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CONTROLE NUMÉRICO COMPUTADORIZADO 1ª EDIÇÃO @ENSINANDO_MECATRONICA A N D R É P I M E N T E L M O R E I R A FUNDAMENTOS & PROGRAMAÇÃO ANDRÉ PIMENTEL MOREIRA CONTROLE NUMÉRICO COMPUTADORIZADO FUNDAMENTOS E PROGRAMAÇÃO FORTALEZA/CE 1a Edição 2022 PREFÁCIO Este e-book é destinado aos estudantes e profissionais das áreas de mecânica, mecatrônica, produção ou áreas afins. Neste livro buscou-se apresentar, de forma clara e compreensível, os conceitos, fun- damentos de programação e operação de máquinas com Controle Nu- mérico Computadorizado. O e-book é resultado de vasta pesquisa da literatura, catálogos de fabricantes, manuais técnicos e sites da internet, que apresenta uma variedade informações, que abordam desde do histórico das máquinas de controle numérico, aspectos conceituais até as principais técnicas para a produção de peças através da programação de máquinas CNC’s. A primeira edição de Controle Numérico Computadorizado: Fundamentos e Programação está organizada em introdução e mais treze capítulos, que apresentam além das sintaxes, descrições detalhadas das funções, exemplos de programação e diversos projetos de peças em cen- tro de torneamento e centro de usinagem. No e-book são apresentadas as formas de programação manual com e sem a utilização de ciclos fixos de usinagem, introdução à progra- mação parametrizada e programação com auxílio de ferramentas CAM. Além disso, no e-book são apresentadas as principais funções G utiliza- das em máquinas equipadas com os comandos MACH e FANUC, que foram organizadas de forma numérica crescente. Dessa forma, permi- tindo o leitor acessar o comando G desejado de forma organizada. Ao longo do e-book, há vários exemplos de projetos mecânicos de usinagem, que podem ser utilizados como exemplo para praticar as várias técnicas de programação CNC. Vale ressaltar que os conteúdos em termos de operação da má- quina apresentados neste e-book são simplificados e puramente teóricos. Portanto, é necessário um maior aprofundamento do assunto e acompa- nhamento de um profissional habilitado para operar as máquinas equi- padas com controle numérico. Desejo que este e-book possa ser instrumento facilitador para o aprendizado de todos os leitores (alunos, professores e profissionais da área), pois certamente são as pessoas para quem esta obra foi concebida e direcionada. Boa leitura. DEDICATÓRIA Aos meus familiares por todo incentivo e aos ami- gos da área de automação industrial e metal- mecânica pelas revisões e sugestões dos conteúdos aqui apresentados. Sumário vi 1 Fundamentos de CNC 1 1.1 Histórico do CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Histórico e perspectivas . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Vantagens e desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Teoria da usinagem 20 2.1 Parâmetros de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.1 Velocidade de corte . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.2 Velocidade de avanço . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3 Velocidade efetiva de corte . . . . . . . . . . . 24 2.1.4 Profundidade de corte . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.5 Força de usinagem . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.6 Potência de usinagem . . . . . . . . . . . . . . 36 vi 3 Princípio de funcionamento do CNC 38 3.1 Malhas de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.1 Circuito semi-fechado . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.2 Circuito fechado . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.3 Circuito híbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.4 Circuito aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 Motores de acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Motores de corrente contínua . . . . . . . . . . 48 3.2.2 Motores de corrente alternada . . . . . . . . . . 57 3.2.3 Modulação por largura de pulso - PWM . . . . . 67 3.3 Dispositivos para realimentação de sinais . . . . . . . . 74 3.3.1 Tacogeradores . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.3 Resolvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4 Dispositivos de fixação 92 4.1 Fixação de peças . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.1 Placa autocentrante . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.2 Morsas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.1.3 Grampos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2 Fixação de ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.1 Gang tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 vii 4.2.2 Torre elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.3 Torre revolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.4 Magazine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.5 Mandril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.6 Suporte de ferramenta . . . . . . . . . . . . . . 102 5 Suportes e ferramentas de corte 105 5.1 Pastilhas intercambiáveis . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Materiais das ferramenta de corte . . . . . . . . . . . . 111 5.2.1 Aço rápido - HSS . