Tecnologia de Controle Numérico e Máquinas-Ferramentas CNC
A tecnologia de controle numérico, abreviada como NC (Controle Numérico), é um meio de controlar movimentos mecânicos e procedimentos de processamento com o auxílio de informações digitais. Atualmente, como o controle numérico moderno comumente adota o controle computadorizado, também é conhecido como controle numérico computadorizado (Controle Numérico Computadorizado – CNC).
Para alcançar o controle digital de informações sobre movimentos mecânicos e processos de processamento, é necessário equipar o hardware e o software correspondentes. A soma do hardware e do software utilizados para implementar o controle digital de informações é chamada de sistema de controle numérico (Sistema de Controle Numérico), e o núcleo do sistema de controle numérico é o dispositivo de controle numérico (Controlador Numérico).
Máquinas controladas por tecnologia de controle numérico são chamadas de máquinas-ferramentas CNC (máquinas-ferramentas NC). Trata-se de um produto mecatrônico típico que integra de forma abrangente tecnologias avançadas, como tecnologia computacional, tecnologia de controle automático, tecnologia de medição de precisão e projeto de máquinas-ferramenta. É a base da tecnologia de fabricação moderna. O controle de máquinas-ferramentas é o campo mais antigo e amplamente aplicado da tecnologia de controle numérico. Portanto, o nível das máquinas-ferramentas CNC representa em grande parte o desempenho, o nível e a tendência de desenvolvimento da tecnologia de controle numérico atual.
Existem vários tipos de máquinas-ferramentas CNC, incluindo máquinas-ferramentas de furação, fresagem e mandrilamento, máquinas-ferramentas de torneamento, máquinas-ferramentas de retificação, máquinas-ferramentas de eletroerosão, máquinas-ferramentas de forjamento, máquinas-ferramentas de processamento a laser e outras máquinas-ferramentas CNC para fins especiais com aplicações específicas. Qualquer máquina-ferramenta controlada por tecnologia de controle numérico é classificada como uma máquina-ferramenta NC.
As máquinas-ferramentas CNC equipadas com um trocador automático de ferramentas ATC (Automatic Tool Changer – ATC), com exceção dos tornos CNC com porta-ferramentas rotativos, são definidas como centros de usinagem (Machine Center – MC). Através da troca automática de ferramentas, as peças podem realizar múltiplos processos de usinagem em uma única fixação, alcançando a concentração e a combinação de processos. Isso reduz efetivamente o tempo de usinagem auxiliar e melhora a eficiência de trabalho da máquina-ferramenta. Simultaneamente, reduz o número de instalações e posicionamentos das peças, aumentando a precisão da usinagem. Os centros de usinagem são atualmente o tipo de máquina-ferramenta CNC com maior produção e aplicação mais ampla.
Com base em máquinas-ferramentas CNC, adicionando dispositivos de troca automática de múltiplas mesas de trabalho (paletes) (Auto Pallet Changer – APC) e outros dispositivos relacionados, a unidade de processamento resultante é chamada de célula de manufatura flexível (Flexible Manufacturing Cell – FMC). A FMC não apenas realiza a concentração e a combinação de processos, mas também, com a troca automática de mesas de trabalho (paletes) e funções de monitoramento e controle automáticos relativamente completas, pode realizar processamento não tripulado por um determinado período, melhorando ainda mais a eficiência de processamento do equipamento. A FMC não é apenas a base do sistema de manufatura flexível FMS (Flexible Manufacturing System), mas também pode ser usada como um equipamento de processamento automatizado independente. Portanto, sua velocidade de desenvolvimento é bastante rápida.
Com base em FMC e centros de usinagem, adicionando sistemas de logística, robôs industriais e equipamentos relacionados, e controlados e gerenciados por um sistema de controle central de forma centralizada e unificada, tal sistema de manufatura é denominado sistema de manufatura flexível (FMS - Flexible Manufacturing System). O FMS pode não apenas realizar processamentos automatizados por longos períodos, mas também realizar o processamento completo de vários tipos de peças e conjuntos de componentes, alcançando a automação do processo de manufatura na oficina. Trata-se de um sistema de manufatura avançado altamente automatizado.
