Os sistemas de máquinas CNC determinam como uma máquina lê um programa NC, aciona cada eixo, verifica sua posição real e controla as trocas de ferramentas, o fluido de corte e outras funções auxiliares. Ao pressionar o botão verde “INICIAR CICLO”, esses cinco sistemas começam a funcionar em conjunto em milissegundos.
Nos dois artigos anteriores, apresentamos o desenvolvimento histórico das máquinas-ferramenta CNC e explicamos os sistemas de coordenadas CNC.
Neste artigo, iremos um passo além:
Quais sistemas compõem uma máquina-ferramenta CNC? Como esses sistemas funcionam em conjunto? O que exatamente acontece dentro da máquina que você opera todos os dias?
O que acontece quando os sistemas de máquinas CNC recebem um comando de INÍCIO DE CICLO?
Ao pressionar o botão verde INICIAR CICLO no painel de controle, a máquina começa a se mover de acordo com o programa CNC.
Todo o processo pode parecer quase mágico.
No entanto, por trás dessa ação aparentemente simples, existe um sistema altamente coordenado e preciso:
Um dos componentes lê o programa de usinagem.
Outro dispositivo converte os comandos em sinais elétricos.
Outro aciona os motores.
Outro monitor verifica continuamente a posição real da máquina.
Outro controla o líquido refrigerante, a troca de ferramentas e outras operações auxiliares.
Esses componentes formam os cinco sistemas principais de uma máquina-ferramenta CNC.
Compreender esses cinco sistemas não se trata apenas de satisfazer a curiosidade.
Quando ocorre uma falha na máquina, esse conhecimento pode ajudá-lo a determinar qual parte do sistema pode estar causando o problema. À medida que você continua aprendendo tecnologias CNC mais avançadas, esses cinco sistemas também fornecerão uma estrutura clara para a compreensão de novos conceitos.
Sistema 1: Controlador CNC — O “cérebro” da máquina
O controlador CNC é o núcleo de toda a máquina-ferramenta. É o que comumente chamamos de sistema CNC , unidade de controle numérico ou sistema de controle CNC.
Seu processo de funcionamento pode ser explicado em cinco etapas principais.
Lendo o Programa
O controlador CNC lê o programa NC da memória interna, de um cartão CF, de um dispositivo USB ou de uma interface de rede.
decodificação
Ele traduz o código G, o código M e outras instruções do programa em dados que o sistema de controle interno pode processar.
Cálculo de interpolação
De acordo com os comandos de movimento programados, o controlador CNC calcula a distância que cada eixo deve percorrer em cada intervalo de tempo.
Este é um dos cálculos mais importantes realizados pelo sistema CNC.
Por exemplo, um comando para mover-se do ponto A para o ponto B deve ser dividido em inúmeros passos de movimento extremamente pequenos. O controlador calcula e coordena esses passos em tempo real.
Envio de comandos de controle
A quantidade de movimento calculada para cada eixo é convertida em sinais de controle elétrico e enviada ao sistema servo.
Coordenação de funções auxiliares
O controlador CNC também coordena funções de código M, tais como:
- Controle de velocidade do fuso
- Troca automática de ferramentas
- Controle do líquido de arrefecimento
- Fixação e liberação da máquina
- Outras operações auxiliares da máquina
O controlador CNC não executa o programa de forma passiva.
Além disso, recebe continuamente informações de posição de cada eixo da máquina e corrige erros de movimento em tempo real.
O painel de controle e a tela que os operadores usam diariamente constituem a interface homem-máquina do controlador CNC.
Por meio dessa interface, os operadores podem inserir programas, modificar parâmetros, verificar coordenadas, monitorar o status da usinagem e se comunicar com o sistema CNC.
Sistema 2: Sistema Servo — Os “Músculos” da Máquina
O controlador CNC pode emitir um comando como:
Desloque o eixo X em 0.001 mm.
No entanto, esse comando digital precisa ser convertido em movimento mecânico real. Essa é a função do sistema servo.
Um sistema servo consiste principalmente em duas partes.
Servo Drive
O servoacionador recebe os sinais de controle do controlador CNC, amplifica-os e os converte em energia elétrica que pode acionar o motor.
Ele funciona como um amplificador de potência de alta precisão.
Servomotores
O servomotor converte energia elétrica em movimento rotacional mecânico.
