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FELÍCIO JOSÉ GESSER
PROPOSTA DE UM SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA O FRESAMENTO EM CINCO EIXOS
FLORIANÓPOLIS, 2012
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA
FELÍCIO JOSÉ GESSER
PROPOSTA DE UM SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA O FRESAMENTO EM CINCO EIXOS
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Mecatrônica. Orientador: Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. Coorientadora: Prof
a. Silvana Rosa Lisboa de Sá, M
a. Eng.
FLORIANÓPOLIS, 2012
PROPOSTA DE UM SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA O FRESAMENTO EM CINCO EIXOS
FELÍCIO JOSÉ GESSER
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Mecatrônica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, 1 de junho de 2012.
____________________________________________ Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. – Orientador
__________________________________________________ Prof
a. Silvana Rosa Lisboa de Sá, M
a. Eng. – Coorientadora
_______________________________________________ Prof. Raimundo Ricardo Matos da Cunha, Dr. Eng. –
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
____________________________________________ Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. – Presidente
_____________________________________________ Prof. Aurélio da Costa Sabino Neto, Dr. Eng. - Titular
_____________________________________________ Prof. Rodrigo Lima Stoeterau, Dr. Eng. - Titular
RESUMO
A usinagem em cinco eixos simultâneos compreende a remoção de material por meio do movimento coordenado dos cinco eixos da máquina-ferramenta. A orientação da ferramenta em relação à peça pode ser constantemente modificada, permitindo a usinagem de superfícies complexas e com inclinações negativas, muitas vezes, impossíveis de serem produzidas com apenas três eixos simultâneos. Por outro lado, o alto custo de aquisição de fresadoras dedicadas ou centros de usinagem com cinco eixos, torna proibitiva a aplicação dessa tecnologia em produtos de baixo valor agregado ou de pequeno volume de produção. Uma alternativa ao elevado investimento consiste na expansão do número de eixos de uma fresadora convencional. Esta dissertação tem como objetivo principal conceber um sistema que torna uma fresadora com CNC de baixo custo capaz de realizar usinagens em cinco eixos simultâneos. Por meio da análise da cadeia CAD/CAM/CNC são identificados problemas, potencialidades e propostas de solução para viabilizar a aplicação da tecnologia CNC de cinco eixos em ambientes sensíveis ao custo. Este trabalho propõe a integração de uma mesa rotativa com dois graus de liberdade a uma fresadora CNC de três eixos, para compor a máquina com cinco eixos de interpolação simultâneos. Mesas rotativas para máquinas-ferramenta incorporam mecanismos de elevada precisão. Uma solução de mesa rotativa modular com conceito anti-backlash foi desenvolvida e testada. A fresadora virtual de cinco eixos foi modelada em ambiente CAM para permitir a simulação cinemática e a geração do programa CNC no sistema de coordenadas da máquina. A capacidade de modelar a cadeia cinemática da fresadora em sistema CAM de custo compatível foi determinante para a confiabilidade do sistema proposto.
Palavras-chave: 5-eixos, CAD/CAM, CNC, Mesa rotativa, Backlash.
ABSTRACT
Five axis machining is a complex task where the position and orientation of the tool and part are constantly and simultaneously changed for the machining of complex surfaces, some of them with negative slopes, impossible to machine in three axis machining centers. However, the high cost of five axis machining centers becomes prohibitive the application of this technology in products with low added value and produced at a low rate. An alternative to this high investment is the implementation of accessories to increase the number of the axis in a three axis machine center or even in a milling machine. This work has the objective to develop a mechatronic system to enable a low cost milling machine to perform five axis machining. Using CAD/CAM/CNC technologies, the system was analyzed and solutions were proposed to enable CNC five axis machining at low cost machines. It is proposed the integration of a two degree of freedom rotary table on a three axis milling machine, resulting in a machine able to perform movements in fixe axis simultaneously. A modular anti-backlash rotary table was developed and tested. The machine was modeled and simulated at a CAD/CAM system to the kinematic evaluation and CNC program generation at the machine coordinate system. The virtual model of the machine tool was very important to the reliability of the proposed system.
Key words: 5-axis, CAD/CAM, CNC, Rotary table,
Backlash.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1 – Aplicações de máquinas de cinco eixos. (a) usinagem de rotor aeronáutico, (b) usinagem de implante dentário, (c) modelagem de peça ornamental, (d) fabricação de implante ósseo, (e) modelagem em cera para fundição de joia, (f) acabamento de dutos de cabeçote automotivo .......................... 16 FIGURA 2 – Eixos lineares e rotativos de uma máquina-ferramenta ................................................................................... 21 FIGURA 3 – Comparativo entre operações de setup nas máquinas de três eixos (a) e nas máquinas de cinco eixos (b). . 22 FIGURA 4 - Tecnologia de usinagem em 3+2 eixos em (a) e cinco eixos simultâneos em (b) ................................................... 23 FIGURA 5 – Fresamento de acabamento das pás de um rotor . 24 FIGURA 6 – Configurações cinemáticas de máquinas cinco eixos com mesa rotativa basculante em (a), com cabeçote birrotativo em (b), e mista, com cabeçote rotativo e mesa rotativa em (c) .. 25 FIGURA 7 - Programação CNC independente da cadeia cinemática.................................................................................... 26 FIGURA 8 - Modo RTCP ausente em (a) e ativo em (b) ............ 26 FIGURA 9 - Geração de trajetórias via CAD/CAM ..................... 29 FIGURA 10 – O processo CAD/CAM/CNC; do modelo CAD à usinagem na máquina CNC ........................................................ 30 FIGURA 11 - Pós-processamento do arquivo CLDATA ............. 30 FIGURA 12 - Conversão de CLDATA para programa CNC ....... 31 FIGURA 13 - Linearização promovida pelo pós-processador .... 32 FIGURA 14 - Ambientes de simulação. (a) NCSIMUL, (b) ModuleWorks integrado ao CAM Euklid, (c) Predator Virtual CNC, (d) Vericut .................................................................................... 34 FIGURA 15 - Ambiente de construção da máquina virtual do EdgeCAM .................................................................................... 35 FIGURA 16 - Modelos comerciais de máquinas de cinco eixos com CNC Mach3. (a) GX 5 Axis da Minitech, (b) TN5 da MDA Precision, (c) Mira 2 da NSCNC.................................................. 36 FIGURA 17 - CNC Mach3 com placa de controle de movimento HiCON ......................................................................................... 37 FIGURA 18 – Transmissão roller gear com eliminação de backlash....................................................................................... 39
8 FIGURA 19 - Mesa rotativa basculante do fabricante Haas com conceito modular ......................................................................... 40 FIGURA 20 - Modularização de mesa rotativa basculante da empresa Fibroplan ...................................................................... 40 FIGURA 21 – Recurso do ModuleWorks presente em (a) SUM3D e em (b) SprutCAM ..................................................................... 46 FIGURA 22 – Sistema CAM SprutCAM 7.1.6 ............................. 48 FIGURA 23 – Fresadora Denford com protótipo da mesa rotativa basculante ................................................................................... 49 FIGURA 24 – Diagrama simplificado da integração dos módulos ..................................................................................................... 50 FIGURA 25 – Solução com duplo fuso “sem fim” ....................... 52 FIGURA 26 – Mesa rotativa da empresa Sherline ..................... 54 FIGURA 27 – Mesa rotativa adaptada com dois fusos .............. 54 FIGURA 28 – Método de aplicação da pré-carga com dois fusos “sem fim” ...................................................................................... 55 FIGURA 29 – Leiautes para estudo da concepção da transmissão inversora ................................................................. 56 FIGURA 30 – Estudo do leiaute das polias ................................ 57 FIGURA 31 – Módulo da transmissão inversora ........................ 59 FIGURA 32 – Mesa rotativa com transmissão inversora ........... 60 FIGURA 33 – Concepção da mesa rotativa basculante com módulo da transmissão inversora ............................................... 61 FIGURA 34 – Concepção do protótipo ....................................... 62 FIGURA 35 - Protótipo da mesa rotativa basculante e seu gabinete elétrico .......................................................................... 63 FIGURA 36 – Aparato para medição do backlash...................... 64 FIGURA 37 – Medição do backlash ............................................ 65 FIGURA 38 – Resultado das medições do backlash.................. 66 FIGURA 39 – Ambiente Machine Setup do Code Wizard .......... 70 FIGURA 40 - Modelo CAD no EdgeCAM ................................... 70 FIGURA 41 – Definições iniciais do Code Wizard ...................... 71 FIGURA 42 – Configuração cinemática para a fresadora Dendord em (a) e rearranjada em (b) ........................................................ 72 FIGURA 43 – Cópia dos elementos da máquina a partir do ambiente CAD ............................................................................. 72 FIGURA 44 – Cadeia cinemática organizada com elementos gráficos da máquina .................................................................... 73 FIGURA 45 – Definição dos eixos rotativos e teste cinemático . 73
9 FIGURA 46 – Definição da saída do pós-processador em coordenadas da máquina ............................................................ 74 FIGURA 47 – Simulação de usinagem em cinco eixos simultâneos.................................................................................. 75 FIGURA 48 – Módulo Machine Maker do SprutCAM ................. 77 FIGURA 49 – Centro de usinagem virtual de cinco eixos em uso no SprutCAM ............................................................................... 78 FIGURA 50 – Simulação em cinco eixos simultâneos com acompanhamento das posições das juntas em (1), e remoção de material em (2) ............................................................................ 78
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Diferenças entre os métodos de programação ...... 27 TABELA 2 - Aplicação do método MESCRAI ............................. 53
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas CAD – Computer-aided design CAM - Computer-aided manufacturing CLDATA – Cutter location data CLP – Controlador lógico programável CN – Comando numérico CNC – Comando numérico computadorizado CNC-PC - Comando numérico computadorizado baseado em computador pessoal EMC2 - Enhanced Machine Control version 2 HSC – High speed cutting IF-SC – Instituto Federal de Santa Catarina ISO – International Organization for Standardization OEM – Original equipment manufacturer PC – Computador pessoal RTCP – Rotation tool center point TCPM – Tool center point management USD - United States Dollar
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................... 15
1.1 Justificativa e relevância .................................................. 15
1.2 Objetivos ............................................................................. 18
1.2.1 Objetivo geral .................................................................... 18
1.2.2 Objetivos específicos......................................................... 18
1.3 Estrutura do trabalho ........................................................ 18
2 REFERENCIAL TEÓRICO .................................................. 21
2.1 Fundamentos da tecnologia de fresamento em cinco eixos ........................................................................................... 21
2.2 Configurações cinemáticas de máquinas com cinco eixos ........................................................................................... 24
2.3 Transformação do sistema de coordenadas .................. 25
2.4 Sistemas CAD/CAM ........................................................... 28
2.5 Pós-processadores............................................................ 29
2.6 Simuladores ....................................................................... 32
2.7 Fresadoras CNC de cinco eixos para aplicações de baixo custo ........................................................................................... 35
2.8 Backlash em transmissões de precisão ......................... 37
2.9 Modularidade das mesas rotativas .................................. 39
2.10 Síntese do capítulo ............................................................ 41
3 SISTEMA PROPOSTO ........................................................ 43
3.1 Análise de possibilidades ................................................. 43
3.2 Seleção do sistema de CAM ............................................. 47
3.3 Fresadora com mesa rotativa basculante integrada ..... 49
4 DESENVOLVIMENTO DA MESA ROTATIVA COM SOLUÇÃO ANTI-BACKLASH ................................................... 51
4.1 Busca de soluções ............................................................ 51
13 4.2 Concepção do módulo da transmissão inversora ......... 56
4.3 Concepção da mesa rotativa basculante ........................ 60
4.4 Resultados obtidos com a solução anti-backlash ......... 62
5 DESENVOLVIMENTO DA MÁQUINA VIRTUAL NO CAM 69
5.1 Máquina virtual no EdgeCAM ........................................... 69
5.2 Máquina virtual no SprutCAM........................................... 76
6 COMENTÁRIOS FINAIS ..................................................... 79
6.1 Conclusões ......................................................................... 79
6.2 Sugestões para trabalhos futuros ................................... 80
REFERÊNCIAS ........................................................................... 83
APÊNDICE A - MESAS ROTATIVAS ........................................ 91
A.1 Redutor harmonic drive ..................................................... 91
A.2 Redutor coroa e “sem fim” de precisão ........................... 95
A.3 Acionamento com servomotor direct drive ................... 101
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1 INTRODUÇÃO
As primeiras máquinas de comando numérico (CN) eram capazes de operar apenas com três eixos e os estudos para viabilizar a construção do primeiro centro de usinagem com cinco eixos tiveram início em 1958 (SOUZA; ULBRICH, 2009). A tecnologia eletrônica e computacional da época inviabilizou temporariamente o conceito de máquina com cinco eixos.