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.2.2 Metal duro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.2.3 Cobertura CVD . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2.4 Cobertura PVD . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.5 Ligas fundidas . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.2.6 Materiais cerâmicos . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.7 Cermet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.2.8 Diamante policristalino (PCD) . . . . . . . . . 126 5.2.9 Nitreto de boro cúbico cristalino (CBN) . . . . . 128 6 Princípio de programação do CNC 129 6.1 Pontos de referência para programação . . . . . . . . . 129 6.1.1 Ponto zero da máquina . . . . . . . . . . . . . 129 6.1.2 Ponto de referência . . . . . . . . . . . . . . . 130 viii 6.1.3 Ponto zero da peça . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.2 Sistemas de coordenadas cartesianas . . . . . . . . . . 132 6.2.1 Coordenadas absolutas e incrementais . . . . . . 136 6.3 Estrutura da programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.3.1 Caracteres especiais . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.3.2 Funções de posicionamento . . . . . . . . . . . 141 6.3.3 Funções especiais . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.4 Sistema de interpolação . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.4.1 Interpolação linear . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.4.2 Interpolação circular . . . . . . . . . . . . . . 145 6.4.3 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . 148 6.5 Linguagem de programação . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.5.1 Linguagem APT . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.5.2 Linguagem EIA/ISO . . . . . . . . . . . . . . 155 7 Funções preparatórias de deslocamento 157 7.1 Funções preparatórias G . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.2 Funções miscelâneas M . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 7.3 Exercícios propostos 01 . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8 Sintaxe das funções preparatórias 182 8.1 Funções G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 ix 8.1.1 Função G00 – Aplicação: movimento rápido (aproximação e recuo) . . . . . . . . . . . . . 183 8.1.2 Função G01 – Aplicação: interpolação linear (usinagem retilínea ou avanço de trabalho) . . . 183 8.1.3 Funções G02, G03 – Aplicação: interpolação circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.1.4 Função C e R – Inserção de chanfro ou canto arredondado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 8.1.5 Função G4 – Aplicação: tempo de permanência . 194 8.1.6 Função G15/G16 – Aplicação: ativa e desativa coordenada polar . . . . . . . . . . . . . . . . 194 8.1.7 Funções G17, G18, G19 – Aplicação: seleciona plano de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8.1.8 Funções G28 – Aplicação: retorna eixos para referência de máquina . . . . . . . . . . . . . . 201 8.1.9 Função G33 – Roscamento manual . . . . . . . 203 8.1.10 Funções G40, G41 e G42 – Aplicação: compen- sação de raio de ferramenta . . . . . . . . . . . 207 8.1.11 Funções G43, G44 e G49 – Ativa e desativa a compensação do comprimento da ferramenta . . 210 8.1.12 Funções G50. 1 e G51.1– Imagem espelho . . . 213 x 8.1.13 Função G52 – Sistema de coordenada local – LCS215 8.1.14 Funções G53 – Sistema de coordenadas de má- quina – MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 8.1.15 Funções G54 a G59 e G54. 1 P1 a G54.1 P48 – Sistema de coordenadas de trabalho – WCS . . . 221 8.1.16 Funções G68 e G69 – Rotação do sistema de co- ordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9 Ciclos fixos de usinagem 228 9.1 Definição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 9.2 Funções pré-programadas . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.2.1 Função G37 - Ciclo de roscamento automático (Comando MACH) . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.2.2 Função G66 – Ciclo automático de desbaste lon- gitudinal (Comando MACH) . . . . . . . . . . 240 9.2.3 Função G70 – Ciclo fixo de acabamento . . . . . 245 9.2.4 Função G71 – Remoção de material por tornea- mento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2.5 Função G72 - Remoção de material por facea- mento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.2.6 Função G73 – Furação com quebra cavaco (pica-pau) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 xi 9.2.7 Função G74 R – Furação pica-pau . . . . . . . 254 9.2.8 Função G74 – Torneamento de perfis simples (desbaste) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.2.9 Função G74 – Roscamento com macho à es- querda – mandril flutuante . . . . . . . . . . . 260 9.2.10 Função G74 – Roscamento com macho à es- querda – macho rígido . . . . . . . . . . . . . 264 9.2.11 Função G75 – Ciclo fixo de faceamento . . . . . 267 9.2.12 Função G76 – Mandrilamento – fino acabamento 271 9.2.13 Função G76 - Ciclo de abertura de rosca múlti- pla (automático) . . . . . . . . . . . . . . . . 274 9.2.14 Função G80 – Cancelamento do ciclo fixo . . . . 