A principal diferença entre um servomotor e um motor convencional é que o servomotor é equipado com um codificador de posição.
Isso permite controlar o ângulo de rotação com precisão e responder extremamente rápido. Um servomotor pode iniciar, parar, acelerar, desacelerar ou mudar de direção em milissegundos.
Uma máquina-ferramenta CNC normalmente contém vários sistemas servo.
Sistemas Servo de Eixo de Avanço
Os eixos X, Y e Z normalmente possuem cada um um sistema servo de avanço independente.
Esses sistemas servo controlam o movimento da ferramenta de corte, da cabeça do fuso e da mesa de trabalho.
Sistema Servo do Eixo
O servocontrolador do fuso controla a velocidade de rotação do fuso e da ferramenta de corte.
O foco do servo do fuso é ligeiramente diferente do foco do servo do eixo de avanço.
Os sistemas servo de eixo de avanço focam-se principalmente na precisão de posicionamento . A distância de movimento comandada deve ser alcançada com exatidão.
O servomotor do fuso tem como foco principal a estabilidade da velocidade . Durante o corte, a velocidade do fuso deve permanecer estável e não deve sofrer flutuações significativas devido às variações das forças de corte.
Para uma máquina CNC de cinco eixos, normalmente são necessários dois sistemas servo adicionais para controlar os eixos rotativos, como o eixo A, o eixo B ou o eixo C.
Como resultado, cinco ou seis sistemas servo podem estar operando simultaneamente durante a usinagem de cinco eixos.
Sistema 3: Estrutura Mecânica — O Esqueleto e as Articulações
O servomotor gera movimento rotacional.
No entanto, a usinagem CNC exige movimento linear preciso, posicionamento rotacional e movimento controlado da ferramenta de corte e da peça de trabalho.
A estrutura mecânica da máquina converte a rotação do motor em movimentos precisos dos componentes da máquina.
As principais partes da estrutura mecânica incluem o seguinte.
Base e estrutura da máquina
A base da máquina é a estrutura de suporte básica da máquina-ferramenta CNC.
Normalmente é feito de ferro fundido ou chapas de aço soldadas.
Uma cama de máquina de alta qualidade deve proporcionar:
- Alta rigidez estrutural
- Boa resistência à vibração
- Desempenho dimensional estável
- Suporte confiável para componentes móveis
A rigidez e a resistência à vibração da base da máquina são essenciais para manter a precisão da usinagem.
Guias lineares
Guias lineares guiam a mesa de trabalho e a cabeça do fuso ao longo de direções de movimento específicas.
Os centros de usinagem modernos geralmente utilizam guias lineares de rolamento porque elas proporcionam:
- Baixa fricção
- Alta precisão de movimento
- Resposta rápida
- Altas velocidades de alimentação
- Boa repetibilidade de posicionamento
Máquinas CNC de alta precisão podem utilizar guias hidrostáticas. Essas guias operam com um nível de atrito extremamente baixo, oferecendo excelente suavidade e precisão.
Fusos de Esferas
O fuso de esferas é um componente crítico que converte o movimento rotacional do servomotor no movimento linear da mesa de trabalho ou da cabeça do fuso.
Dentro do conjunto do fuso de esferas, esferas de aço rolam entre o eixo do fuso e a porca para transmitir a força.
Como o atrito de rolamento é muito menor que o atrito de deslizamento, os fusos de esferas podem proporcionar transmissão altamente eficiente e precisão de posicionamento em nível micrométrico.
Fuso
O eixo segura a ferramenta de corte e a gira em alta velocidade.
A precisão do fuso, especialmente a excentricidade do fuso, afeta diretamente a precisão final da usinagem e a qualidade da superfície.
A velocidade máxima do fuso também determina as velocidades de corte que a máquina pode suportar.
Os fusos CNC de alta velocidade podem atingir 40,000 rpm ou até mais.
Sistema 4: Sistema de Medição e Feedback — Os “Olhos” do Controle em Malha Fechada
O sistema de feedback é extremamente importante, embora muitos iniciantes em CNC possam não compreender totalmente sua função.
Suponha que o controlador CNC comande o servomotor para girar dez vezes.
Como o sistema de controle sabe se o motor completou exatamente dez rotações?
