Usinagem de formas complexas:do CAD/CAM ao CNC

Por MSc Eng. Adriano Fagali de Souza

1 Manufatura de Superfícies Complexas
A manufatura de superfícies complexas é caracterizada por programas NC extensos e tolerâncias que envolvem o processo, acarretando em inconveniências na manufatura, que podem se agravar quando se utiliza o processo de usinagem em alta velocidade de corte. Para melhor esclarecimento desta etapa produtiva, a seguir encontra-se uma descrição do processo de produção envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC.

1.1 Criação de geometrias em um sistema CAD
Atualmente as geometrias de produtos são geradas nos sistemas CAD fazendo uso de sofisticadas metodologias matemáticas (como NURBS, por exemplo), necessárias para satisfazer as exigências do modelamento de formas geométricas complexas. Finalizado o processo de modelamento no sistema CAD, tem-se a transferência desta geometria para o sistema CAM, visando a geração de programas NC para a manufatura.
Para a transferência de dados do sistema CAD para o sistema CAM, grande parte dos sistemas freqüentemente utilizam uma malha de triângulos gerada sobre a geometria original do CAD e que aproxima da representação geométrica real através de uma tolerância definida pelo usuário. Algumas empresas que desenvolvem sistemas CAD/CAM, encontraram nesta técnica uma maneira eficiente de se trabalhar. Esta metodologia permite uma comunicação simples e conveniente entre sistemas CAD e CAM, pois são apenas transferidas informações por coordenadas cartesianas, permitindo assim uma fácil comunicação entre sistemas CAD/CAM de um mesmo fornecedor ou de fornecedores diferentes que, normalmente, são baseados em diferentes modeladores geométricos.
No entanto, neste processo triangularização ocorre a conversão de uma geometria gerada por um modelo matemático, capaz de representar precisamente qualquer forma geométrica, em segmentos de retas. Desta maneira é introduzida a primeira tolerância no processo, como mostra a Figura 1. Quanto menor a tolerância para a triangularização, melhor descrita será a geometria; proporcionalmente, aumenta-se o tamanho dos arquivos e o tempo para cálculo de programas NC.

Figura 1: Malha de triângulos gerada para a transferência de dados

A Figura 1 foi criada um valor elevado de tolerância para ilustrar o fato. Em azul hachurado, está a geometria original do CAD, criada por uma função Spline. Em marrom a geometria triangularizada.

1.2 Geração de programas NC através de um sistema CAM
A trajetória da ferramenta para a usinagem de uma superfície complexa é gerada pelos sistemas CAM através de pequenos segmentos de retas, utilizando apenas os comandos G01, de acordo com a norma DIN 66025. O comprimento mínimo destes segmentos, não podem ser determinados pelos usuários e está relacionado com as tolerâncias descritas e o grau de curvatura da superfície.
O software CAM para o calcular as trajetórias de ferramentas contidas em um programa NC, necessita deste outro valor de tolerância. Esta tolerância está relacionada com a exatidão com que a trajetória da ferramenta irá seguir o modelo geométrico proveniente do CAD, agora representado por uma malha de triângulos.
Alguns sistemas CAM permitem estabelecer através de uma banda de variação, limites de tolerâncias com a possibilidade de desvio da trajetória para dentro e/ou para fora da geometria.
A Figura 2 ilustra uma trajetória de ferramenta calculada sobre um modelo geométrico utilizando um valor de tolerância simétrico, com a ferramenta saindo e invadindo o modelo dentro da tolerância estipulada pelo usuário.

Figura 2: Tolerância da trajetória da ferramenta

Para que se tenha uma qualidade satisfatória e um processo efetivo, o usuário deve estar plenamente ciente destas características citadas acima.

1.3 Execução dos programas NC
Depois de gerado o programa NC pelo CAM, este deverá ser transmitido para a máquina CNC para realizar a usinagem. Um programa NC é um arquivo em formato ASCII, e pode ser transferido de um computador externo para o CNC através de cabos seriais, RS232, ethernet ou até mesmo por um disquete.

1.3.1 Características do CNC - Tempo de Processamento de Bloco
O Tempo de Processamento de Bloco (TPB) é o tempo médio necessário para o controle numérico processar e enviar informações de comando para o acionamento dos servo-motores, e é uma característica do CNC. Atualmente encontram-se comandos numéricos com TPB a partir de 100 ms até 0,5 milisegundos para os mais modernos.
O comprimento do segmento de reta utilizado para descrever uma parcela da trajetória da ferramenta, em conjunto com o TPB, são fatores que limitam a velocidade de avanço da usinagem.
Quando a velocidade de movimentação da máquina relativo a um bloco de comando for maior que a velocidade do comando numérico para enviar novas informações de posicionamento, a máquina chega ao ponto destino e espera os novos comandos para movimentação (Servo Starvation). Embora isto ocorra em frações de segundos, tem-se uma drástica repercussão no acabamento final. Alguns CNCs são capazes de reduzir o avanço automaticamente, adequando-se ao TPB para evitar problemas de movimentação, desta forma, reduz-se a velocidade de avanço da usinagem.
O TPB do comando numérico deve ser menor que o tempo necessário para a ferramenta percorrer o menor incremento de trajetória descrito por um bloco de comando. Supondo que o menor incremento seja 0,3 mm e que o TPB seja 8ms, a velocidade de avanço máxima estaria limitada em:

Portanto, a velocidade de avanço é limitada pelo TPB relacionado ao comprimento dos segmentos de retas do programa NC. Este é um dos inconvenientes de se trabalhar com interpolações lineares de segmentos de retas para a programação NC, agravando-se quando se utiliza comandos impróprios.
Pode-se também citar como desvantagem, o tamanho do programa gerado pela interpolação linear, devido ao grande número de segmentos de retas gerados, visando um bom acabamento.

1.3.2 Execução de Programas On-line (Transmissão em Blocos)
Em geral os comando numéricos possuem capacidade limitada de memória para armazenar os programas. Estes, quando utilizados para executar programasmaiores que sua capacidade, necessitam fazer uso dos recursos para execução on-line. O CNC é conectado a um computador externo através de uma interface padrão, como por exemplo RS-232.
Com a utilização de um remote-buffer, o CNC é alimentado pelo computador, executa as linhas de comandos, apaga da memória as linhas já executadas e envia sinal para o recebimento de novas informações de acordo com as necessidades. Este processo se repete durante toda a operação em frações de segundos.
Esta velocidade de transferência é quantificada em bits por segundo (baud rate). Cada linha de programa NC define um dos pontos cartesianos necessário para descrever os vários segmentos de retas que constituem uma trajetória de ferramenta.
Cada linha de comando tem em geral 24 caracteres para usinagens tridimensionais (X590.029Y234.676Z756.098). Cada caracter é descrito por 11 bits: 7 data bits, 1 start, 2 stop, 1 paridade.
Neste caso, a velocidade de transferência de dados entre o computador e a máquina CNC também é um fator que limita a velocidade de avanço a ser utilizada na operação. Quando se trabalha com velocidade relativamente baixa para o avanço, esta taxa de transferência, assim como o TPB, não são representativos. Quando a velocidade de avanço supera a capacidade de transmissão, observa-se solavancos na máquina, com descontinuidade na movimentação, resultando em um acabamento de qualidade indesejável, com estrias nas paredes verticais.

Exemplo de cálculo destes parâmetros:

Alguns CNCs modernos já são capazes de minimizar estes problemas, fazendo uso de um disco rígido incorporado ao CNC com grande capacidade de memória; Block Buffer, capaz de armazenar blocos de comandos processados; e interfaces Ethernet para transferência de programas com altíssimas taxas de transmissão; entretanto, muitas máquinas capazes de trabalhar com velocidades relativamente elevadas, ainda não estão equipadas com estas funções.

2 Utilização de NURBS no Processo CAM/CNC.
Atualmente está em desenvolvimento a utilização da representação matemática utilizando NURBS também para gerar o percurso da ferramenta, substituindo desta maneira as interpolações lineares e os comandos G01, para o caso de superfícies complexas. Este tipo de representação pode substituir um grande número de segmentos de retas com uma única sentença.
Para completar o ciclo CAD/CAM/CNC utilizando NURBS, necessita-se um sistema CAM, tanto quanto um comando numérico, capazes de gerar e interpretar dados em NURBS.
Atualmente, alguns sistemas CAM são capazes de gerar programas NC interpolados por NURBS e existe no mercado comandos numéricos capazes de interpretar estes programas.
Pode-se obter as seguintes vantagens:
" redução de até 60% do tamanho dos arquivos;
" redução do problema de Tempo de Processamento de Bloco, fator limitante da velocidade de avanço na usinagem de acordo com o CNC, uma vez que cada linha de comando representa um percurso relativamente longo da ferramenta;
" melhor acabamento superficial;
" Redução do tempo efetivo de usinagem da ordem de 3 a 4 vezes, permitindo uma melhor manipulação das acelerações e desacelerações em caminhos complexos, desta forma, o avanço real se aproxima do avanço programado.
A bibliografia sobre o assunto apresenta opiniões contraditórias ao uso de programas NC interpolados por NURBS. Entre os argumentos destacam-se a evolução dos comandos numéricos com a possibilidade de aumento substancial de memória, além da alta capacidade de processamento de bloco.
Alguns dos comandos numéricos atuais são capazes de interpretar dados interpolados por NURBS, mas deve-se destacar que cada um destes tem sua forma particular de receber as interpolações NURBS, variando a sintaxe, o grau de polinômio da equação, etc. Desta forma, o sistema CAM deve estar apto a pós-processar o programa NC para um específico CNC.
Existem no mercado comandos numéricos que geram interpolações NURBS a partir de programas gerados por interpolações lineares. O programa introduzido deve conter comandos G01, e o CNC faz automaticamente a conversão. Neste caso, introduz-se mais uma tolerância no processo.