277 9.2.15 Função G81 – Furação/mandrilamento – sem descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 9.2.16 Função G82 – Furação/mandrilamento – sem descarga com dwell . . . . . . . . . . . . . . . 280 9.2.17 Função G83 – Furação – com descarga . . . . . 283 9.2.18 Função G84 – Roscamento com macho à direita – mandril flutuante . . . . . . . . . . . . . . . 285 9.2.19 Função G85 – Mandrilamento/alargador . . . . . 288 xii 9.2.20 Função G86 – Mandrilamento – melhor acaba- mento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 9.2.21 Função G87 – Mandrilamento tracionando . . . 293 9.2.22 Função G88 – Mandrilamento com retorno manual296 9.2.23 Função G89 – Mandrilamento/alargador com dwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 10 Subprogramas e desvio incondicional 302 10.1 Subprogramas e desvio incondicional . . . . . . . . . . 302 10.2 Desvio incondicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11 Programação, operação e simulação CNC 310 11.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 11.2 Softwares para simulaçao CNC . . . . . . . . . . . . . 311 11.2.1 Filius - CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 11.2.2 Sinutrain Sinumerik . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.2.3 CNC Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 11.2.4 EditCNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 11.2.5 Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 11.2.6 Swansoft CNC Simulator . . . . . . . . . . . . 319 11.3 Exemplos de simulação e operação CNC . . . . . . . . 322 11.3.1 Exemplos de aplicação do software CNC Simu- lator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 xiii 11.3.2 Exemplos de aplicação do software Swansoft CNC Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 12 Programação parametrizada 364 12.1 Definição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 12.2 Função macro B - G65 . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 12.3 Operações aritiméticas e operações lógicas . . . . . . . 366 12.4 Omissão do ponto decimal . . . . . . . . . . . . . . . 368 12.5 Referenciando variáveis . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 12.6 Níveis de colchetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 12.7 Programa paramétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 12.8 Desvio e repetição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 12.9 Desvio incondicional - GOTO . . . . . . . . . . . . . . 373 12.10Desvio condicional - IF . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 12.11Repetição - WHILE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 12.12Exercícios propostos 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 13 Segurança na operação de máquinas CNC’s 390 13.1 Particularidades da usinagem CNC . . . . . . . . . . . 390 13.1.1 Fatores operacionais . . . . . . . . . . . . . . 391 13.1.2 Fatores humanos e ergonômicos . . . . . . . . . 399 13.1.3 Fatores físico e instalações . . . . . . . . . . . 401 xiv Referências Bibliográficas 403 xv Introdução Desde o inicio das mais antigas civilizações, o homem busca ra- cionalizar e facilitar o seu trabalho por meio de processos inovadores e ferramentas. A busca constante de aperfeiçoamento dos processos sim- plifica todo tipo de trabalho, seja ele físico ou mental. Neste caso, na atu- alidade estamos imersos em diversos exemplo de otimização do trabalho mental, como por exemplo o uso da calculadora eletrônica e ferramentas computacionais. Em termos de redução do trabalho físico, observa-se que a cada dia novas invenções surgem com o intuito de colocar o homem apenas como expectador, sendo imposto a ele apenas o papel de decidir qual o nível de participação no processo. Por exemplo, no processo de navegação e aviação moderna o homem apenas acompanha a evolução das decisões tomadas pelo controlador automático, cenário bem diferente do passado, quando o comandante atuava constantemente no processo. Ou seja, a cada nova geração de novos produtos, observa-se em cada modelo uma evolução que permitem os esforços físicos e mentais sejam reduzidos. Considerando a evolução dos processos iniciados com a prática de agricultura, a revolução industrial pode ser dita a mais significante para vii os processos fabris. Percebe-se que mesmo na prática de agricultura, as modernas máquinas substituíram, em grande parte, o uso de ferramentas manuais como enxadas, foice e pás. A revolução industrial que iniciou com o escocês James Watt (projetando a máquina a vapor) em 1769, também criou a necessidade de modernizar a indústria de máquinas fer- ramentas. Hoje, máquinas com controle numérico computadorizado (CNC) são utilizadas em diversos portes e segmentos industriais, que vão desde as pequenas oficinas de usinagem as grandiosas companhias de manufa- tura. Na realidade quase não existem produtos fabris que não estejam de alguma forma relacionadas à tecnologia destas máquinas ferramentas inovadoras. Da mesma forma, todos os trabalhadores envolvidos nos ambientes industriais que operam CNC’s devem estar capacitados a compreender as tecnologias utilizadas nos processos de usinagem automatizada. Por exemplo, tanto os projetistas de produtos como os operadores no chão