Como o sistema sabe se a ferramenta de corte percorreu a distância necessária?
A resposta é o sistema de medição e feedback.
Sua função é medir a posição real da máquina em tempo real e enviar as informações de volta para o controlador CNC.
O controlador compara a posição real com a posição comandada e corrige automaticamente qualquer desvio.
Esse processo contínuo pode ser descrito como:
Comando → Execução → Medição da Posição Real → Comparação de Erros → Correção do Comando
Esse ciclo é chamado de controle em malha fechada e é um dos mecanismos principais que permite às máquinas CNC atingir alta precisão de posicionamento.
Em máquinas CNC, são utilizados dois tipos comuns de dispositivos de medição de posição.
Codificador rotativo
Normalmente, um codificador rotativo é instalado no eixo do servomotor.
Ele mede o ângulo de rotação e a velocidade do motor.
No entanto, como o codificador rotativo mede a posição no lado do motor, e não diretamente na mesa de trabalho, ainda podem existir erros causados pelo fuso de esferas, acoplamento, expansão térmica ou deformação elástica.
Essa configuração é conhecida como sistema de controle de circuito semi-fechado.
A maioria dos centros de usinagem utiliza esse tipo de sistema de feedback.
De acordo com o artigo original, a precisão de posicionamento típica é de aproximadamente:
± 0.005 a ± 0.01 mm
Escala linear
Uma escala linear é instalada diretamente ao lado da guia da máquina e mede o deslocamento linear real da mesa de trabalho.
Por medir diretamente a posição da mesa de trabalho, ele pode compensar os erros gerados pelo fuso de esferas e outros componentes de transmissão.
Essa configuração é conhecida como um sistema de controle de circuito fechado completo.
Proporciona maior precisão de posicionamento e pode atingir aproximadamente:
± 0.001 mm
Máquinas CNC de alta precisão e centros de usinagem de cinco eixos de precisão são geralmente equipados com escalas lineares.
Sistema 5: Sistema de Função Auxiliar — Auxiliando a Máquina a Concluir o Trabalho
Os quatro primeiros sistemas garantem que a ferramenta de corte possa se mover com precisão.
No entanto, movimentos precisos por si só não são suficientes para concluir todo um processo de usinagem.
Uma máquina CNC também requer diversos sistemas auxiliares.
Trocador Automático de Ferramentas
O trocador automático de ferramentas , geralmente abreviado como ATC , é um dos recursos mais importantes de um centro de usinagem.
O magazine de ferramentas armazena várias ferramentas de corte. Quando é necessária a troca de uma ferramenta, o mecanismo de troca de ferramentas ou o braço robótico completa a operação automaticamente.
A troca completa de ferramentas geralmente leva apenas alguns segundos.
A capacidade do magazine de ferramentas pode variar de aproximadamente oito ferramentas a mais de cem ferramentas, dependendo da configuração da máquina.
Sistema de Arrefecimento
Durante o processo de usinagem, uma grande quantidade de calor é gerada entre a ferramenta de corte e a peça de trabalho.
O fluido de corte ou refrigerante desempenha diversas funções:
- Reduzir a temperatura de corte
- Lubrificação da zona de corte
- Descartando fichas
- Protegendo a ferramenta de corte
- Melhorar a qualidade da superfície
Os métodos comuns de refrigeração incluem a pulverização externa de fluido refrigerante e a refrigeração através do fuso.
O fluido de refrigeração passa pelo fuso, circula por passagens internas no fuso e na ferramenta de corte e é direcionado diretamente para a área de corte.
Sistemas Pneumáticos e Hidráulicos
Sistemas pneumáticos e hidráulicos são utilizados em operações de máquinas que exigem força relativamente alta.
Aplicações típicas incluem:
- Fixação da peça de trabalho
- movimentos de troca de ferramentas
- desprendimento da ferramenta
- Liberação da ferramenta do fuso
- Operação de fixação
- Mecanismos de posicionamento hidráulico
PLC — Controlador Lógico Programável
O controlador CNC lida principalmente com o controle de movimento.
No entanto, uma máquina-ferramenta também contém um grande número de operações de comutação e controle de sequência, tais como:
- Troca automática de ferramentas
- Troca de líquido de arrefecimento
- Intertravamento de porta de proteção
- Fixação Hidráulica
- Controle de lubrificação
- detecção de alarme
- Funções de segurança da máquina
Essas operações são normalmente gerenciadas por um Controlador Lógico Programável (CLP) integrado.
