
F - Taxa de avanço
S - Rotação do fuso
H - Compensação de comprimento da ferramenta.
D - Compensação de raio da ferramenta.
T - Ferramenta
M - Função miscelânea

Como você pode ver, muitos dos endereços de letra são escolhidos de uma maneira lógica (T para ferramenta 'tool', S para fuso 'spindle', F para taxa de alimento 'feedrat', etc.). Algumas requerem memorização maior.

Há duas letras diretoras (G e M) que permitem designar funções especiais. A função preparatória (G) especificamente é usada para fixar modos de atuação da máquina. Nós já introduzimos modo absoluto que é especificado por G90 e modo incremental especificado por G91. Estes são mais duas das funções preparatórias usadas. Você deve se referenciar no manual de seu fabricante de controle para achar a lista de funções G e M da sua máquina.
Como as funções preparatórias, as funções miscelâneas (M) permitem uma variedade de funções especiais. Funções miscelâneas são tipicamente usadas como interruptores programáveis (como liga e desliga do fuso, liga e desliga o refrigerante, e assim por diante). Estas funções também são usadas para permitir programação de muitas outras funções das máquinas ferramenta CNC.
A um novato, tudo pode parecer requerer muita memorização para se programar CNC. Porém uma coisa boa precisa ser dita, é que existem apenas aproximadamente de 30 a 40 palavras diferentes usadas em programação CNC. Imagine se você precisasse aprender programação CNC manual, isto seria como aprender um idioma estrangeiro que tem só 40 palavras, isso não deveria parecer muito difícil.

Programação de ponto decimal

Certas letras dos programas CNC permitem a especificação de números reais (números que requerem porções de um número inteiro). Exemplos incluem eixo X (X), o eixo Y(Y), e raio (R). Quase todos modelos de controles CNC atuais permitem usar um ponto decimal dentro da especificação de cada endereço de letra. Por exemplo, X3.0625 pode ser usado para especificar uma posição ao longo do eixo de X.
Por outro lado, alguns endereços de letra são usados para especificar números inteiros. Os exemplos incluem: o número da ferramenta (T), sucessão dos números dos blocos (N), funções preparatórias (G), e funções miscelâneas (M). Para estes tipos, a maioria dos controles não permite usar um ponto decimal. O programador principiante deve se referenciar nos manuais dos controles CNC do fabricante, onde estarão especificadas as letras que por ventura possuam pontos decimais.

Outras funções programáveis

Todas inclusive as máquinas CNC mais simples têm funções programáveis diferentes de apenas movimentos de eixos. Com a explosão da produção dos equipamentos CNC de hoje, quase tudo sobre a máquina é programável. Por exemplo, Centros de usinagem CNC permitem programar a velocidade e a direção de rotação do fuso, refrigerante pelo interior da ferramenta ou misturando-se óleo refrigerante e ar comprimido, troca automática de ferramentas, e muitas outras funções da máquina. E todas as formas de equipamentos CNC terão o próprio conjunto de funções programáveis. Adicionalmente, certos acessórios como sistemas de sondas, sistemas que podem medir o comprimento da ferramenta, trocadores de pallets, e sistemas de controle adaptáveis que também podem estar disponíveis e requererão considerações de programação.

A lista de funções programáveis pode variar dramaticamente de uma máquina para outra, e o usuário precisa aprender estas funções programáveis para cada máquina CNC que fizer um programa. Em conceito fundamental número dois, nós daremos uma olhada nas formas diferentes de programação de máquinas ferramentas CNC.

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