de fábrica devem dominar as técnicas de desenho mecânico e processos e ferramentas de usinagem. Assim como os projetistas e operadores, os responsáveis pelo controle de qualidade devem ter amplo conhecimento sobre metrologia e tolerâncias dimensionais. Ainda, diferente do que ocorre nas máquinas convencionais, os profissionais de manutenção de viii máquinas CNC’s devem ter conhecimento além dos sistemas eletrome- cânicos, ter conhecimentos em eletrônica e, em muitos casos, em siste- mas informatizados. Em outras palavras, percebe-se que os profissionais devem ter conhecimentos diversos para dominar essa tecnologia. Atualmente, a utilização de máquinas CNC é um fator imprescindí- vel para solução de usinagem de peças com perfis complexos. O que anteriormente se exigia tempos elevados de fabricação, grande habili- dade de usinagem, confecção de gabaritos e máquinas especiais, com a tecnologia CNC o processo é realizado de uma forma simples e confiá- vel. Segundo Cassaniga (2000), o Controle Numérico (CN), e sua defi- nição mais simples, é quetodas as informações geométricas e dimensi- onais contidas em uma peça, conhecida por meio de desenhos e cotas (números), seriam entendidas e processadas pela máquina CNC, possi- bilitando a automação da operação. Ou seja, o CNC é um equipamento eletrônico que recebe informações da forma em que a máquina vai re- alizar uma operação, por meio de linguagem própria, denominado pro- grama CNC, processa essas informações, e devolve-as ao sistema através de impulsos elétricos. Os sinais elétricos são responsáveis pelo aciona- mento dos motores que darão à máquina os movimentos desejados com todas as características da usinagem, realizando a operação na sequência ix programada sem a intervenção do operador. Ainda de acordo com Cassaniga (2000), o CNC não é apenas um sis- tema que atua diretamente no equipamento, ele deve ser encarado como um processo que deve ser responsável por mudanças na cultura da em- presa. Isto quer dizer que, para que se tenha um melhor aproveitamento de um equipamento CNC, é interessante que se tenha uma boa organiza- ção, principalmente no que se refere ao processo de fabricação, controle de ferramentais (fixação, corte e medição) e administração dos tempos padrões e métodos de trabalho. Segundo Rocha (2008), o centro de torneamento CNC é basicamente um torno com controle numérico computadorizado construído inicial- mente para produção de peças de revolução ou cilíndrica que vem do- tado de duas bases as quais são chamadas de barramento sobre as quais correm dois eixos sendo umo eixo X (eixo que determina o diâmetro da peça) e outro o eixo Z (eixo que determina o comprimento da peça), a fixação da peça é feita por castanhas fixadas em uma placa que vem acoplada ao eixo central da máquina o qual é chamado de eixo arvore, e também podemos usar o ponto que é fixado em um corpo que nor- malmente fica no barramento do eixo Z na posição contraria a placa e a luneta que fica entre a placa e ponto que é geralmente usada para fixar peças longas. x De acordo com Smid (2003), as máquinas fresadoras CNC também denominados de centros de usinagem, são máquinas populares e efici- entes principalmente por sua flexibilidade. Ainda segundo Smid (2003), o principal benefício que os usuários obtêm de um centro de usinagem CNC é a capacidade de agrupar várias operações diversas em uma única configuração. Por exemplo, perfuração, mandrilamento, escareamento, rosqueamento, faceamento e fresamento de contorno podem ser incorpo- rados em uma única operação de programa CNC. Além disso, a flexibili- dade é aprimorada pela troca automática de ferramentas, usando paletes para minimizar o tempo ocioso, indexando para uma face diferente da peça, usando um movimento rotativo de eixos adicionais e vários outros recursos de economia de tempo. Os centros de usinagem CNC podem ser equipados com software especial que controla velocidades e avanços de corte, vida útil da fer- ramenta de corte, medição automática em processo, detecção de ferra- menta quebrada, ajuste de deslocamento e outros dispositivos de otimi- zação de produção e economia de tempo. Em termos simples, o objetivo de uma máquina-ferramenta com CNC é fazer com que as ferramentas de corte ou usinagem sigam, auto- maticamente, uma trajetória pré-programada através de instruções codi- ficadas, com a velocidade da trajetória e a rotação da ferramenta ou peça xi também pré-programadas. Há diversas formas de executar essa progra- mação, algumas manuais, outras auxiliadas por computador como por exemplo o CAM - Computer Aided Manufacturing e CAP - Com- puter Aided Programming. Existem também casos em que o próprio CNC pode ser utilizado para auxiliar na programação, usando métodos interativos com o operador. Os tornos utilizam os códigos G e M respei- tando a norma ISO com algumas exceções que variam de acordo com os fabricantes da máquina (BRUNE, 2002). As escolhas das ferramentas são feitas quanto ao perfil do inserto, quebra cavacos e classe do material do inserto, que é normalmente de- terminada pelo material a ser usinado (quanto a suas ligas e dureza), onde normalmente a usinagem é feita com