Entre os anos de 1960 e 1970, o uso dos circuitos integrados conferiu novo grau de confiabilidade aos controladores. Nos anos de 1980, as interfaces gráficas e o uso do microprocessador estabeleceram novo patamar de evolução ao comando numérico computadorizado (CNC). Nesta época, os primeiros sistemas de manufatura assistida por computador (CAM) permitiram a programação CNC de superfícies complexas (ENDL; JAJE, 2010).
A usinagem em cinco eixos exigiu uma cooperação tecnológica evolutiva entre os sistemas CAM e o desenvolvimento do controlador da máquina-ferramenta (ENDL; JAJE, 2010; SOUZA; ULBRICH, 2009).
O atual desenvolvimento das máquinas CNC e dos sistemas CAM permite a interpolação simultânea de múltiplos eixos de forma precisa e segura. Máquinas com cinco eixos, que operam modificando constantemente a orientação da peça ou da ferramenta de corte, podem ser modeladas e simuladas na tela do computador com o intuito de prevenir colisões e aperfeiçoar estratégias de corte (APRO, 2008).
1.1 Justificativa e relevância
Atualmente, a usinagem de modelos complexos com o emprego de máquinas CNC de quatro ou cinco eixos é uma atividade muito frequente na indústria de manufatura. Algumas aplicações industriais podem ser vistas na Figura 1.
De modo geral, o emprego de uma máquina de cinco eixos traz as seguintes vantagens (APRO, 2008; SIEMENS AG, 2004):
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a) possibilidade de usinagem completa da peça com apenas uma fixação na mesa da máquina;
b) sequência de operações mais otimizada; c) melhoria das condições de usinagem pelo uso de
ferramentas de corte mais curtas; d) possibilidade de usinar geometrias complexas,
impossíveis de serem fabricadas em máquinas de três eixos.
FIGURA 1 – Aplicações de máquinas de cinco eixos. (a) usinagem de rotor
aeronáutico, (b) usinagem de implante dentário, (c) modelagem de peça ornamental, (d) fabricação de implante ósseo, (e) modelagem em cera para
fundição de joia, (f) acabamento de dutos de cabeçote automotivo
Tradicionalmente, máquinas CNC dedicadas com cinco eixos estão relacionadas a grandes investimentos. Fresadoras de porte médio tem preço de entrada que varia entre R$ 350000,00 e R$ 600000,00, dependendo do fabricante, da tecnologia de acionamento e dos recursos do CNC. Uma alternativa é a aquisição de fresadoras de três eixos. Neste caso, dependendo da complexidade do modelo a ser usinado, as seguintes consequências devem ser consideradas:
a) setup mais demorado;
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b) imprecisão de reposicionamento da peça durante o processo;
c) subdivisão da peça em partes possíveis de fabricar; d) aquisição de um conjunto maior de ferramentas de
corte e suportes.
Os anos de 2000 marcaram o ressurgimento das tecnologias de cinco eixos, dessa vez, com custos mais acessíveis (CHRISTMAN, 2004). Muitos construtores de máquinas de cinco eixos saíram das concepções tradicionais e passaram a oferecer novos conceitos de máquinas com baixo custo, permitindo aplicações em componentes de baixo custo (ZELINSKI, 1999).
Além das áreas clássicas, como indústria aeronáutica, naval, automotiva e ferramentarias, têm-se as aplicações que envolvem peças pequenas, e muitas vezes de projeto único como a usinagem de implantes dentários e próteses, modelos para a fundição de joias, modelos de estilo, peças técnicas e modelos de baixo valor agregado. A potencialização do emprego da usinagem em cinco eixos, observando a característica de baixo custo, é o principal motivador desta pesquisa.
As principais observações que justificam o desenvolvimento deste trabalho podem ser resumidas da seguinte maneira:
a) sistemas CAD/CAM/CNC para cinco eixos, historicamente, envolvem grandes investimentos e complexidade operacional;
b) mesas rotativas de pequeno porte são oferecidas por poucos fabricantes;
c) mesas rotativas de baixo custo não oferecem mecanismos para a eliminação do backlash (folga);
d) sistemas CNC de baixo custo, em geral, não realizam cálculos de cinemática inversa em tempo real;
e) informações sobre a configuração de pós-processadores e máquinas virtuais são escassas;
f) nível atual e rapidez de evolução dos controladores de máquinas CNC baseados em computador pessoal (CNC-PC).
18 1.2 Objetivos
Esta dissertação aborda a tecnologia de usinagem em
cinco eixos sob a restrição do custo. Por meio da análise da cadeia CAD/CAM/CNC são identificados problemas, potencialidades e propostas de solução para viabilizar a aplicação da tecnologia CNC de cinco eixos em ambientes sensíveis ao custo.
1.2.1 Objetivo geral Este trabalho tem como objetivo principal conceber um
sistema mecatrônico que torna uma fresadora com CNC de baixo custo capaz de realizar usinagens em cinco eixos simultâneos.
1.2.2 Objetivos específicos
a) desenvolver uma solução de baixo custo para o problema do backlash em mesas rotativas;
b) sistematizar os procedimentos de pós-processamento que levam em conta a cadeia cinemática da máquina;
c) sistematizar os procedimentos de simulação e verificação que integram o modelo completo da máquina com cinco eixos;
d) desenvolver o protótipo do sistema para possibilitar a realização de pesquisas dentro do campus Florianópolis do Instituto Federal de Santa Catarina (IF-SC).
1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho está organizado em seis capítulos. No
primeiro capítulo é feita uma introdução ao tema, justificando a importância da usinagem em cinco eixos e a possibilidade de sua
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aplicação em ambientes sensíveis ao custo. Este capítulo também esclarece os objetivos do estudo.
O segundo capítulo apresenta os principais elementos envolvidos na tecnologia de usinagem CNC em cinco eixos sob a forma de revisão da literatura.
O terceiro capítulo traz a análise da cadeia CAD/CAM/CNC com o objetivo de conceber um sistema de baixo custo para o fresamento em cinco eixos simultâneos. O sistema de CAM é selecionado e a máquina-ferramenta com a mesa rotativa basculante é apresentada.
O quarto capítulo trata do desenvolvimento da mesa rotativa com solução anti-backlash. Resultados de ensaios são analisados e discutidos.
O quinto capítulo apresenta outro elemento-chave para o sistema proposto. O desenvolvimento da máquina virtual para fins de simulação e pós-processamento é abordado para os sistemas de CAM EdgeCAM e SprutCAM.
O sexto capítulo apresenta as conclusões obtidas e propõe trabalhos futuros, visando à continuidade da pesquisa desenvolvida.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
Neste capítulo são apresentados os principais elementos
envolvidos na tecnologia de usinagem CNC em cinco eixos. Os assuntos apresentados aqui visam estabelecer uma base para o sistema proposto nesta dissertação.
2.1 Fundamentos da tecnologia de fresamento em cinco eixos
O número de eixos de uma máquina-ferramenta é definido pelo número de movimentos independentes que podem ser comandados sobre as juntas da máquina (BOHEZ, 2002). A Figura 2 apresenta a nomenclatura dos eixos lineares e os correspondentes rotativos de máquinas-ferramenta com cinco eixos.
FIGURA 2 – Eixos lineares e rotativos de uma máquina-ferramenta
Fonte: Adaptado de Apro (2008) e Haas Automation (2012a)
O uso de máquinas-ferramenta convencionais de três eixos
na usinagem de peças contendo múltiplas faces exige vários reposicionamentos e especial atenção aos dispositivos de fixação. Isso gera problemas, tais como: maior imprecisão do produto final, custos com sistemas de fixação e processo com
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maior dependência do operador da máquina (DONG; VICKERS; WANG, 2007).
Um estudo realizado pela American Mold Builders Association revelou que 24% do tempo de fabricação de moldes era gasto no reposicionamento e fixação (HURCO COMPANIES INC., 2010a). A Figura 3 ilustra as sucessivas fixações da peça em uma máquina de três eixos em contraste com a fixação única em uma fresadora com cinco eixos. O uso de máquinas com cinco eixos associado aos atuais métodos de geração de trajetórias de ferramentas, promove uma significativa redução no tempo total de usinagem. Em alguns casos, essa redução de tempo pode chegar a 85% em relação à usinagem em máquinas de três eixos (BEDI et al., 2001).
FIGURA 3 – Comparativo entre operações de setup nas máquinas de três eixos (a) e nas máquinas de cinco eixos (b).
Outra vantagem das máquinas em cinco eixos consiste na aplicação de ferramentas mais curtas para usinar cavidades profundas sem a interferência do suporte com as paredes laterais
Setup 1 Setup 2
Setup único
Setup 3
Indexação automática
Indexação automática
(a)
(b)
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da peça. A capacidade de inclinar a ferramenta ou a peça melhora a acessibilidade (TSUTSUMI; SAITO, 2004).