O controlador PLC e o controlador CNC trabalham em conjunto para formar o sistema completo de controle da máquina.
Fluxo de sinal entre os cinco sistemas principais
Todo o processo de usinagem CNC pode ser compreendido através da seguinte cadeia de sinais:
Isto é o que acontece depois que o operador pressiona o botão INICIAR CICLO.
Trata-se de um processo de controle em circuito fechado de alta precisão que pode se repetir milhares de vezes por segundo.
Introdução às principais marcas de sistemas de controle CNC
Após entendermos a função do controlador CNC, podemos dar uma breve olhada em algumas das principais marcas de sistemas de controle CNC.
FANUC
A FANUC é uma marca japonesa e uma das fabricantes de sistemas de controle CNC mais utilizadas no mundo.
Seus sistemas são conhecidos pela estabilidade, confiabilidade e um ecossistema técnico bem estabelecido.
Os sistemas FANUC são amplamente utilizados em fábricas e são frequentemente considerados um ponto de partida adequado para operadores e programadores de CNC.
Siemens SINUMERIK
A Siemens é uma marca alemã, e seus sistemas CNC SINUMERIK são amplamente utilizados em máquinas-ferramenta europeias.
O SINUMERIK ONE é comumente instalado em máquinas-ferramenta de alta tecnologia e oferece funções poderosas e suporte abrangente para usinagem de cinco eixos.
No entanto, em comparação com alguns outros sistemas, sua curva de aprendizado pode ser relativamente íngreme.
Os sistemas CNC da Siemens são amplamente utilizados em aplicações automotivas, aeroespaciais e de manufatura avançada.
Heidenhain TNC
Heidenhain também é uma marca alemã.
Seus sistemas de controle TNC são focados principalmente em fresadoras e centros de usinagem.
Os sistemas Heidenhain são bem conhecidos por suas funções avançadas de cinco eixos e são altamente conceituados em usinagem aeroespacial, fabricação de moldes de precisão e outras aplicações de alta precisão.
Marcas representativas de sistemas de controle CNC chineses
As marcas chinesas de sistemas de controle CNC têm se desenvolvido rapidamente nos últimos anos.
| Marcas | Empresa | principais vantagens | Posicionamento de Mercado | Suporte de cinco eixos |
|---|---|---|---|---|
| Huazhong Série 9 | Huazhong CNC | CPU desenvolvida na China e tecnologia controlada independentemente | Sistemas de nível básico a intermediário e substituição doméstica | Moderado |
| GSK | Guangzhou CNC | Preços competitivos e uma gama completa de produtos de apoio. | Máquinas CNC econômicas | Moderado |
| Kede GNC62 | Kede CNC | Usinagem simultânea de cinco eixos e funções de torneamento e fresamento. | Mercado de gama média a alta | Relativamente forte |
| SYNTEC | Tecnologia Syntec | Forte compatibilidade com CAM, interface amigável e ampla utilização em máquinas chinesas de cinco eixos. | Mercado de gama média com rápido crescimento em cinco eixos. | Relativamente forte |
Resumo: Compreendendo os Sistemas de Máquinas CNC
Uma máquina-ferramenta CNC consiste em cinco sistemas principais.
Controlador CNC:
O cérebro da máquina. Ele lê o programa, realiza cálculos de interpolação e envia comandos de movimento.
Sistema servo:
Os músculos da máquina. Eles acionam os motores e controlam o movimento preciso de cada eixo.
Estrutura mecânica:
A estrutura e as juntas da máquina, incluindo a base da máquina, as guias, os fusos de esferas, a mesa de trabalho e o eixo-árvore.
Sistema de medição e feedback:
Os olhos da máquina. Mede a posição real e permite o controle em circuito fechado.
Sistema de funções auxiliares:
Os braços da máquina. Controlam a troca de ferramentas, o líquido de arrefecimento, os sistemas hidráulicos, os sistemas pneumáticos e outras funções auxiliares.
Quando esses cinco sistemas trabalham em conjunto, uma máquina CNC pode converter um programa de usinagem digital em operações de fabricação precisas, repetíveis e automatizadas.
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