refrigeração de óleo solúvel em água a qual deve ser abundante e direcionada. xii Capítulo 1 Fundamentos de CNC 1.1 Histórico do CNC No processo de pesquisa para melhoria dos produtos, aliado ao desenvolvimento dos computadores, foi possível chegar às primeiras máquinas controladas numericamente. O principal fator que forçou os meios industriais a essa busca, foi a segunda guerra mundial. Durante a guerra, a necessidade de evolução teve um papel decisivo na concep- ção da produção em grande escala, necessitavam-se de muitos aviões, tanques, barcos, navios, armas, caminhões etc, tudo em ritmo de produ- ção em alta escala e grande precisão, pois a guerra estava consumindo tudo, inclusive com a mão de obra. Grande parte da mão de obra mas- culina utilizada pelas fábricas como especializada, foi substituída pela feminina, o que na época implicava na necessidade de treinamento, com reflexos na produtividade e na qualidade. Era o momento certo para se desenvolver máquinas automáticas de grande produção, para peças de precisão e que não dependessem da qualidade da mão de obra aplicada. Diante deste desafio, iniciou-se o processo de pesquisa onde surgiu a máquina comandada numericamente. De acordo com Suh et al. (2008), a partir do final do século 18, Jo- seph Marie Jacquard1 inventou o método de controle automático para máquinas de tecelagem usando cartões perfurados. Este método foi o início do conceito de comandos numéricos (CN). O conceito de CN foi realmente aplicada a máquinas-ferramentas, após a Segunda Guerra Mundial e, em 1947, Força aérea dos Estados Unidos (U.S. Air Force) e a empresa (Parsons Corporation) desenvolveram o método para mover dois eixos quase simultaneamente usando cartões perfurados, incluindo dados de coordenadas de peças para aeronaves. Desde então, esta tecno- logia foi transferida para o laboratório de servomecanismos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Após muita pesquisa, em Março 1Mecânico francês, (1752-1834) conseguiu automatizar totalmente o tear mecânico controlado pela grande fita perfurada. O sistema permitia que os padrões dos tecidos fossem definidos pela maneira como os fios eram levantados ou abaixados. Pode ser considerada a primeira máquina mecânica programável da história, pois os cartões for- neciam os comandos necessários para a tecelagem de padrões complicados em tecidos e o conjunto de cartões poderia ser trocado sem alterar a estrutura da máquina têxtil. (CONTI, 2014) 2 de 1952, foi desenvolvida a primeira fresadora de 3 eixos com comando numérico (CN) (Figura 1.1). Figura 1.1: Primeira máquina CN desenvolvida no laboratório do MIT -1952. Fonte: Hemphill (2002). Os controles e comandos convencionais foram retirados e substituí- dos pelo comando numérico, dotado de leitora de fita de papel perfurado, unidade de processamento de dados e servomecanismo nos eixos. Após este período, a Força Aérea Norte Americana teve um desenvolvimento extraordinário, pois as peças complexas e de grande precisão, emprega- das na fabricação das aeronaves, principalmente os aviões a jato de uso militar, passaram a ser produzidos de forma simples e rápida, reduzindo- 3 se os prazos de entrega do produto desde o projeto, até o acabamento final. Na Figura 1.2 é apresentado um cinzeiro usinado na primeira má- quina CN (Figura 1.1) desenvolvida no MIT em 1952. Figura 1.2: Cinzeiro usinado na primeira máquina ferramenta com CN - 1959. Fonte: Azevedo (2010). As primeiras máquinas CN comerci- ais foram construídos na década de 1950 por John T. Parsons 2 (Figura 1.3) e de- correu do uso de fita perfurada (Figura 1.4). Embora o conceito imediatamente provou que o comando CN podia reduzir os custos , era tão diferente que existia al- gumas desconfianças dos fabricantes. A fim de promover a adoção mais rápida,a Força Aérea dos EUA comprou 120 máquinas CN e emprestou para vá- rios fabricantes para que eles pudessem se familiarizar coma ideia. Até o final da década de 50, o CN foi começando a pegar, porém ainda havia uma série de questões. Por exemplo, G-code, a língua quase universal do CNC que temos hoje, não existia. Cada fabricante estava estabele- cendo a sua própria linguagem para definir a programação da máquina. A fita de papel perfurada era utilizada entre 1910 a 1915 em aparelhos 2Engenheiro norte americano, (1913 - 2007) considerado o pioneiro da fabricação do controle numérico para máquinas-ferramentas e o pai da Segunda Revolução Industrial. 