A tecnologia de usinagem com cinco eixos é dividida em 3+2 eixos e cinco eixos simultâneos (APRO, 2008; SIEMENS AG, 2004; SOUZA; ULBRICH, 2009). Com aplicações bem definidas, as duas tecnologias podem ser atribuídas às capacidades do CNC ou ao tipo de estratégia de usinagem (APRO, 2008).
A usinagem em 3+2 eixos, também conhecida como posicional, emprega os recursos mais básicos do conceito multieixos (APRO, 2008). Os eixos rotativos são utilizados apenas para orientar a peça ou ferramenta, como mostra a Figura 4(a), e a usinagem é realizada pelo movimento coordenado de dois ou três eixos lineares (ALBERT, 2006; SOUZA; ULBRICH, 2009).
A usinagem em cinco eixos simultâneos compreende a remoção de material por meio do movimento coordenado dos cinco eixos da máquina. A orientação da ferramenta em relação à peça pode ser constantemente modificada, como ilustra a Figura 4(b), permitindo a usinagem de superfícies complexas e com inclinações negativas, impossíveis de serem fabricadas com apenas três eixos simultâneos (APRO, 2008). Um exemplo clássico da usinagem em cinco eixos simultâneos consiste no fresamento de rotores, como o apresentado pela Figura 5.
FIGURA 4 - Tecnologia de usinagem em 3+2 eixos em (a) e cinco eixos simultâneos em (b)
Fonte: Siemens AG. (2004)
(a) (b)
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FIGURA 5 – Fresamento de acabamento das pás de um rotor
Fonte: Workingmachine (2011)
2.2 Configurações cinemáticas de máquinas com cinco eixos
As máquinas com cinco eixos apresentam diferentes configurações cinemáticas que determinam as suas aplicações, características de acessibilidade e volume de trabalho. A Figura 6 ilustra as três configurações mais importantes. Máquinas com mesas rotativas basculantes são as mais empregadas por apresentarem grande flexibilidade e menor custo de aquisição (APRO, 2008; JUNG et al., 2002). Comparada com as outras configurações, esta pode ser considerada a mais precisa das máquinas com cinco eixos. Como a ferramenta permanece paralela ao eixo linear Z e somente a peça é rotacionada e inclinada, não se tem a influência da incerteza de compensação do comprimento da ferramenta (ZELINSKI, 1999).
Máquinas com cabeçote birrotativo são mais comuns em usinagens de médio e grande porte, onde a inclinação e rotação do cabeçote são muito mais viáveis (PHILLIPS, 2007). Esse tipo de máquina é frequentemente empregado na indústria
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aeronáutica como, por exemplo, na usinagem das estruturas de asas de aviões (BOHEZ, 2002).
FIGURA 6 – Configurações cinemáticas de máquinas cinco eixos com mesa rotativa basculante em (a), com cabeçote birrotativo em (b), e mista, com
cabeçote rotativo e mesa rotativa em (c)
Fonte: Siemens AG (2004)
Segundo Apro (2008), a configuração cinemática que combina o movimento de inclinação do cabeçote e a rotação da mesa é mais capaz das três configurações. Peças grandes e pesadas podem ser usinadas com a rotação livre de obstáculos da mesa e a alta acessibilidade proporcionada pela inclinação da ferramenta (HURCO COMPANIES INC., 2010b; SMITH, 2012).
2.3 Transformação do sistema de coordenadas
Na usinagem em cinco eixos o programa CNC deve informar a orientação da ferramenta junto à posição X, Y e Z da ponta da ferramenta. Quando a orientação da ferramenta é fornecida pelo vetor de inclinação da mesma (Figura 7), diz-se que a programação CNC é independente da cadeia cinemática da máquina (SIEMENS AG, 2009). Um programa CNC independente da cinemática baseia-se no sistema de coordenadas da peça e pode ser executado sobre diferentes tipos de máquina sem que o programador tenha que corrigir comprimentos de ferramentas ou se preocupar com a interseção dos eixos da mesa rotativa basculante (PLANIT SOFTWARE LTD., 2011; SMITH, 2012).
(a) (b) (c)
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FIGURA 7 - Programação CNC independente da cadeia cinemática
Fonte: Adaptado de Siemens AG. (2009)
Ao executar um programa com base no sistema de
coordenadas da peça, o CNC realiza todos os cálculos de transformação cinemática para a máquina em questão, seja ela provida de mesa rotativa basculante ou cabeçote birrotativo. O recurso do CNC que permite calcular a cinemática inversa em tempo real é conhecido como RTCP (Rotation tool center point) (HAGIZ, 2007) ou TCPM (Tool center point management) (SMITH, 2012). A Figura 8 apresenta a diferença entre o modo de trabalho RTCP e sem transformação cinemática.
FIGURA 8 - Modo RTCP ausente em (a) e ativo em (b)
Fonte: Siemens AG. (2009)
(a) (b)
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Em oposição à programação independente da cinemática, tem-se a possibilidade de gerar o programa para cinco eixos com base no sistema de coordenadas da máquina (PLANIT SOFTWARE LTD., 2011; SPRUT TECHNOLOGY INC, 2011). Neste caso, o CNC não computa a cadeia cinemática da máquina, mas realiza diretamente as interpolações interpretando um programa com as coordenadas das juntas. Um modelo cinemático da máquina é definido no sistema CAM e os cálculos da cinemática inversa são resolvidos pelo pós-processador (LARTIGUE; LAVERNHE; TOURNIER, 2006; SOUZA, 2006). A Tabela 1 exemplifica e caracteriza os dois métodos de programação.
TABELA 1 – Diferenças entre os métodos de programação
Programação com base no sistema de coordenadas da máquina
Programação com base no sistema de coordenadas da peça
G93 G1 X198.085 Y-58.588 Z-25.398 A-30.35 C-139.37 F784.2 X198.295 Y-62.161 Z-27.565 A-30.44 C-
138.24 F1176.3 X198.422 Y-65.742 Z-29.76 A-30.54 C-137.11 F1176.2
X198.46 Y-71.115 Z-33.105 A-30.71 C-135.42 F784.1 X198.384 Y-74.692 Z-35.37 A-30.83 C-
134.3 F1176.1 X198.229 Y-78.257 Z-37.66 A-30.97 C-133.19 F1176.1
X197.997 Y-81.807 Z-39.977 A-31.11 C-132.08 F1176.1
G94 G1 X-175.156 Y-100.058 Z0.836 I0.329 J-0.384 K0.863 F1200 X-176.03 Y-100.584 Z0.838 I0.337 J-
0.378 K0.862 X-176.904 Y-101.111 Z0.839 I0.346 J-0.372 K0.861
X-178.215 Y-101.9 Z0.842 I0.358 J-0.364 K0.86 X-179.089 Y-102.427 Z0.845 I0.367 J-
0.358 K0.859 X-179.963 Y-102.953 Z0.847 I0.375 J-0.352 K0.857
X-180.836 Y-103.48 Z0.85 I0.383 J-0.346 K0.856
Características: - X, Y, Z, A e C representam as coordenadas absolutas das juntas lineares e rotativas com base no zero máquina; - baseia-se no modelo cinemático da máquina; - o CAM usado para programação precisa conhecer o modelo cinemático da máquina o comprimento da ferramenta e a localização da peça; - programação manual inviável.
Características: - cada linha representa a posição e orientação da ferramenta em relação ao sistema de coordenadas da peça; - programação independente da cinemática da máquina; - o CNC precisa fazer as transformações cinemáticas para cada junta; - programação manual viável para geometrias simples.
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2.4 Sistemas CAD/CAM
A tecnologia CAD/CAM afeta substancialmente o processo de desenvolvimento de novos produtos, seja na complexidade de forma, na rapidez e na qualidade final, tudo isso com considerável redução de custos (SOUZA, 2001).
Impulsionados pelo ambiente competitivo e pela busca por qualidade, os sistemas CAD/CAM evoluíram do simples traçado bidimensional para os modeladores de sólidos baseados em features com ambientes integrados de programação CNC capazes de gerar trajetórias em cinco eixos e com simulação cinemática da máquina-ferramenta (APRO, 2008).
Os softwares de CAD modernos permitem o modelamento tridimensional da peça ou do conjunto, com o devido registro das operações e geometrias elementares. Este conceito é conhecido como tecnologia de features, e foi responsável por enorme flexibilização na definição da geometria da peça e na transferência de informações nas áreas de projeto e manufatura (SOUZA; ULBRICH, 2009).
Os sistemas de CAM constituem o conjunto de ferramentas computacionais empregadas na fase de fabricação. Dentro de um conceito mais restrito, um software de CAM tem a função principal de gerar trajetórias de ferramentas para máquinas CNC (SOUZA; ULBRICH, 2009). A sigla combinada CAD/CAM, é frequentemente utilizada para designar um conjunto de softwares integrados com capacidades de modelamento geométrico e de geração de trajetórias de ferramentas (APRO, 2008).
A principal entrada do software de CAM é o modelo geométrico oriundo do CAD. O cálculo de trajetórias de corte ainda necessita de informações adicionais, como sequência de operações, estratégias de usinagem, ferramental e parâmetros de corte. A Figura 9 ilustra o processo de geração de trajetórias. Os atuais sistemas CAM permitem a importação de modelos de diferentes sistemas CAD, a definição de geometrias auxiliares do processo de programação, o uso de bibliotecas de ferramentas, a utilização de banco de dados de corte, a simulação e análise das trajetórias e por final a tradução destas em códigos específicos de cada máquina CNC (SOUZA; ULBRICH, 2009).
29
FIGURA 9 - Geração de trajetórias via CAD/CAM
A saída de um sistema de CAM é o programa CNC que será executado na máquina-ferramenta. Portanto, esta última etapa, também conhecida como pós-processamento, faz uma tradução das trajetórias armazenadas no banco de dados do CAM para o código de programação de cada modelo de CNC e tipo de máquina (APRO, 2008; SOUZA; ULBRICH, 2009; SOUZA, 2006; SOUZA 2001). A Figura 10 apresenta o processo CAD/CAM até a transferência do programa para a máquina CNC. 2.5 Pós-processadores
O pós-processador é o programa que lê o arquivo CLDATA (Cutter location data) gerado pelo software de CAM e o converte em um programa CNC específico para cada máquina-ferramenta. Assim, o pós-processador deve incluir dados da máquina-ferramenta e da linguagem de programação do CNC (LARTIGUE; LAVERNHE; TOURNIER, 2006; SOUZA; ULBRICH, 2009). A Figura 11 ilustra a conversão do arquivo CLDATA em programas específicos para diferentes máquinas CNC.