Com o progresso contínuo da ciência e da tecnologia, para se adaptar à situação mutável da demanda do mercado, a manufatura moderna não precisa apenas promover a automação do processo de fabricação em oficinas, mas também alcançar uma automação abrangente, desde a previsão de mercado, tomada de decisões de produção, design de produto, fabricação de produtos até a venda de produtos. O sistema completo de produção e manufatura formado pela integração desses requisitos é chamado de sistema de manufatura integrado por computador (Computer Integrated Manufacturing System – CIMS). O CIMS integra organicamente uma produção mais longa e atividades comerciais, alcançando uma produção inteligente mais eficiente e flexível, representando o estágio mais alto do desenvolvimento da tecnologia de manufatura automatizada atual. No CIMS, não apenas a integração de equipamentos de produção, mas, mais importante, a integração de tecnologia e integração de funções é caracterizada pela informação. O computador é a ferramenta de integração, a tecnologia de unidade automatizada auxiliada por computador é a base da integração e a troca e o compartilhamento de informações e dados é a ponte da integração. O produto final pode ser considerado a manifestação material de informações e dados.
O Sistema de Controle Numérico e Seus Componentes
Os componentes básicos do sistema de controle numérico
O sistema de controle numérico de uma máquina-ferramenta CNC é o núcleo de todos os equipamentos de controle numérico. O principal objeto de controle do sistema de controle numérico é o deslocamento dos eixos coordenados (incluindo velocidade, direção, posição, etc.), e suas informações de controle provêm principalmente do processamento de controle numérico ou de programas de controle de movimento. Portanto, os componentes mais básicos do sistema de controle numérico devem incluir: o dispositivo de entrada/saída do programa, o dispositivo de controle numérico e o servoacionamento.
A função do dispositivo de entrada/saída é inserir e enviar dados, como processamento de controle numérico ou programas de controle de movimento, dados de processamento e controle, parâmetros de máquinas-ferramenta, posições de eixos coordenados e o status de chaves de detecção. Teclado e display são os dispositivos de entrada/saída mais básicos necessários para qualquer equipamento de controle numérico. Além disso, dependendo do sistema de controle numérico, dispositivos como leitores fotoelétricos, unidades de fita ou unidades de disquete também podem ser instalados. Como dispositivo periférico, o computador é atualmente um dos dispositivos de entrada/saída mais utilizados.
O dispositivo de controle numérico é o componente central do sistema de controle numérico. Ele consiste em circuitos de interface de entrada/saída, controladores, unidades aritméticas e memória. A função do dispositivo de controle numérico é compilar, calcular e processar os dados inseridos pelo dispositivo de entrada por meio do circuito lógico interno ou software de controle, e gerar diversos tipos de informações e instruções para controlar as diversas partes da máquina-ferramenta a fim de executar ações específicas.
Dentre essas informações e instruções de controle, as mais básicas são as instruções de velocidade de avanço, direção de avanço e deslocamento de avanço dos eixos coordenados. Elas são geradas após cálculos de interpolação, fornecidas ao servoconversor, amplificadas pelo driver e, por fim, controlam o deslocamento dos eixos coordenados. Isso determina diretamente a trajetória de movimento da ferramenta ou dos eixos coordenados.
Além disso, dependendo do sistema e do equipamento, por exemplo, em uma máquina-ferramenta CNC, também podem existir instruções como velocidade de rotação, direção, partida/parada do fuso; instruções de seleção e troca de ferramentas; instruções de partida/parada dos dispositivos de refrigeração e lubrificação; instruções de afrouxamento e fixação da peça de trabalho; indexação da mesa de trabalho e outras instruções auxiliares. No sistema de controle numérico, elas são fornecidas ao dispositivo de controle auxiliar externo na forma de sinais por meio da interface. O dispositivo de controle auxiliar realiza as operações lógicas e de compilação necessárias nos sinais acima, amplifica-os e aciona os atuadores correspondentes para acionar os componentes mecânicos, hidráulicos e pneumáticos da máquina-ferramenta para concluir as ações especificadas pelas instruções.
O servoacionamento geralmente consiste em servoamplificadores (também conhecidos como drivers, unidades servo) e atuadores. Em máquinas-ferramentas CNC, servomotores CA são geralmente usados como atuadores atualmente; em máquinas-ferramentas avançadas de usinagem de alta velocidade, motores lineares começaram a ser usados. Além disso, em máquinas-ferramentas CNC produzidas antes da década de 1980, houve casos de uso de servomotores CC; em máquinas-ferramentas CNC simples, motores de passo também foram usados como atuadores. O formato do servoamplificador depende do atuador e deve ser usado em conjunto com o motor de acionamento.