4 telegráficos e em teletipos como suporte para recepção e envio da infor- mação. As primeiras fitas perfuradas utilizadas nos computadores deri- vavam diretamente das usadas no telégrafo suportando o código Baudot de 5 canais. Este código apenas permitia a codificação de 32 estados. Figura 1.3: John T. Parsons. Fonte: Supoj (2010). A codificação dos algarismos era conseguida pela interposição de um ca- rácter especial shift (passagem a maiús- culas), que indicava o início de uma zona numérica. A passagem a minusculas in- dicava o fim da zona numérica. Rapi- damente surgiam as fitas de papel com uma polegada de largura onde era possí- vel usar o código ASCII de 7 bit e, mais tarde, o código ASCII de 8 bit (ALMEIDA, 1999). No final dos anos 1970’s, tendo os originais teletipos sido substituí- dos por leitores e perfuradores de fita que permitiam atingir velocidades muito elevadas. Enquanto um teletipo atingia velocidade de leitura da ordem dos 15 c/s (carácter por segundo), existiram nos anos 1970’s lei- tores de fita perfurada que atingiam velocidade de leitura da ordem dos 2.000 c/s (carácter por segundo) (ALMEIDA, 1999). A falta de padronização era bastante sentida em empresas que ti- 5 vessem mais de uma máquina de comandos, fabricados por diferentes fornecedores, cada um deles tinha uma linguagem própria, com a neces- sidade de uma equipe técnica especializada para cada tipo de comando, o que elevava os custos de fabricação. Figura 1.4: Fita perfurada. Fonte: Azevedo (2010). Em 1958, por intermédio da EIA (Eletronic Industries Association) organizou-se estudos no sentido de padronizar os tipos de linguagem. Houve então a padronização de entrada conforme padrão RS-244 que depois passou a EIA244A ou ASC II 3. Na Figura 1.5 é ilustrado a reportagem da revista Popular Science em 1955, quando foi divulgado o comando numérico utilizando fita perfurada. 3ASCII é uma sigla para (American Standard Code for Information Interchange) (Código Padrão Norte-americado para Intercâmbio de Informações) O ASCII é um có- digo numérico que representa os caracteres, usando uma escala decimal de 0 a 127. Esses números decimais são então convertidos pelo computador para binários e ele pro- cessa o comando. (KARASINSKI, 2009) 6 Figura 1.5: Mecanismo de leitura de fita perfurada. Fonte: Adaptado de Howe (1955). A cada ano, foi incrementada a aplicação do CN, principalmente na indústria aeronáutica. Em 1956 surgiu o trocador automático de ferra- mentas, mais tarde em 1958, os equipamentos com controle de posici- onamento ponto a ponto e a geração contínua de contornos, que foram melhorados por este sistema em desenvolvimento. A partir de 1957, houve nos Estados Unidos, uma grande corrida na fabricação de má- quinas comandadas por CN, pois os industriais investiam até então em adaptações do CN em máquinas convencionais. Na Figura 1.6 é obser- vado o CNC Milwaukee-Matic-II, considerada a primeira máquina com 7 trocador automático de ferramentas. Figura 1.6: CNC Milwaukee-Matic-II: primeira máquina CNC com trocador automá- tico de ferramentas - 1959. Fonte: Warfield (2010). Atualmente o meio mais usado de entrada de dados para o CNC é via computador, embora durante muitos anos a fita perfurada foi o meio mais usado, assim como outros com menor destaque. A linguagem des- tinada a programação de máquinas era a APT (Automatically Progra- med Tools), desenvolvida pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1956, daí para frente foram desenvolvidas outras linguagens para a geração continua de contornos como AutoPrompt (Automatic Pro- gramming of Machine Tools), ADAPT, Compact II, Action, e outros que surgiram e continuam surgindo para novas aplicações. Com o aparecimento do circuito integrado, houve grande redução 8 no tamanho físico dos comandos, embora sua capacidade de armaze- namento tenha aumentado, comparando-se com os controles transisto- rizados. Em 1967 surgia no Brasil as primeiras máquinas controladas numericamente, vinda dos Estados Unidos. No início da década de 70, surgem as primeiras máquinas CNC (Controle Numérico Computadorizado), e no Brasil são produzidas as primeiras máquinas CN de fabricação nacional na indústria Romi do empresário Américo Emílio Romi4, visto na Figura 1.7. Figura 1.7: Américo Emílio Romi. Fonte: Feres (2014). A partir daí, observa-se uma evo- lução contínua e notável concomitante- mente com os computadores em geral, fazendo com que os comandos (CNC) mais modernos, empreguem em seu con- ceito físico (hardware) tecnologia de úl- tima geração. Com isso, a confiabilidade nos componentes eletrônicos aumentou, aumentando a confiança em todo sistema. Na Figura 1.8 é visto o pri- 4Foi um industrial brasileiro, nascido em São José do Rio Pardo, SP, em 26 de junho de 1896, filho de Policarpo Romi e Regina Seppia Romi. Foi fundador das Indústrias Romi S.A., que transformou-se na maior produtora de máquinas-ferramenta e máquinas para processamento de plásticos do Brasil. As Indústrias Romi S.A. também produziram o primeiro trator brasileiro, o Toro, e o primeiro carro de passeio fabricado no Brasil, o Romi-Isetta. 9 meiro torno equipado com CN do Brasil. De acordo com Cassaniga (2000), o comando CN é aquele que exe- cuta um programa sem memorizá-lo, e a cada execução, o comando deve realizar novamente a leitura no veículo de entrada. O comando CNC é aquele que após a primeira leitura do veículo de entrada, memoriza o programa e executa-o de acordo com a necessidade, sem a necessidade de nova leitura. Figura 1.8: DCE 480 CN - Primeiro torno equipado com CN do Brasil - Indústrias Romi - 1973. Fonte: Romi (2014). 1.1.1 Histórico e perspectivas As máquinas CNC evoluíram de dispositivos simples controlados por fita perfuradora para aparelhos quase totalmente automatizados, ca- pazes de operar sem a intervenção humana e controlando vários eixos ao mesmo tempo. 