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FIGURA 10 – O processo CAD/CAM/CNC; do modelo CAD à usinagem na
máquina CNC
FIGURA 11 - Pós-processamento do arquivo CLDATA
Modelamento Geométrico
CAD
Preparação da geometria
CAM
Programação CAM
Simulação da usinagem
CAM
Pós-processamento
CAM CNC
O processo CAD/CAM/CNC
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Os pós-processadores podem ser encontrados em versões standalone ou integrados aos sistemas de CAM. Os pós-processadores integrados ao CAM são os mais comuns, enquanto os standalones podem oferecem recursos extras de otimização de trajetórias, linearização de trajetórias em cinco eixos, emulação de comandos e ciclos de vários CNC, código reverso - do código “G” para CLDATA de diferentes sistemas CAM (ICAM Tech. Corp., 2012).
O arquivo CLDATA para usinagem em cinco eixos contém as informações de posição juntamente à orientação angular da ferramenta definidas no sistema de coordenadas da peça. O pós-processador pode converter o CLDATA para o sistema de coordenadas da máquina levando em consideração a sua cadeia cinemática (JUNG et al., 2002). A Figura 12 apresenta um trecho de arquivo CLDATA convertido em programa CNC.
FIGURA 12 - Conversão de CLDATA para programa CNC
Quando o software de CAM gera as trajetórias de ferramenta considera-se que entre dois pontos do arquivo CLDATA tem-se uma linha reta baseada no sistema de coordenadas da peça. Como eixos rotativos estão envolvidos na movimentação, a trajetória real não é retilínea. Isso implica num
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desvio maior entre a geometria modelada e a peça usinada. O pós-processador possui um algoritmo capaz de interpolar novos pontos entre os gerados pelo CAM. Esse processo é conhecido como linearização (SORBY, 2007). A Figura 13 exemplifica o processo de linearização feito pelo pós-processador.
FIGURA 13 - Linearização promovida pelo pós-processador
Fonte: Adaptado de Sorby (2007)
2.6 Simuladores
Os primeiros sistemas de CAD/CAM eram utilizados em geometrias simples, consequentemente as trajetórias e os programas CNC envolvidos não apresentavam muita complexidade. Com o desenvolvimento de produtos com superfícies curvilíneas e de forma livre, o grau de complexidade das trajetórias e o tamanho dos programas foram crescendo drasticamente. A execução direta desses programas em máquinas mais rápidas e de vários eixos tornou-se um procedimento inviável, dada a grande possibilidade de erros (APRO, 2008).
Erros de sintaxe, contato peça-ferramenta com movimento rápido, colisão da haste da ferramenta ou do sistema de fixação, colisão das partes móveis da máquina, material remanescente, retirada não desejada de material e parâmetros de corte inadequados constituem os principais erros de programação que podem estar embutidos nos programas CNC (PREDATOR, 2011; CGTECH, 2011; SPRING, 2011). Os erros de colisão podem ser extremamente destrutivos, especialmente na usinagem em máquinas como centros de usinagem de cinco eixos e máquinas High Speed Cutting (HSC) (APRO, 2008).
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Os softwares de simulação vêm preencher a lacuna existente entre a geração de trajetórias e a usinagem segura na máquina. Este tipo de software é capaz de mostrar continuamente o processo de usinagem com modelos da ferramenta e da peça sendo modificada à medida que o programa vai sendo interpretado. O grau de evolução dos simuladores atuais permite a visualização gráfica do processo, bem como, a detecção automática de um número considerável de erros, análise e otimização do programa CNC (CGTECH, 2011; SPRING, 2011).
Recentemente, várias empresas desenvolveram programas de simulação (Figura 14) capazes de emular os componentes das máquinas-ferramenta, sua cinemática e funções específicas, como ciclos fixos, macros e acionamento de dispositivos periféricos. Uma vez que o simulador permite o modelamento da cadeia cinemática da máquina, diversos elementos podem ser adicionados ao ambiente de simulação e proporcionar uma verificação precisa da interação desses elementos durante movimentações complexas envolvendo quatro ou cinco eixos (APRO, 2008; WELCH, 2011).
Os softwares de simulação podem ser encontrados em sua versão standalone ou integrados a sistemas CAM de outros desenvolvedores. Empresas desenvolvedoras de simuladores como CGTech, Spring Technologies, ModuleWorks, Machineworks entre outras, oferecem serviços de integração a sistemas CAM de diferentes fabricantes. Para exemplificar pode-se citar o sistema CAM Euklid com simulador da ModuleWorks e o CAM EdgeCAM com simulador da Machineworks.
Quanto à entrada das informações ou formato das trajetórias de ferramentas existem dois tipos de simuladores. O primeiro tipo só é capaz de simular programas em formato CLDATA. Estas informações ainda não foram pós-processadas ou traduzidas para comandos específicos do CNC. O segundo tipo é capaz de simular o código específico do CNC, já pós-processado. A vantagem desse tipo de simulador está na maior confiabilidade da validação, tendo em vista que se está simulando o mesmo programa que será executado na máquina CNC (APRO, 2008).
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FIGURA 14 - Ambientes de simulação. (a) NCSIMUL, (b) ModuleWorks integrado ao CAM Euklid, (c) Predator Virtual CNC, (d) Vericut
Fontes: (a) Spring Technologies (2012); (b) Moduleworks (2012); (c) Predator Software Inc. (2012); (d) CGtech (2012)
Alguns desenvolvedores de sistemas CAM oferecem
serviços de configuração das máquinas virtuais de seus clientes para simulação. O usuário final interessado em desenvolver suas próprias máquinas virtuais ou adicionar novos elementos as máquinas já existentes, pode adquirir o módulo de software de construção, geralmente conhecido como machine maker, machine builder ou machine simulation setup dependendo do CAM (APRO, 2008).
A cadeia cinemática pode ser estabelecida usando o conceito de árvore; os elementos gráficos como mesas, estrutura, cabeçote e fixações podem ser modelados em ambiente CAD e importados para a árvore esquemática como mostra a Figura 15. Dessa forma, é possível gerar um modelo confiável da máquina real e verificar a possibilidade de colisões durante a simulação das trajetórias.
(d)
(b) (a)
(c)
35
FIGURA 15 - Ambiente de construção da máquina virtual do EdgeCAM
2.7 Fresadoras CNC de cinco eixos para aplicações de
baixo custo
Uma fresadora CNC para usinagem em cinco eixos deve oferecer suficiente flexibilidade para posicionar e orientar a peça ou ferramenta com a maior velocidade e precisão possíveis (BOHEZ, 2002). Nesse sentido, a fresadora provida de mesa rotativa basculante oferece flexibilidade, velocidade e melhor precisão (ZELINSKI, 1999).
Um fator importante para o conceito de máquina-ferramenta de baixo custo foi o desenvolvimento dos CNC baseados em PC. Controladores de baixo custo, como o Mach3 desenvolvido pela divisão Artsoft da Newfangled Solutions LLC, que foi concebido inicialmente para aplicações restritas, hobby e pesquisa, aproveitaram os recursos mais avançados das placas de controle de movimento para ganhar aplicações industriais (OVERBY, 2011).
Diversos desenvolvedores de máquinas de cinco eixos (Figura 16) encontraram no CNC Mach3 uma solução econômica
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e extremamente flexível. Considerado o mais popular dos controladores de baixo custo, o Mach3 oferece considerável flexibilidade para se adaptar a máquinas específicas. Os sinais de comando para até seis eixos de movimento simultâneos são baseados no padrão STEP/DIR compatíveis com os drivers de motor de passo e com a maioria dos servodrivers modernos (CSLAB, 2011; KSI Labs, 2011).
O Mach3 tem custo de licenciamento de USD 175,00 e sua página de suporte encontra-se no sítio http://machsupport.com/. A seção de downloads, opção plug-ins, oferece uma visão da diversidade de hardwares de controle de movimento e dispositivos auxiliares suportados pelo Mach3.
FIGURA 16 - Modelos comerciais de máquinas de cinco eixos com CNC Mach3. (a) GX 5 Axis da Minitech, (b) TN5 da MDA Precision, (c) Mira 2 da
NSCNC
Fontes: (a) Minitech Machinery Corporation (2012); (b) MDA Precision (2012); (c) NSCNC (2012)
A Figura 17 ilustra o diagrama de conexão de um sistema CNC com Mach3 e placa de controle de movimento HiCON 7751 da Vital Systems. Neste caso, em particular, são empregados motores de passo com realimentação de posição por meio de encoders. Para uma máquina-ferramenta com maior exigência de precisão é possível fechar a malha de posição e velocidade dos servomotores com o servodriver e empregar escalas lineares nas juntas da máquina fechando a malha de posição externa com a placa de controle de movimento.
(a) (b) (c)
37
FIGURA 17 - CNC Mach3 com placa de controle de movimento HiCON
Fonte: Adaptado de Vital Systems (2012)
2.8 Backlash em transmissões de precisão
Existem diversos fatores que afetam a capacidade de uma mesa rotativa realizar seus posicionamentos de forma precisa. Por se tratar de um eixo rotativo reversível, fatores como histerese e backlash tem contribuição relevante nos erros de movimento. Outras fontes de erros associadas à qualidade da superfície do prato, gradiente térmico, rigidez finita, qualidade dos mancais e dos encoders devem ser consideradas. A norma NBR NM ISO 230, em suas partes 1 e 2, estabelece as condições e procedimentos de ensaio para determinar a exatidão e a repetitividade de eixos rotativos de máquinas-ferramenta (ABNT, 1999).
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Para Nordin (2002), o backlash é uma das mais importantes não linearidades que limitam o desempenho dos sistemas de posicionamento. O termo backlash está associado à folga entre partes móveis de uma transmissão mecânica e o seu controle tem sido estudado desde os anos de 1940. O conceito de pré-carga é frequentemente sugerido como solução para o problema (NORDIN, 2002).
As folgas presentes na transmissão permitem o jogo angular no eixo de saída da mesa e afetam significativamente a repetitividade da mesa, principalmente quando esta é aplicada em operações de usinagem como fresamento. Em uma operação de fresamento não se tem controle sobre o sentido da força principal de corte, que pode tanto deslocar a folga para um sentido ou outro.
Para Slocum (2001), a pré-carga é um elemento-chave para melhorar a repetitividade de posicionamento e historicamente tem sido considerada na criação de elementos de máquinas de baixo custo e alta precisão.
As transmissões mecânicas envolvem naturalmente considerações a respeito da folga. O Apêndice A apresenta as soluções comerciais adotadas pelos construtores de mesas rotativas para minimizar ou eliminar a presença de folgas nas transmissões. Nesse Apêndice é possível observar as duas abordagens mais empregadas no tratamento das folgas. A pré-carga é o princípio presente nas transmissões baseadas no sistema OTT e globoidal da Cone Drive, ambos aplicados em redutor coroa e fuso “sem fim”. O princípio aplicado no sistema Dual Lead é baseado no estreitamento das tolerâncias de fabricação e no ajuste de aproximação das partes móveis.