Os componentes acima são os mais básicos do sistema de controle numérico. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de controle numérico e a melhoria dos níveis de desempenho das máquinas-ferramenta, os requisitos funcionais para o sistema também estão aumentando. Para atender aos requisitos de controle de diferentes máquinas-ferramenta, garantir a integridade e a uniformidade do sistema de controle numérico e facilitar o uso pelo usuário, os sistemas de controle numérico avançado comumente usados geralmente possuem um controlador programável interno como dispositivo de controle auxiliar da máquina-ferramenta. Além disso, em máquinas-ferramentas de corte de metal, o dispositivo de acionamento do fuso também pode se tornar um componente do sistema de controle numérico; em máquinas-ferramentas CNC de malha fechada, dispositivos de medição e detecção também são indispensáveis ao sistema de controle numérico. Para sistemas de controle numérico avançado, às vezes até mesmo um computador é usado como interface homem-máquina do sistema e para gerenciamento de dados e dispositivos de entrada/saída, tornando assim as funções do sistema de controle numérico mais poderosas e o desempenho mais perfeito.
Em conclusão, a composição do sistema de controle numérico depende do desempenho do sistema de controle e dos requisitos específicos de controle do equipamento. Existem diferenças significativas em sua configuração e composição. Além dos três componentes mais básicos: o dispositivo de entrada/saída do programa de processamento, o dispositivo de controle numérico e o servoacionamento, pode haver mais dispositivos de controle. A parte tracejada da caixa na Figura 1-1 representa o sistema de controle numérico computadorizado.
Os conceitos de NC, CNC, SV e PLC
NC (CNC), SV e PLC (PC, PMC) são abreviações em inglês muito comumente usadas em equipamentos de controle numérico e têm significados diferentes em diferentes ocasiões em aplicações práticas.
NC (CNC): NC e CNC são as abreviações comuns em inglês para Controle Numérico e Controle Numérico Computadorizado, respectivamente. Dado que o controle numérico moderno adota o controle computadorizado, pode-se considerar que os significados de NC e CNC são completamente os mesmos. Em aplicações de engenharia, dependendo da ocasião de uso, NC (CNC) geralmente tem três significados diferentes: em um sentido amplo, representa uma tecnologia de controle – tecnologia de controle numérico; em um sentido restrito, representa uma entidade de um sistema de controle – o sistema de controle numérico; além disso, também pode representar um dispositivo de controle específico – o dispositivo de controle numérico.
SV: SV é a abreviação comum em inglês para servo drive (Servo Drive, abreviado como servo). De acordo com os termos prescritos pela norma japonesa JIS, é "um mecanismo de controle que toma a posição, a direção e o estado de um objeto como grandezas de controle e rastreia mudanças arbitrárias no valor alvo". Em resumo, é um dispositivo de controle que pode seguir automaticamente grandezas físicas, como a posição alvo.
Em máquinas-ferramentas CNC, o papel do servoacionamento se reflete principalmente em dois aspectos: primeiro, ele permite que os eixos de coordenadas operem na velocidade fornecida pelo dispositivo de controle numérico; segundo, ele permite que os eixos de coordenadas sejam posicionados de acordo com a posição fornecida pelo dispositivo de controle numérico.
Os objetos de controle do servoacionamento são geralmente o deslocamento e a velocidade dos eixos coordenados da máquina-ferramenta; o atuador é um servomotor; a parte que controla e amplifica o sinal de comando de entrada é frequentemente chamada de servoamplificador (também conhecido como driver, amplificador, unidade servo, etc.), que é o núcleo do servoacionamento.
O servoacionamento não só pode ser utilizado em conjunto com o dispositivo de controle numérico, como também pode ser utilizado isoladamente como um sistema de acompanhamento de posição (velocidade). Por isso, também é frequentemente chamado de servoacionamento. Nos primeiros sistemas de controle numérico, a parte de controle de posição era geralmente integrada ao CNC, e o servoacionamento realizava apenas o controle de velocidade. Por isso, o servoacionamento era frequentemente chamado de unidade de controle de velocidade.
CLP: PC é a abreviação em inglês de Controlador Programável. Com a crescente popularidade dos computadores pessoais, para evitar confusão com computadores pessoais (também chamados de PCs), os controladores programáveis agora são geralmente chamados de controladores lógicos programáveis (Programmalbe Logic Controller – PLC) ou controladores de máquina programáveis (Programmable Machine Controller – PMC). Portanto, em máquinas-ferramenta CNC, PC, PLC e PMC têm exatamente o mesmo significado.