10 Hoje é comum encontrarmos as máquinas CNC operando em con- junto com sistemas computacionais complementares, que em outras pa- lavras, são softwares adaptáveis que auxiliam os processos de fabricação em máquinas CNC que podem ser interagir em duas formas - projeto au- xiliado por computador (CAD) e manufatura auxiliada por computador (CAM). Ou seja, os softwares CAD e CAM possibilitam projetar e im- plementar o plano por trás de uma tela de computador. O controle de software significa configuração mais rápida e altera- ções mais fáceis no design, mesmo no último minuto. A entrada do software externo no sistema do controlador revolucionou as máquinas CNC e as trouxe para o padrão da indústria de hoje, que tem como carac- terística maior flexibilidade dos processos com total integração de dados, receptivos às forças dinâmicas do mercado globalizado, onde se aplicam os conceitos de Industria 4.0, fábricas inteligentes (Smart Factory) e a Internet das Coisas (IoT - Internet of Things). A seguir é apresentada uma cronologia dos principais eventos que contribuiram para o desenvolvimento da tecnologia de controle numé- rico computadorizado. 1940 - É fabricado o MARK I: o primeiro computador construído pela parceria entre a Harvard e a IBM; 1949 - É firmado o contrato da PARSON com a U.S. Air Force para 11 fabricarem máquinas equipadas com CN; 1952 - O MIT E PARSONcolocam em funcionamento o primeiro pro- tótipo CN (relés e tubos eletrônicos) para processamento de metal; 1956 - É lançado o primeiro CN japonês com o comando FANUC. 1957 - É iniciada a comercialização do CN; 1957- É apresentado por Patrick Hanratty o primeiro sistema de software CAM, uma ferramenta de programação CN denominado PRONTO; 1960 - É apresentada a 2ª geração de CN, equipados com transistores; 1965 - É apresentada a 3ª geração de CN, equipados com circuitos inte- grados; 1967 - Surgem as primeiras máquinas do CN no Brasil; 1970 - Entram em operação os primeiros comandos com CNC; 1971 - É fabricado pela a ROMI, o primeiro torno CN com comando SLO-SYN; 1977 - Surgem os primeiros comandos numéricos com CNC usando tec- nologia dos microprocessadores; 1980 - Os sistemas flexíveis de fabricação são aplicados em larga es- cala; 1984 - É lançado o primeiro comando com CNC (CNC 100) desenvol- 12 vido no Brasil pela MCS para máquinas transfer5; 1987 - É lançamento na primeira Feira Internacional de Máquinas- Ferramenta e Sistemas Integrados de Manufatura (FEIMAFE) o CNC 210 da MCS, equipando os tornos Romi Centur30 e o GPR Nardini, com tecnologia 100% nacional. Na Figura 1.9 é observado a oficina de reparo de automóveis fundada por Américo Emílio Romi, que marca o inicio das Indústrias Romi S.A em Santa Bárbara d’Oeste, Estado de São Paulo - Brasil em 1930. Figura 1.9: Oficina Santa Bárbara - 1930 (Indústrias Romi S.A ). Fonte: Romi (2014). Segundo Couto (2019), os fundamentos da manufatura da Indústria 4.0, aplicados às máquinas CNC ou qualquer outro tipo de máquina, se- jam elas: de arranque de cavaco, conformação ou por corte a laser, água, 5Processo que ocorre através da transferência de uma imagem impressa em uma impressora a laser ou jato de tinta em papel especial (papel transfer). (RIMAQ, 2014) 13 plasma, injetoras de plásticos e/ou de alumínio etc. Estas, terão que aten- der os requisitos: conectividade, flexibilidade, velocidade, sincronismo e inteligência. Ainda segundo Couto (2019), tradicionalmente as máquinas CNC, embora o segundo ”C” significasse computadorizado, sempre ficou à margem da administração direta ou dos outros módulos do Enterprise Resource Planning (ERP)6. Nunca foi exigido dessas máquinas um sistema conectado com retorno de informações que pudessem ser apro- veitado, como conhecimento, para uma administração da produção em tempo real, um pouco de inteligencia elas sempre tiveram. Em termos práticos, a possibilidade de conexão com o sistema ERP da empresa passa a ser fundamento obrigatório na visão da Industria 4.0. As máquinas equipadas com CNC passarão, com a integração e co- nexão, a reportar as atividades em tempo real, qual a sua eficiência, di- agnósticos antecipados de problemas para manutenção preditiva e pre- ventiva através de alarmes de aviso, anomalia no processo. Outro recurso que essas máquinas cada vez mais terão como usual, será robôs para troca de ferramentas a partir de um magazine auxiliar 6É um sistema de gestão que permite acesso fácil, integrado e confiável aos dados de uma empresa. A partir das informações levantadas pelo software, é possível fazer diagnósticos aprofundados sobre as medidas necessárias para reduzir custos e aumentar a produtividade. 