Como recomendação para aplicações de precisão, o emprego de servomotores direct drive é prioritário (HALE, 1999). As características e vantagens desses servomotores especiais estão resumidas na Seção A.3 do Apêndice A. Por outro lado, quando o servomotor não fornece a força ou torque suficiente, ou ainda, o calor gerado não pode ser removido de forma satisfatória, uma transmissão mecânica é requerida. Têm-se ainda, as aplicações sensíveis ao custo, nas quais a solução de acionamento direto é proibitiva.
A pré-carga é gerada por ajustar as peças em contato com certa interferência em vez de folga. A técnica de pré-
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carregamento que funciona bem em mancais de rolamento e fusos de esferas, é útil para engrenamentos.
A Figura 18 mostra detalhes da transmissão tipo Roller Gear que aplica com propriedade o princípio da pré-carga. Os desenvolvedores do sistema Roller Gear relatam um funcionamento com backlash zero e com boa eficiência ao empregar elementos rolantes na coroa (TSUTSUMI; SAITO, 2004).
FIGURA 18 – Transmissão roller gear com eliminação de backlash
Fonte: Adaptado de Tsutsumi e Saito (2004)
2.9 Modularidade das mesas rotativas
De modo geral, um projeto modular é aquele que busca a independência funcional dos blocos que compõe o produto (BAXTER, 1998; PEREIRA, 2004). Cada bloco é constituído de um conjunto de componentes que interagem e exercem algumas funções do produto.
Na arquitetura modular, as funções de cada módulo são bem definidas. Em oposição, existe o conceito de produtos integrados, no qual uma mesma função é distribuída em vários blocos, não havendo uma fronteira definida (BAXTER, 1998).
No projeto de sistemas de precisão, as arquiteturas modulares oferecem vantagens, já que a independência funcional torna possível a concepção de produtos robustos.
Mesa rotativa Pré-carga
Eixo de acionamento
Coroa
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Nesse sentido, Pereira (2004) estabeleceu uma metodologia para o desenvolvimento de sistemas mecânicos de precisão reconfiguráveis, apoiada na metodologia para o desenvolvimento de produtos modulares e nos princípios da engenharia de precisão. Tendo em mente a qualificação geométrica, as características metrológicas, o comportamento físico e as interfaces de cada módulo, é possível o desenvolvimento de produtos de precisão com desempenho previsível.
Um conceito de projeto modular permite a combinação de duas mesas rotativas para formar uma unidade com dois eixos rotativos. As Figuras 19 e 20 mostram alguns modelos comerciais de mesas rotativas montadas a partir de módulos.
FIGURA 19 - Mesa rotativa basculante do fabricante Haas com conceito
modular
Fonte: Haas Automation (2012b)
FIGURA 20 - Modularização de mesa rotativa basculante da empresa
Fibroplan
Fonte: Fibro Inc. (2012)
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2.10 Síntese do capítulo
As mesas rotativas basculantes constituem um meio
preciso e o mais econômico para obter uma fresadora de cinco eixos.
A saída de um software de CAM é o arquivo CLDATA que deve ainda ser convertido em programa CNC específico por um software conhecido como pós-processador.
O pós-processador pode gerar um programa CNC baseado no sistema de coordenadas da peça, com instruções de posição XYZ da ponta da ferramenta e orientação IJK do eixo da ferramenta. Neste caso, o CNC deve fazer os cálculos da cinemática inversa em tempo real para comandar as juntas da máquina. De maneira diferente, o pós-processador pode computar a cinemática inversa da máquina-ferramenta e gerar um programa CNC baseado no sistema de coordenadas da máquina com os comandos de posicionamento das juntas XYZAC.
Os simuladores capazes de emular a cinemática da máquina real são fundamentais para a área de cinco eixos. Eles podem vir integrados aos sistemas de CAM ou como softwares standalone. Existem simuladores capazes de executar o programa CNC final, já pós-processado, assegurando maior confiabilidade ao processo de detecção de colisões.
O atual grau de evolução dos CNC baseados em PC levou ao surgimento de diversas aplicações de baixo custo. A utilização de placas de controle de movimento neste tipo de CNC aumentou a confiabilidade e o desempenho da máquina-ferramenta de baixo custo.
As soluções de projeto baseadas no estabelecimento de uma pré-carga ainda são as mais econômicas para controlar o backlash, que é considerado o principal problema em sistemas de posicionamento.
O conceito de projeto modular é fundamental para a automação de máquinas, pois favorece a construção de blocos com funções e características de precisão bem definidas, de fácil entendimento, operação e manutenção.
42
3 SISTEMA PROPOSTO
Um sistema de fresamento em cinco eixos é composto por
um pacote de softwares CAD/CAM e por uma máquina-ferramenta CNC. O diferencial da proposta desta dissertação é um sistema de baixo custo para uma tecnologia que tradicionalmente implica em grandes investimentos.
O trabalho final, dentro do qual esta pesquisa de mestrado está inserida, visa às aplicações de baixo custo e máquinas de pequeno porte, voltadas para as indústrias de modelagem, prototipagem rápida, fabricação de joias, laboratórios de pesquisa, ensino, fabricação de implantes dentários e dispositivos de aplicação médica. 3.1 Análise de possibilidades
A integração de uma mesa rotativa basculante a uma fresadora CNC convencional, como alternativa à entrada para a área de usinagem em cinco eixos, é uma prática comum. Como apresentado na Seção 2.2, essa concepção pode resultar em um sistema de fresamento com elevada flexibilidade, boa precisão, baixo custo e de fácil manutenção.
Uma possibilidade bastante viável encontra-se no retrofitting de fresadoras de três eixos com boa qualidade das guias e transmissões mecânicas. É importante levar em conta a qualificação geométrica da máquina conforme procedimentos da norma técnica NBR NM-ISO 230-1. A habilidade da máquina final em produzir deslocamentos precisos vai depender também, das imperfeições da mesa rotativa, que geralmente resultam num sistema de fresamento menos preciso quando comparado com um de apenas três eixos.
O CNC da máquina em estudo deve oferecer recursos para a interpolação em cinco eixos simultâneos. Modelos de CNC avançados permitem a adição de eixos e de novas funcionalidades como RTCP e de novas configurações cinemáticas. Controladores CNC mais simples, que geralmente acompanham fresadoras de três eixos, podem não permitir esse tipo de expansão. É muito comum, encontrar fresadoras com
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CNC limitados a apenas quatro eixos e, neste caso, é possível montar um sistema de cinco eixos conhecido como 4+1, no qual se tem a interpolação simultânea de quatro eixos e o quinto serve como indexador, frequentemente comandado pelo controlador lógico programável (CLP) integrado ao CNC (PANSIERA, 2002).
Controladores CNC de baixo custo baseados em PC, como Mach3, LinuxCNC, Flashcut, WinCNC, Eding USBCNC, suportam interpolações em cinco eixos simultâneos como um recurso padrão do software. Do lado do hardware, é necessário verificar se a placa de controle de movimento, que acompanha a máquina em estudo, comporta cinco eixos. Em caso negativo, o custo de aquisição de uma placa com tal capacidade pode variar entre USD 180,00 e USD 700,00 dependendo do fabricante, velocidade de processamento e recursos adicionais.
Como limitação inicial da aplicação dos CNC de baixo custo, cita-se o fato da grande maioria não ter um algoritmo de cinemática inversa no seu kernel. Entre os anteriormente mencionados, apenas o LinuxCNC tem cinemática inversa em tempo real. Como discutido na Seção 2.3, a ausência desse recurso no CNC não é um impedimento, uma vez que o sistema de CAM pode resolver a cinemática inversa e enviar ao CNC um programa com as posições absolutas das juntas. O processo de linearização feito pelo CAM ou pelo pós-processador, confere boa aproximação entre as trajetórias da ferramenta e a geometria modelada no CAD.
A escolha de um sistema CAM para cinco eixos em aplicações de baixo custo exige considerações especiais e frequente pesquisa sobre o dinâmico mercado de softwares. Assim como já aconteceu com os sistemas CAM para três eixos, os de cinco eixos experimentam um período de forte concorrência e novas estratégias de negócios estão surgindo nesse contexto.
Para aplicações específicas como a área odontológica é possível selecionar um CAM dedicado, como por exemplo, WorkNC Dental, Delcam DentMill, SUM3D Dental, Picasoft Mayka Dental, entre outros. Estes softwares de CAM ficaram conhecidos como “Open CAM” pelos profissionais da área, para diferenciar dos sistemas CAM com saída em formato proprietário que roda apenas na fresadora de um determinado fabricante. Os “Open CAM” geram como saída um programa CNC em formato
45
ISO. Essa característica, herdada dos CAM generalistas, torna possível a usinagem das próteses e implantes utilizando máquinas CNC padrão, as mesmas utilizadas largamente no setor metal-mecânico. Esta dissertação não aborda as soluções CAM de uso específico, mas a proposta de mesa rotativa basculante é consistente com as aplicações odontológicas e de joias.
É importante ressaltar que o mercado de soluções CAM é bastante dinâmico e competitivo, logo os valores monetários expressos nesta dissertação devem ser analisados com critério de tempo. É possível observar grande revolução nesse mercado, com o surgimento de novos desenvolvedores, que vêm oferecendo pela metade do preço tradicional de USD 10000,00 a USD 15000,00, um pacote completo com os mais avançados recursos de programação e simulação.
Ainda, no que diz respeito ao mercado, observou-se que os desenvolvedores de sistemas CAM tendem para a integração de bibliotecas de geradores de trajetórias e simulação desenvolvidos por terceiros. Isso permite um desenvolvimento rápido e o lançamento de softwares com recursos muito parecidos. A Figura 21 mostra a janela de programação para o fresamento do fundo de rotores em dois softwares de CAM que usam a biblioteca da ModuleWorks.
Uma proposta de baixo custo deve considerar os seguintes casos:
A. a empresa precisa adquirir o seu primeiro sistema de fresamento em cinco eixos;
B. a empresa tem uma fresadora de três eixos qualificada e não possui CAM;
C. a empresa tem uma fresadora de três eixos e possui CAM para três eixos;
D. uma instituição de ensino com interesse em um sistema didático.
O caso (A) envolve a aquisição de uma fresadora de cinco eixos e do sistema de CAM. Existe a possibilidade da empresa interessada beneficiar-se de pacotes OEM (Original Equipment Manufacturer) com descontos significativos sobre o software de CAM. Essa prática foi observada no mercado estadunidense, no qual o fabricante da fresadora CNC simplesmente repassava ao cliente o software de CAM com pós-processador dedicado e
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simulador pelo valor OEM. Este trabalho explorou essa possibilidade e foram encontradas soluções OEM de CAM cinco eixos por preços que variam de USD 2300,00 a USD 4500,00, sem custos adicionais ou taxas de manutenção anuais.