O CLP possui as vantagens de resposta rápida, desempenho confiável, uso conveniente, programação e depuração fáceis, além de poder acionar diretamente alguns dispositivos elétricos de máquinas-ferramenta. Portanto, é amplamente utilizado como dispositivo auxiliar de controle para equipamentos de controle numérico. Atualmente, a maioria dos sistemas de controle numérico possui um CLP interno para processar as instruções auxiliares de máquinas-ferramenta CNC, simplificando significativamente o dispositivo auxiliar de controle da máquina-ferramenta. Além disso, em muitas ocasiões, por meio de módulos funcionais especiais, como o módulo de controle de eixo e o módulo de posicionamento do CLP, o CLP também pode ser utilizado diretamente para obter controle de posição de ponto, controle linear e controle de contorno simples, formando máquinas-ferramenta CNC especiais ou linhas de produção CNC.
Princípio de composição e processamento de máquinas-ferramentas CNC
A composição básica das máquinas-ferramentas CNC
As máquinas-ferramentas CNC são os equipamentos de controle numérico mais comuns. Para esclarecer a composição básica das máquinas-ferramentas CNC, é necessário primeiro analisar o processo de trabalho das máquinas-ferramentas CNC para processamento de peças. Nas máquinas-ferramentas CNC, para processar peças, as seguintes etapas podem ser implementadas:
De acordo com os desenhos e planos de processo das peças a serem processadas, usando os códigos prescritos e formatos de programa, escreva a trajetória de movimento das ferramentas, o processo de processamento, os parâmetros do processo, os parâmetros de corte, etc. no formato de instrução reconhecível pelo sistema de controle numérico, ou seja, escreva o programa de processamento.
Insira o programa de processamento escrito no dispositivo de controle numérico.
O dispositivo de controle numérico decodifica e processa o programa de entrada (código) e envia sinais de controle correspondentes aos dispositivos de servoacionamento e dispositivos de controle de função auxiliar de cada eixo de coordenadas para controlar o movimento de cada componente da máquina-ferramenta.
Durante o movimento, o sistema de controle numérico precisa detectar a posição dos eixos coordenados da máquina-ferramenta, o status dos interruptores de deslocamento, etc. a qualquer momento, e compará-los com os requisitos do programa para determinar a próxima ação até que as peças qualificadas sejam processadas.
O operador pode observar e inspecionar as condições de processamento e o estado de funcionamento da máquina-ferramenta a qualquer momento. Se necessário, também são necessários ajustes nas ações da máquina-ferramenta e nos programas de processamento para garantir a operação segura e confiável da máquina-ferramenta.
Pode-se observar que a composição básica de uma máquina-ferramenta CNC deve incluir: dispositivos de entrada/saída, dispositivos de controle numérico, servoacionamentos e dispositivos de feedback, dispositivos auxiliares de controle e o corpo da máquina-ferramenta.
A composição das máquinas-ferramentas CNC
O sistema de controle numérico é utilizado para obter o controle de processamento do host da máquina-ferramenta. Atualmente, a maioria dos sistemas de controle numérico utiliza o controle numérico computadorizado (ou seja, CNC). O dispositivo de entrada/saída, o dispositivo de controle numérico, o servoacionamento e o dispositivo de realimentação mostrados na figura constituem, juntos, o sistema de controle numérico da máquina-ferramenta, e sua função foi descrita acima. A seguir, apresentamos brevemente outros componentes.
Dispositivo de feedback de medição: É o elo de detecção de uma máquina-ferramenta CNC de malha fechada (malha semifechada). Sua função é detectar a velocidade e o deslocamento do atuador (como o porta-ferramentas) ou da mesa de trabalho por meio de modernos elementos de medição, como codificadores de pulso, resolvers, sincronizadores de indução, grades, escalas magnéticas e instrumentos de medição a laser, e os realimenta para o servoacionamento ou dispositivo de controle numérico, compensando a velocidade de avanço ou o erro de movimento do atuador para atingir o objetivo de melhorar a precisão do mecanismo de movimento. A posição de instalação do dispositivo de detecção e a posição onde o sinal de detecção é realimentado dependem da estrutura do sistema de controle numérico. Codificadores de pulso, tacômetros e grades lineares integrados ao servo são componentes de detecção comumente utilizados.