14 postado ao lado da máquina, além, é claro, do monitoramento do des- gaste da ferramentas em programação de atuação do probe no tempo de processamento, vantagem disto é que este tempo é absoluto e fará parte do tempo de processamento e será absoluto e repetitivo, muito impor- tante na administração do controle do tempo de ocupação do recurso, com capacidade finita. As máquinas serão dotadas de tamanha inteligência que ajudará o gestor na tarefa de reposição, na administração do sincronismo das or- dens de produção, de modo integrado com outros recursos e poder infor- mar, através da tecnologia de identificação por rádio frequência (Radio- Frequency IDentification - RFID), se tudo que for necessário para execução de uma ordem de produção está disponível para o sequenci- amento planejado, caso não esteja, a própria máquina sugere ao gestor um novo sequenciamento alternativo e informa quando o item que não estava completo para ser produzido deve entrar novamente na sequência do turno, ou se necessitará de horas extras no recurso e quanto isto pode afetar o atendimento do cliente. Devido à alta capacidade dos processadores e a evolução do código e da linguagem de máquina, os CNCs deverão processar programas com maior agilidade e ainda, acompanhando o desenvolvimento da informá- tica, a necessidade de conectividade e a tendência por uma interatividade 15 cada vez maior com o usuário, novas funcionalidades também surgi- ram para facilitar a operação e proporcionar uma experiência homem- máquina cada vez mais amigável. 1.2 Vantagens e desvantagens As principais vantagens do CNC sobre o CN de acordo com Di- niz (1990) referem-se principalmente as possibilidades de alterar o pro- grama durante a sua execução (diretamente através do teclado da má- quina) e de saída de programas memorizados através de perfuradora de fita de papel ou tele-impressora, além de utilizar ciclos fixos de usina- gem e empregar sub-rotinas. Ainda de acordo com Diniz (1990), dentre as vantagens da utilização do CNC pode-se destacar: a. aumento da flexibilidade; b. redução nos circuitos de hardware e simplificação dos remanescen- tes bem como disponibilidade de programas automáticos de diagnós- ticos, diminuindo pessoal de manutenção; c. eliminação do uso de fita perfurada; d. aumento das possibilidades de corrigir programas (edição); 16 e. possibilidade do uso de equipamentos periféricos computacionais; f. uso de display para integração homem máquina; g. a intervenção de operador relacionada a peças produto é drastica- mente reduzida ou eliminada; h. fabricação de peças consistentes e precisas; i. repetibilidade; j. tempos de setup muito curtos ou inexistentes (após o primeiro); k. execução da usinagem com rotações elevadas; l. segurança operacional. A usinagem CNC também tem algumas desvantagens. Dentre as des- vantagens pode-se destacar: a. investimento inicial elevado; b. manutenção exigente e especializada; c. a rota de processamento CNC não é fácil de controlar, não tão intui- tiva quanto as máquinas-ferramentas comuns; d. não elimina completamente os erros humanos; 17 e. não tem vantagens tão evidentes para séries pequenas e muito peque- nas; f. elevado custo dos acessórios e ferramentas. Na Figura 1.10, são observados exemplos de centros de usinagem e tornos equipados com CNC, sendo os centros de usinagem Nardini Skybull 600, equipado com o comando Oi-mate (Fig. 1.10(a)), Romi Discovery 1000, equipado com o comando Fanuc 21i (Fig. 1.10(b)) e o Romi Discovery 308, equipado com o comando Mach 8 (Fig. 1.10(c)) e os centros de torneamento Romi Centur 30 R, anteriormente equipado com o comando Mach 5, substituido pelo comando MCS através de re- trofitting (Fig. 1.10(d)), o Romi Centur 30, equipado com o comando Mach 9 (Fig. 1.10(e)) e o Nardini Diplomat Vulcanic Golg 160, equi- pado com o comando Fanuc Oi (Fig. 1.10(f)). 18 (a) Centro de usinagem Nardini Skybull 600 - IFCE. Fonte: Autor. (b) Centro de usinagem Romi Dis- covery 1000 - IFCE. Fonte: Autor. (c) Centro de Usinagem Romi Dis- covery 308 - SENAI/CE. Fonte: Au- tor. (d) Torno CNC Romi Centur 30 R - SENAI/CE. Fonte: Autor. (e) Torno CNC Romi Centur 30 S - SENAI/CE. Fonte: Autor. (f) Torno CNC Nardini Diplomat Vulcanic Gold 160 - IFCE. Fonte: Autor. Figura 1.10: Exemplos de centros de usinagem e tornos equipados com CNC. 19 Referências Bibliográficas ABNT. Rosca métrica ISO de uso geral - Dimensões básicas. Rio de Janeiro – RJ: Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2004. ABNT. Pastilhas intercambiávies para ferramentas de corte - Designação. Rio de Janeiro-RJ: Associação Brasileura de Normas Técnicas, 2019. 32 p. ISBN 978-85-07-08241-5.ABNT. NBR ISO 13399-5. São Paulo/SP: Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2021. Acesso em 03 de Abr. de 2022. Disponível em: <https://www.abntcatalogo.com.br/normagrid.aspx>. ABNT. NBR ISO 13399-1. São Paulo/SP: Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2022. Acesso em 03 de Abr. de 2022. Disponível em: <https://www.abntcatalogo.com.br/normagrid.aspx>. ACJ. Cálculo de Velocidades para Fresamento. Curitiba - Paraná: ACJ Usinagem LTDA, 2021. Acesso em: 19 Novembro 2021. 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Possui Doutorado em Mecatrônica pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Os principais interesses estão na área de Automação Industrial, com ênfase em controladores lógicos programáveis, sistemas supervisórios, instrumentação e controle de processos, acionamentos hidráulicos e pneumáticos e robótica industrial. Na área de mecânica industrial, com ênfase em processos de fabricação convencional e com controle numérico computadorizado.
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