FIGURA 21 – Recurso do ModuleWorks presente em (a) SUM3D e em (b) SprutCAM
(a)
(b)
47
O caso (B) exige a integração de uma mesa rotativa à máquina existente e a seleção de um CAM com custo compatível, configuração de pós-processador e simulador adaptado à máquina final. A grande maioria dos softwares CAM de cinco eixos pesquisados tinham preços a partir de USD 10000,00. Apenas dois softwares ofereciam preços de entrada a partir de USD 2495,00.
No caso (C), tem-se uma situação semelhante do lado do hardware, já no software, existe a possibilidade de adquirir o módulo opcional de cinco eixos do desenvolvedor do CAM, bem como o pós-processador e o simulador.
No caso de uma instituição de ensino (D) a aquisição do CAM para cinco eixos é facilitada pelos descontos acadêmicos e pelos pacotes livres de custos. Aqui, os recursos de simulação passam a desempenhar um papel de aprendizado além da segurança do sistema.
3.2 Seleção do sistema de CAM
Para delimitar o estudo referente a seleção do sistema de CAM, a pesquisa para esta dissertação considerou apenas a indústria de modelagem e prototipagem rápida. Além dos requisitos frequentemente abordados na seleção de um CAM, como suporte técnico, treinamentos, facilidade de uso e base consistente de usuários, foram verificados:
a) baixo custo; b) recursos de programação para cinco eixos como Swarf,
acabamento de múltiplas superfícies complexas, fresamento com rotação do eixo A (Rotary machining);
c) geração do código CNC com base no sistema de coordenadas da máquina (cinemática inversa resolvida pelo CAM ou pós-processador);
d) simulação da usinagem e verificação de colisões com modelo cinemático da fresadora;
e) interface para ler arquivos de softwares de CAD comuns na área de modelagem como Rhinoceros e 3ds MAX;
f) interface para ler arquivos de modeladores de sólidos como SolidWorks e Inventor;
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g) facilidade de adquirir ou configurar um pós-processador para CNC Mach3;
h) possibilidade de expandir os recursos para cinco eixos por meio da aquisição futura de módulos de software.
Estes requisitos foram levantados tomando-se como base
uma empresa prestadora de serviços de usinagem que recebe como entrada um arquivo CAD proveniente de laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, empresas de marketing, design e de projeto de produtos. Como saída, um modelo usinado é entregue ao cliente. Neste cenário, a diversidade de geometrias modeladas exige um sistema CAM de uso generalista.
O Sistema de CAM SprutCAM foi o único que atendeu a todos os requisitos. O requisito de baixo custo foi altamente determinante para o processo de seleção e excluiu um bom número de sistemas CAM com características semelhantes. O SprutCAM integra recursos para geração de trajetórias, edição de pós-processador, pós-processamento, definição da máquina virtual e simulação cinemática. A Figura 22 mostra a interface do SprutCAM 7.1.6 com máquina virtual de cinco eixos.
FIGURA 22 – Sistema CAM SprutCAM 7.1.6
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3.3 Fresadora com mesa rotativa basculante integrada
A máquina escolhida para estudo foi a fresadora Denford
modelo Triac PC com CNC Mach3 (Figura 23). Este equipamento era originalmente acionado por motores de passo e controlado por software proprietário da empresa inglesa Denford, que emulava um CNC Fanuc 0M. A dificuldade de reposição da placa de controle de movimento danificada e a necessidade de incorporar recursos mais modernos foram os principais fatores que levaram ao retrofitting da máquina adquirida pelo IF-SC em 1996. O retrofitting envolveu principalmente a integração do CNC Mach3 e de servo acionamentos de corrente contínua com escovas, o que resultou em uma máquina particularmente interessante para a presente pesquisa.
FIGURA 23 – Fresadora Denford com protótipo da mesa rotativa basculante
A fresadora de cinco eixos proposta tem arquitetura modular, cujo conceito pode ser visto na Figura 24. Dessa forma, o gabinete elétrico da mesa rotativa basculante permite a rápida integração, com o mínimo de modificações elétricas no gabinete elétrico original da fresadora.
50
O bloco de intertravamento foi baseado em dois circuitos com relés que reagem aos sinais oriundos do controlador CNC, sensores fim-de-curso, botões de emergência, erros de funcionamento dos servodrivers e limite do erro de acompanhamento. Tanto os sinais da fresadora original como os da mesa rotativa basculante tem a capacidade de paralisar imediatamente o sistema, impedindo que, por exemplo, a máquina continue usinando após a falha em qualquer um dos cinco servodrivers.
FIGURA 24 – Diagrama simplificado da integração dos módulos
O interessado em montar um sistema de fresamento em
cinco eixos não precisa projetar a mesa rotativa, pois há a opção de aquisição de uma das diversas soluções comercialmente disponíveis, conforme apresentado no Capítulo 2. No entanto, esta dissertação, em seu Capítulo 4, propõe uma nova concepção para o problema do backlash, respeitando o requisito de baixo custo.
PC
Placa de controle de movimento
CNC Mach3
Gabinete elétrico
original da fresadora 3-eixos
Gabinete elétrico
da mesa rotativa
basculante
Intertravamento
Fresadora com cinco eixos
Integraç+
=
5 DESENVOLVIMENTO DA MÁQUINA VIRTUAL NO CAM
Como apresentado na Seção 2.6, o processo de
verificação de colisões desempenha um papel fundamental na programação de máquinas de cinco eixos. Simuladores modernos integrados aos sistemas de CAM permitem a definição da cadeia cinemática da máquina usando o conceito de árvore, onde os elementos como mesas, estrutura, cabeçote e fixações podem ser modelados em ambiente CAD e importados para a árvore esquemática. Dessa forma, é possível gerar uma máquina virtual mais consistente com a máquina real, permitindo analisar de forma mais segura as interferências entre todos os elementos durante a simulação da usinagem.
Este trabalho de mestrado estudou a construção de máquinas virtuais nos sistemas CAM EdgeCAM e SprutCAM. O EdgeCAM foi empregado no início da pesquisa para a programação e simulação da fresadora Denford com um protótipo virtual de mesa rotativa basculante. O conhecimento adquirido neste estudo preliminar norteou a avaliação dos simuladores e construtores de máquinas virtuais de outros sistemas CAM.
5.1 Máquina virtual no EdgeCAM No EdgeCAM, o módulo de software que permite a
definição da máquina virtual, bem como a edição do pós-processador é o Code Wizard. Em seu ambiente Machine Setup, a cadeia cinemática é organizada sob a forma de uma árvore (Figura 39).
A primeira etapa para construir uma máquina virtual, começa no CAD com o modelamento sólido de todos os elementos de interesse. É importante observar certo nível de simplificação no modelamento, deixando de lado detalhes que não contribuem para a simulação cinemática e verificação de colisões. Elementos como parafusos, mecanismos internos das transmissões e elementos periféricos que estão fora do volume
70 de trabalho, devem ser deixados de lado para aliviar a carga computacional durante a simulação da usinagem.
O modelamento da fresadora Denford foi realizado no SolidWorks e em seguida transferido para o ambiente de CAD do EdgeCAM. A Figura 40 mostra o modelo da fresadora onde cada elemento de máquina aparece como uma Feature.
FIGURA 39 – Ambiente Machine Setup do Code Wizard
FIGURA 40 - Modelo CAD no EdgeCAM
Feature do cabeçote
Árvore da cadeia cinemática
71
Dentro do Code Wizard foi iniciado um novo documento baseado em um modelo de construção pré-definido, como mostra a Figura 41. Para o caso da fresadora Denford, foram definidas as configurações de fresadora vertical (1) com eixo rotativo primário “A”, eixo rotativo secundário “C” (2) e modelo inicial de pós-processador genérico ISO (3).
FIGURA 41 – Definições iniciais do Code Wizard
Como resultado dessas definições a árvore da cadeia cinemática apresenta-se como mostra a Figura 42. Esta árvore pode ser rearranjada por arraste de elementos para outras posições com a finalidade de obter uma nova configuração cinemática, em que, por exemplo, o eixo rotativo “C” fosse o primário.
Por meio do comando Output model do ambiente CAD do EdgeCAM (Figura 43), as features do modelo da fresadora são gravadas na memória temporária do Windows para serem coladas no ambiente Machine setup do Code Wizard. O trabalho que se seguiu foi o de arrastar o elemento gráfico pertinente para
(1)
(3)
(2)
72 dentro de cada eixo ou estrutura da máquina e editar nomes e atributos de visualização. O resultado desta etapa pode ser visto na Figura 44.
FIGURA 42 – Configuração cinemática para a fresadora Dendord em (a) e rearranjada em (b)
FIGURA 43 – Cópia dos elementos da máquina a partir do ambiente CAD
Propriedades importantes como limites de curso, origem e direção dos eixos de rotação foram editados (Figura 45). Por meio de uma barra deslizante de posicionamento do eixo foi possível testar a consistência da cinemática da máquina, antes da compilação final.
(a) (b)
73
FIGURA 44 – Cadeia cinemática organizada com elementos gráficos da
máquina
FIGURA 45 – Definição dos eixos rotativos e teste cinemático
O elemento Primary Component Location define como a máquina virtual será posicionada em relação à peça de trabalho no ambiente de CAM do EdgeCAM. Neste caso, esta localização foi definida sobre o prato da mesa rotativa “C”.
É importante ter em mente que a máquina virtual modelada aqui, tem a finalidade de simular as trajetórias de ferramentas e de fornecer parâmetros para o cálculo da cinemática inversa feito pelo pós-processador. Como discutido na Seção 2.5 do referencial teórico, o pós-processador pode gerar um programa
74 CNC com posicionamentos baseados no sistema de coordenadas da peça ou no sistema de coordenadas da máquina com os valores absolutos para cada junta. A Figura 46 mostra a caixa de diálogo Machine Parameters do Code Wizard, em que foi definida a geração do programa CNC em coordenadas da máquina com posições angulares dos eixos “A” e “C” (1). Outra definição importante foi com relação à velocidade de avanço Feedrate: Five axis inverse time (2). Esse modo de definir a velocidade de avanço em tempo inverso, ou seja, em minuto
-1, é
fundamental para o CNC Mach3, que não é capaz de calcular o avanço normal em milímetros por minuto em interpolações simultâneas de cinco eixos.