Como todos os servos avançados adotam a tecnologia de servoacionamento digital (conhecida como servo digital), um barramento é geralmente utilizado para a conexão entre o servoacionamento e o dispositivo de controle numérico; na maioria dos casos, o sinal de feedback é conectado ao servoacionamento e transmitido ao dispositivo de controle numérico através do barramento. Apenas em algumas ocasiões, ou ao utilizar servoacionamentos analógicos (comumente conhecidos como servo analógicos), o dispositivo de feedback precisa ser conectado diretamente ao dispositivo de controle numérico.
Mecanismo de controle auxiliar e mecanismo de transmissão de avanço: localizado entre o dispositivo de controle numérico e os componentes mecânicos e hidráulicos da máquina-ferramenta. Sua principal função é receber as instruções de velocidade, direção e partida/parada do fuso emitidas pelo dispositivo de controle numérico; instruções de seleção e troca de ferramentas; instruções de partida/parada dos dispositivos de resfriamento e lubrificação; sinais de instruções auxiliares, como afrouxamento e fixação de peças e componentes da máquina-ferramenta, indexação da mesa de trabalho e os sinais de status dos interruptores de detecção na máquina-ferramenta. Após a compilação necessária, o julgamento lógico e a amplificação de potência, os atuadores correspondentes são acionados diretamente para acionar os componentes mecânicos, os dispositivos auxiliares hidráulicos e pneumáticos da máquina-ferramenta para concluir as ações especificadas pelas instruções. Geralmente é composto por um CLP e um circuito de controle de alta corrente. O CLP pode ser integrado ao CNC em sua estrutura (CLP integrado) ou relativamente independente (CLP externo).
O corpo da máquina-ferramenta, ou seja, a estrutura mecânica da máquina-ferramenta CNC, também é composto por sistemas de acionamento principal, sistemas de acionamento de avanço, bases, mesas de trabalho, dispositivos auxiliares de movimento, sistemas hidráulicos e pneumáticos, sistemas de lubrificação, dispositivos de resfriamento, sistemas de remoção de cavacos, sistemas de proteção, entre outros. No entanto, para atender aos requisitos do controle numérico e aproveitar ao máximo o desempenho da máquina-ferramenta, ela passou por mudanças significativas em termos de layout geral, design de aparência, estrutura do sistema de transmissão, sistema de ferramentas e desempenho operacional. Os componentes mecânicos da máquina-ferramenta incluem base, caixa, coluna, trilho-guia, mesa de trabalho, fuso, mecanismo de avanço, mecanismo de troca de ferramentas, etc.
O princípio da usinagem CNC
Em máquinas-ferramentas de corte de metal tradicionais, ao processar peças, o operador precisa alterar continuamente parâmetros como a trajetória do movimento e a velocidade do movimento da ferramenta de acordo com os requisitos do desenho, para que a ferramenta execute o processamento de corte na peça de trabalho e, finalmente, processe peças qualificadas.
O processamento de máquinas-ferramentas CNC aplica essencialmente o princípio do "diferencial". Seu princípio de funcionamento e processo podem ser resumidamente descritos da seguinte forma:
De acordo com a trajetória da ferramenta exigida pelo programa de processamento, o dispositivo de controle numérico diferencia a trajetória ao longo dos eixos de coordenadas correspondentes da máquina-ferramenta com a quantidade mínima de movimento (equivalente de pulso) (△X, △Y na Figura 1-2) e calcula o número de pulsos que cada eixo de coordenadas precisa para se mover.
Por meio do software de “interpolação” ou da calculadora de “interpolação” do dispositivo de controle numérico, a trajetória necessária é ajustada com uma polilinha equivalente em unidades de “unidade de movimento mínimo” e a polilinha ajustada mais próxima da trajetória teórica é encontrada.
De acordo com a trajetória da polilinha ajustada, o dispositivo de controle numérico aloca continuamente pulsos de alimentação aos eixos de coordenadas correspondentes e permite que os eixos de coordenadas da máquina-ferramenta se movam de acordo com os pulsos alocados por meio do servoacionamento.
Pode-se observar que: Primeiro, desde que a quantidade mínima de movimento (equivalente de pulso) da máquina-ferramenta CNC seja pequena o suficiente, a polilinha ajustada utilizada pode ser substituída de forma equivalente pela curva teórica. Segundo, desde que o método de alocação de pulso dos eixos coordenados seja alterado, a forma da polilinha ajustada pode ser alterada, atingindo assim o objetivo de alterar a trajetória de processamento. Terceiro, desde que a frequência de…