FIGURA 46 – Definição da saída do pós-processador em coordenadas da máquina
Outras definições relacionadas à sintaxe da linguagem de programação do Mach3 foram realizadas e finalmente a máquina virtual com o seu pós-processador foi compilada. Os arquivos
(1)
(2)
75
compilados foram copiados para a subpasta Machdef do diretório de instalação do EdgeCAM para permitir o uso da máquina virtual no ambiente de CAM.
A máquina virtual foi exaustivamente testada nas funções de simulador e pós-processador apresentando resultados confiáveis. Simulações de colisões foram realizadas envolvendo ferramenta, suporte, fixações, peça, mesa rotativa e carros. Nessas situações, o simulador apresentou mensagens e indicações visuais facilmente identificáveis pelo usuário. A Figura 47 apresenta a simulação com a máquina virtual em uma usinagem envolvendo cinco eixos simultâneos.
FIGURA 47 – Simulação de usinagem em cinco eixos simultâneos
76 5.2 Máquina virtual no SprutCAM
O acesso ao módulo construtor de máquinas do SprutCAM
surgiu apenas no final desta pesquisa de mestrado, sendo assim, a máquina virtual da fresadora Denford não foi concluída. No entanto, foram realizados estudos com máquinas virtuais que acompanham a instalação do software.
O sistema de CAM SprutCAM apresenta uma abordagem diferente ao computar em seu gerador de trajetórias, os posicionamentos das juntas, baseados no sistema de coordenadas da máquina. A abordagem convencional consiste em gerar um arquivo CLDATA baseado no sistema de coordenadas da peça e converte-lo em posições de juntas via pós-processador, conforme discutido na Seção 2.5 do referencial teórico. Dessa forma, o SprutCAM emprega o modelo da máquina virtual para processar as trajetórias de ferramentas e fazer simulações de usinagem.
O pós-processador do SprutCAM define apenas a sintaxe do programa CNC sem realizar cálculos geométricos como cinemática inversa e linearização. O pós-processador é visto aqui, como uma espécie de tradutor. Essa nova abordagem reduz a possibilidade de erros na fase de pós-processamento. De acordo com o que foi apresentado na Seção 2.6 do referencial teórico, o ideal é simular o programa CNC final, o mesmo que será executado pelo CNC da máquina real, todavia a simulação no SprutCAM se aproxima muito dessa condição mais confiável.
Assim como acontece com o Code Wizard do EdgeCAM, o módulo Machine Maker do SprutCAM permite a definição da configuração da cadeia cinemática, bem como, a importação da geometria dos elementos da máquina (Figura 48). Configurações cinemáticas complexas podem ser criadas para fresadoras horizontais e verticais com até 10 eixos de interpolação, bem como, para centros de torneamento, braços robóticos e máquinas de propósitos diversos com mais de 15 eixos.
O sistema CAM SprutCAM vem acompanhado de várias máquinas virtuais baseadas em marcas e modelos comerciais de centros de usinagem e torneamento. O usuário interessado em implementar modificações específicas ou construir um modelo
77
novo, pode partir de uma máquina virtual existente para encurtar etapas de trabalho. A homepage da Sprut Technlogies disponibiliza para download uma série de vídeos-tutoriais para esta finalidade.
FIGURA 48 – Módulo Machine Maker do SprutCAM
Uma vez definida, a máquina virtual é exportada para a biblioteca do SprutCAM para fins de geração de trajetórias e simulação. A Figura 49 mostra o centro de usinagem virtual de cinco eixos do fabricante Hurco no ambiente Machining do SprutCAM.
A simulação da usinagem pode ser acompanhada com a observação da movimentação da máquina virtual e dos comandos de posicionamento em coordenadas da máquina (Figura 50). No caso de colisão, o usuário é notificado e pode conferir os blocos de programação marcados com sinal de alerta. Para verificar entradas indesejadas da ferramenta ou sobra de
Elementos gráficos
Parâmetros, limites de curso
Configuração cinemática
78 material, há o recurso de comparação entre o resultado da usinagem virtual e o modelo CAD.
FIGURA 49 – Centro de usinagem virtual de cinco eixos em uso no SprutCAM
FIGURA 50 – Simulação em cinco eixos simultâneos com acompanhamento das posições das juntas em (1), e remoção de material em (2)
(1)
(2)
6 COMENTÁRIOS FINAIS
Esta dissertação abordou a tecnologia de usinagem em cinco eixos sob a restrição do custo. Questões fundamentais sobre a possibilidade de aplicação, por exemplo, na indústria de modelagem, foram levantadas, analisadas e soluções foram propostas.
No âmbito dos sistemas CAD/CAM, softwares foram testados, marcas e preços de licença, informações livremente encontradas na internet, foram mencionadas com intuito puramente acadêmico. Estes resultados, de modo algum, sugerem que determinado software é melhor que outro e muito menos, que constitui uma solução definitiva para aplicações de baixo custo. O mercado de sistemas CAD/CAM com recursos para cinco eixos passa por uma fase de grande expansão e forte concorrência. O leitor desta dissertação, interessado em um sistema de cinco eixos, pode usar os requisitos levantados e realizar a sua própria pesquisa de mercado.
Esta dissertação levantou a seguinte questão fundamental: considerando as atuais alternativas de mercado e as possibilidades de projeto, é realmente possível conceber um sistema mecatrônico de baixo custo para a usinagem em cinco eixos simultâneos? A resposta obtida ao final deste trabalho é que sim. Assim, como já aconteceu com os sistemas CAD/CAM/CNC de 2,5 e 3-eixos, os de cinco eixos chegaram a uma fase de popularização, permitindo a sua aplicação em áreas não tradicionais.
As seções seguintes sintetizam as principais conclusões obtidas nesta dissertação e os possíveis trabalhos de continuidade da pesquisa.
6.1 Conclusões
A integração de uma mesa rotativa basculante a uma
fresadora CNC convencional, como alternativa à entrada para a área de usinagem em cinco eixos, mostrou-se uma solução flexível, de boa precisão e de baixo custo.
80
O sistema de CAM SprutCAM integra recursos para geração de trajetórias, edição de pós-processador, pós-processamento, definição da máquina virtual e simulação cinemática. O SprutCAM foi o único que atendeu a todos os requisitos levantados para a área de modelagem. O requisito de baixo custo foi altamente determinante para o processo de seleção e excluiu um bom número de sistemas CAM com características semelhantes. Ainda, no que se refere aos sistemas CAM para cinco eixos, as pesquisas de mercado devem ser constantes, pois cada vez mais, novos produtos são lançados e bases de preços ajustadas.
A solução anti-backlash desenvolvida para a mesa rotativa mostrou-se eficaz, proporcionando valores de pré-carga dentro de uma faixa satisfatória. A posição angular com pior resultado, apresentou um jogo angular da ordem de 5 arco-segundos, valor muito próximo da resolução de comando que é de 4,5 arco-segundos ou 0,00125
o. Ensaios de verificação por atributos não
registraram a ocorrência de problemas como aquecimento do fuso, travamentos e movimentos irregulares. A elasticidade das correias sincronizadoras na transmissão inversora mostrou-se capaz de ajustar a pré-carga em função das imperfeições geométricas da coroa e das variações do processo sem ocasionar travamentos ou folgas excessivas.
6.2 Sugestões para trabalhos futuros A exatidão e a repetitividade da mesa rotativa basculante
devem ser testadas seguindo as recomendações da norma NBR NM-ISO 230, para avaliar a possibilidade de aplicações que exigem maior precisão que a modelagem.
Ainda, com o objetivo de qualificar o sistema proposto, fica a sugestão da realização de ensaios de usinagem com comparação entre a peça modelada e usinada. Ensaios de qualificação geométrica da mesa rotativa basculante por meio da usinagem de troncos de cone conforme recomendações da norma NAS 979. Assim como, um estudo comparativo do tempo de processamento de blocos entre o CNC Mach3 e um CNC de alto desempenho, com o intuito de se estabelecer os limites da
81
tecnologia de baixo custo na usinagem em cinco eixos simultâneos.
Sugere-se também um aperfeiçoamento do projeto da mesa rotativa para aplicações odontológicas, objetivando a fabricação de próteses e implantes dentários. Um estudo mais abrangente pode envolver toda a cadeia CAD/CAM/CNC da área odontológica visando uma solução integrada de baixo custo.
82
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89
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Modern Machine Shop. 1999.
90
APÊNDICE A - MESAS ROTATIVAS
Mesas rotativas para máquinas-ferramenta incorporam
mecanismos de elevada precisão e boa rigidez. Diferentes soluções para as funções de acionar, reduzir, transmitir torque, restringir movimento e medir posição angular podem ser encontradas, dependendo do fabricante e da aplicação.
O acionamento das mesas rotativas pode ser feito por meio de um servomotor acoplado a uma transmissão mecânica, geralmente um redutor de velocidade baseado em coroa e fuso “sem fim”, ou ainda, um redutor do tipo harmonic drive. Também são encontradas mesas com acionamento direto, isto é, sem transmissão mecânica. Neste caso, o alto torque requerido no prato da mesa é fornecido por um servomotor especial conhecido como direct drive.
Uma rápida pesquisa por meio dos mecanismos de busca da internet sugere que as mesas baseadas em coroa e fuso “sem fim” ainda predominam no mercado, apesar das vantagens do direct drive.
Nas subseções seguintes, são abordados os principais tipos de acionamento de mesas rotativas para máquinas CNC.
A.1 Redutor harmonic drive
A transmissão de movimento empregando redutores do tipo harmonic drive é mais comum em cabeçotes rotativos para fresadoras de quatro ou cinco eixos. São encontradas no mercado, mesas rotativas de pequeno porte baseadas nesse tipo de redutor (Figuras A.1 e A.2).
Os redutores do tipo harmonic drive conferem excelente exatidão no posicionamento angular, backlash mínimo ou nulo em alguns casos, boa capacidade de torque, e desenho compacto.
O princípio de operação do redutor harmonic drive baseia-se no engrenamento produzido pelo gerador de onda. O redutor é composto de três componentes fundamentais mostrados na Figura A.3.
92
O mecanismo de transmissão é composto de gerador de ondas (Wave Generator), engrenagem flexível (Flexspline) e engrenagem circular rígida (Circular Spline). A engrenagem flexível é deformada pelo gerador de ondas em uma forma elíptica que faz com que os dentes do diâmetro maior da elipse da engrenagem flexível se acoplem com aqueles da engrenagem circular rígida na direção do semieixo principal da elipse do gerador da onda.
FIGURA A.1 – Mesa rotativa basculante de pequeno porte baseada em
harmonic drive desenvolvida pela empresa Haas
Fonte: Haas Automation (2011)
FIGURA A.2 – Mesa rotativa basculante com redutores harmonic drive
desenvolvida pela empresa Techno
Fonte: Techno Inc. (2011)
93
FIGURA A.3 – Componentes principais de um redutor harmonic drive
Fonte: Harmonic Drive (2012)
A Figura A.4 ilustra o princípio de funcionamento de um harmonic drive contendo dois dentes a menos na engrenagem flexível. Quando o gerador de onda é rotacionado no sentido horário com a engrenagem circular fixa, a engrenagem flexível é submetida à deformação elástica e sua posição de acoplamento dos dentes move-se relativamente à engrenagem circular que está fixa. Quando o gerador de ondas gira 180 graus no sentido horário, a engrenagem flexível move-se no sentido anti-horário, um dente em relação à engrenagem circular fixa. Agora, o gerador da onda gira uma volta no sentido horário, e então a engrenagem flexível move-se dois dentes no sentido anti-horário em relação à engrenagem circular fixa. Isso ocorre, porque a engrenagem flexível tem dois dentes a menos do que a circular fixa.
FIGURA A.4 – Ciclo de funcionamento de um harmonic drive
Fonte: Adaptado de Harmonic Drive Systems (2010)
A boa capacidade de carga desse tipo de transmissão
deve-se ao fato de se ter até 30% dos seus dentes em contato
94
ao mesmo tempo. A Figura A.5 ilustra a abrangência do arco de contato.
FIGURA A.5 – Arco de contato simultâneo de um redutor harmonic drive
Fonte: Adaptado de Harmonic Drive (2012)
A aplicação do redutor harmonic drive exige um projeto
cuidadoso dos mancais. A Figura A.6 apresenta uma recomendação de projeto da empresa Harmonic Drive LLC.
FIGURA A.6 – Vista em corte de uma mesa com redutor harmonic drive
Fonte: Harmonic Drive (2010)
Dentes em contato
95
A.2 Redutor coroa e “sem fim” de precisão
As primeiras mesas rotativas controladas por CNC foram
desenvolvidas a partir de mesas divisoras manuais construídas com redutor do tipo coroa e “sem fim”. Atualmente, a maioria das mesas rotativas emprega a transmissão por coroa e “sem fim” devido à ampla experiência de aplicação dessa solução. A Figura A.7 apresenta um conjunto coroa e “sem fim” empregado em mesas rotativas.
FIGURA A.7 – Conjunto redutor composto de fuso “sem fim” e coroa
montada a mesa rotativa
Fonte: Tsudakoma (2011)
Alguns desenvolvimentos foram propostos sobre as tradicionais mesas divisoras empregadas em máquinas manuais para possibilitar o seu emprego em máquinas CNC e processos de maior capabilidade. Nesse sentido, pode-se destacar:
a) emprego de materiais mais nobres como aço liga temperado ou cementado no fuso “sem fim” e ligas especiais de cobre-estanho-alumínio na coroa;
b) substituição dos mancais de escorregamento por rolamentos de rolos cruzados;
96
c) incorporação de freio operado pelo CNC para travamento da mesa durante operações de desbaste pesados;
d) adição de mecanismos anti-backlash e de ajuste de folga entre os dentes da coroa e o “sem fim”.
Um conjunto coroa e “sem fim” padrão confere um bom
nível de precisão. Considerando uma mesa rotativa de 100 a 500 mm de diâmetro pode-se chegar a +/- 20 arco-segundos de exatidão. O que já pode ser considerado bem razoável para a mesa encarregada de rotacionar a peça (tipicamente o eixo C). Já a mesa que inclina a peça (eixo Tilt) fica sujeita a esforços maiores considerando que esta deve mover a peça em trabalho e o mecanismo que contem a mesa rotativa do eixo C.
Para obter certo controle sobre o backlash, diversas soluções foram desenvolvidas e aprimoradas pelos fabricantes de mesas rotativas, a saber:
a) ajuste da distância entre centros através de bucha excêntrica nos mancais do “sem fim”;
b) fuso “sem fim” cônico; c) dual lead ou duplex (Flancos com passo diferente); d) coroa dividida com mola de pré-carga; e) fuso “sem fim” globoidal dividido - Sistema Cone drive®; f) fuso “sem fim” dividido – Sistema OTT®. A solução que emprega o ajuste da distância entre centros
é a mais simples e tem sido usada com maior frequência em mesas divisoras manuais pelo baixo custo e facilidade de uso e manutenção. No lugar de um suporte de mancais fixo monta-se uma bucha excêntrica que contêm os rolamentos que suportam o fuso “sem fim” (Figura A.8). Ao girar a bucha excêntrica afasta-se ou aproxima-se o fuso “sem fim” da coroa.
O ajuste da distância entre centros via rotação de um suporte de mancal excêntrico gera uma nova condição de contato entre o fuso e a coroa. O eixo do fuso fica ligeiramente deslocado em relação ao plano médio (meia espessura) da coroa. Normalmente, a vida útil e a capacidade de carga são reduzidas com o uso desse método de ajuste. Não é comum encontrarmos essa solução sobre uma mesa rotativa automática ou operada por CNC.
97
FIGURA A.8 - Ajuste da distância entre centros por bucha excêntrica.
No sistema Dual lead ou Duplex temos um fuso “sem fim”
com uma construção especial. Flancos com passos diferentes são produzidos sobre o fuso. Os flancos dos dentes de um fuso Duplex são retificados com diferentes módulos, isso resulta em um gradiente dos ângulos de hélice para os dois flancos de tal modo que, a espessura do dente e a largura do vão mudem continuamente ao longo do “sem fim” (Figura A.9).
O ajuste do backlash é realizado através do deslocamento axial do fuso “sem fim” de modo que os dentes mais espessos do “sem fim” forcem contato com a coroa. Esse ajuste pode ser realizado com o tempo com excelente controle sobre a folga sem que altere as condições de contato entre flancos coroa - “sem fim”, previstas em projeto.
Esse princípio de solução tem sido o preferido entre os fabricantes de mesas rotativas com modelos baseados em coroa e “sem fim”.
Outra solução encontrada é aquela em que a coroa é dividida em duas metades que são unidas novamente, mas com certa defasagem entre os seus dentes. A diferença de fase entre os dentes é mantida através de molas de pré-carga embutidas no corpo da coroa (Figura A.10).
Ação de ajuste do backlash
98
FIGURA A.9 - Sistema de ajuste de backlash com fuso “sem fim” tipo Duplex
Fonte: Adaptado de TJR Precision Technology Co (2010)
FIGURA A.10 - Coroa dividida com suas molas de pré-carga
Fonte: Ondrives Ltd. (2010)
Deve-se considerar a reduzida capacidade de carga dessa
solução visto que, em condições mais severas, apenas metade da coroa está transmitindo torque. A aplicação dessa solução é restrita às mesas rotativas metrológicas, ópticas ou operações com baixa carga.
Mola de pré-carga
99
Um sistema desenvolvido pela empresa americana Cone Drive™ emprega um fuso “sem fim” globoidal dividido. Esse desenho do fuso aumenta consideravelmente a capacidade de carga da transmissão em consequência do maior número de dentes em contato simultâneo.
O ajuste do backlash é promovido pela regulagem da pré-carga entre as duas metades do fuso “sem fim”. A Figura A.11 mostra a divisão do fuso e capacidade de regulagem da pré-carga por meio do deslocamento axial do suporte de mancal esquerdo. Segundo o fabricante Cone Drive (2011) esse sistema permite backlash nulo.
FIGURA A.11 - Fuso “sem fim” globoidal dividido
Fonte: Adaptado de Cone Drive (2011)
Dentre as soluções que empregam fuso “sem fim” dividido temos ainda o sistema da empresa alemã OTT™. A Figura A.12 ilustra o sistema.
Junção das metades do fuso “sem fim”
Ajuste de backlash
100
FIGURA A.12 - Conjunto fuso “sem fim” e coroa da OTT®
Fonte: Zahnradfertigung OTT GmbH (2011)
De forma semelhante à solução da Cone Drive®, a OTT® propõe o deslocamento axial de uma das metades do fuso “sem fim” para ajustar uma pré-carga de engrenamento. Segundo o fabricante de mesas rotativas Matsumoto Machine Co., é possível a obtenção de backlash nulo. Um backlash padrão de trabalho fica entre 3 e 8 µm (MATSUMOTO, 2010). A Figura A.13 apresenta um conjunto de transmissão para mesa rotativa CNC.
FIGURA A.13 - Conjunto pré-montado para mesa rotativa CNC da MMK™
Fonte: Matsumoto (2010)
Outra característica importante dessa solução é a
possibilidade de se obter grandes razões de redução. Enquanto
101
que, no sistema Duplex a redução máxima é de 60:1, no OTT® podemos chegar a 180:1 (MATSUMOTO, 2010).
A.3 Acionamento com servomotor direct drive
Mesas rotativas construídas a partir de servomotores do
tipo direct drive não empregam elementos mecânicos de redução de velocidade. Os sistemas de acionamento direto acoplam a carga diretamente ao motor sem uso de correias ou engrenagens, eliminando definitivamente o problema do backlash, comum em redutores mecânicos.
O servomotor direct drive tem desenho compacto que otimiza o aproveitamento de espaço na construção da mesa rotativa. A Figura A.14 mostra um módulo direct drive comercial para aplicação em mesas rotativas.
FIGURA A.14 - Servomotor direct drive da Loadpoint™ para mesa rotativa
Fonte: Loadpoint Bearings Limited (2012)
O acionamento por direct drive apresenta uma série de
vantagens, como: a) alto torque disponível diretamente sobre o eixo do motor
(NSK, 2004);
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b) excelente resposta dinâmica (CNCROTARY, 2010) para mesas CNC com ciclos intermitentes ou interpolações simultâneas de quatro ou cinco eixos;
c) backlash nulo; d) ilimitado número de voltas; e) desenho compacto; f) alta resolução (limitada apenas pelo encoder
empregado); g) alta precisão de posicionamento; h) baixa manutenção; i) ausência de desgaste (comum em redutores
mecânicos); j) operação limpa, livre de graxas e óleos; k) baixa flutuação de velocidade e torque - movimentos
suaves.
A precisão de posicionamento angular das mesas rotativas com direct drive pode variar em função do tamanho da mesa, tipo de mancal empregado e outras características próprias de cada fabricante. Resoluções de 0,1 arco-segundo, repetitividade de 0,2 a 2 arco-segundos e exatidão de 10 arco-segundos podem ser obtidos com certos modelos comerciais (AEROTECH, 2010; INTELLIDRIVES, 2010).
A tecnologia direct drive apresenta como desvantagens o elevado custo de aquisição, emprego de um drive especializado e a necessidade de um freio de segurança. Diferentemente das mesas com redutor coroa e “sem fim”, as com direct drive não são autotravantes ou irreversíveis. Freios eletromagnéticos de segurança do tipo normal fechado são empregados para evitar que a mesa gire sem controle no caso de desligamento da máquina.
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