ALTERNATIVAS DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS DEAUXÍLIO À PROGRAMAÇÃO CNC

Leandro Costa de OliveiraDepto. de Fabricação e Projeto de Máquinas - Núcleo de Automação e Processos de FabricaçãoCentro de Tecnologia - Universidade Federal de Santa Maria - 97119-900 - Santa Maria - RS

Anatólio LaschukCurso de Pós-Graduação em Ciência da Computação - Instituto de Informática

Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Porto Alegre - RS

Luiz Fernando Soares CamargoDepto. de Fabricação e Projeto de Máquinas - Núcleo de Automação e Processos de FabricaçãoCentro de Tecnologia - Universidade Federal de Santa Maria - 97119-900 - Santa Maria - RS

ABSTRACT

This work deal with alternatives of computational systems of aid to programing of CNCmachines tools. The CAD/CAM systems commercially disposables presents high cost asaquisition as training, and require betters computers. To permit the use of tools aid CNCprograming for especific cases, are presented in this article alternatives for 2 and 3-axismachines, as lathes and milling machines. Methods of CNC programs generation of geometriesgenerated in CAD systems and methods based in development of especifics modelers areproposed. Also, are proposed methods of programs CNC simulation of lathes and millingmachines. The systems implemented presented satisfy results of the proposed objectives.

Keywords: CNC Programming, CNC Simulation, CNC Tool Path Generation

1. Introdução

O uso de máquinas-ferramentas com Comando Numérico Computadorizado (CNC) temsido muito difundido na indústria atual devido aos grandes avanços que esta tecnologiaproporcionou, permitindo maior flexibilidade, qualidade e precisão na fabricação de peças porremoção de material. Mas a principal vantagem oferecida pelo uso do Comando NuméricoComputadorizado foi a possibilidade de obtenção de geometrias mais complexas através deusinagem. Desta forma, tornou-se possível a fabricação de peças mais leves com a qualidadeexigida na indústria aeronáutica e automobilística. Em muitos casos, a ampliação de geometriaspossíveis de serem produzidas possibilitou a redução de peso e volume das peças, o que se traduzem economia de material e consequentemente redução de custos.

A elaboração dos programas CNC caracteriza-se por uma tarefa bastante criteriosa, poisum programa bem elaborado pode proporcionar maior qualidade ao produto usinado, maior vidaà ferramenta, menor tempo de produção, entre outras tantas vantagens. Por outro lado, a nãoobservância de certos detalhes pode ter efeito contrário, uma vez que trata-se de um processoautomatizado onde a máquina executa as operações anteriormente programadas. Por esta razãomuitos estudos são realizados visando dar auxílio à programação CNC, de modo a contribuir na

seleção de ferramentas, na determinação de condições de corte, no planejamento do processo defabricação, ou simplesmente, reduzindo os erros de programação. Segundo Voelckler, apudMortenson(3), dois caminhos foram claramente definidos: o desenvolvimento de sistemas desimulação e verificação de programas CNC e implantação de algoritmos para a geraçãoautomática de programas CNC através da interpretação geométrica. Todos estes recursos estãosendo incorporados nos modernos sistemas CAD/CAM, tornando-os mais versáteis e mais caros.

Neste trabalho são apresentadas algumas alternativas aos sistemas CAD/CAM oferecidoscomercialmente, que em geral, tem como problemas, o alto custo para aquisição, os custos extraspara treinamento, a necessidade de computadores mais velozes, etc. O artigo propõe algunsmétodos para o desenvolvimento de sistemas de auxílio à programação CNC para finsespecíficos, com resultados bastante satisfatórios.

2. Programação CNC

A elaboração de um programa CNC é uma tarefa bastante minuciosa pois envolve umasérie de dados relacionados com a geometria da peça a ser produzida, com tipo de máquina a serutilizada, com as ferramentas disponíveis e ainda todos os fundamentos de usinagem para aobtenção de um produto final com todas as características desejadas. Sendo assim, é umaatividade extremamente importante, que deve ser executada por pessoal experiente e capacitadonesta área.

Queiroz e Stemmer(6), em 1986, classificaram os métodos de programação CNC em:programação manual, programação do tipo APT, sistemas gráfico-interativos e sistemasCAD/CAM.

Nos dias de hoje, com as vantagens oferecidas pelos sistemas computacionais, tem-seduas situações: programação em linguagem manual, com códigos padronizados pela norma DIN66025 ou programação assistida usando linguagens do tipo APT. Os dois tipos podem estarembutidos em sistemas CAD/CAM.

Todo programa CNC começa a ser elaborado a partir de um desenho da peça a serproduzida. O programador, ou um sistema de auxílio, deve então definir a forma de fixação dapeça, a seqüência de operações a ser executada, as ferramentas que serão utilizadas e as condiçõesde corte. A próxima etapa trata-se da codificação do programa que pode ser diretamente noscódigos de programação da máquina CNC ou então em uma linguagem do tipo APT que deveráposteriormente ser processada para a geração das posições da ferramenta (CLDATA - CutterLocation Data). Após a codificação do programa, é conveniente usar um recurso de simulaçãopara verificar não só os erros de sintaxe, como também alguma movimentação perigosa nãopercebida anteriormente. Executada e aprovada a simulação, pode-se realizar testes na máquina,fazendo inicialmente uma usinagem com uma peça de prova para posteriormente considerar oprograma como pronto e aprovado.

3. Criação/Edição dos Modelos Geométricos

Os desenhos das peças, que no passado eram realizados na prancheta, hoje são executadosem sistemas computacionais de edição gráfica, os sistemas CAD, Sistemas de Projeto Auxiliadopelo Computador. Com este recurso tornou-se mais rápido e prático documentar os projetos. Comisso, os desenhos de vistas planas deram lugar a criação de modelos geométricos com aincorporação de diversas características das peças. Estes modelos podem, então, ser analisados

com relação às solicitações mecânicas e/ou térmicas em sistemas computacionais de análise porelementos finitos, podem ser visualizados de diversas formas para orientar o projetista ou oprofissional que irá definir seu plano de fabricação, ou ainda podem ser utilizados por Sistemasde Manufatura Auxiliada por Computador, os sistemas CAM, para a geração da trajetória daferramenta na usinagem desta peça.

Os sistemas CAD oferecem inúmeras vantagens ao desenhista para agilizar seu trabalho,mas um dos pontos interessantes é a padronização gráfica, que permite que vários editoresgráficos interpretem um desenho armazenado num arquivo padrão. Basicamente foram criadospadrões de interfaceamento gráfico, cuja estrutura é conhecida possibilitando o desenvolvimentode programas que interpretem estas informações.

Com as informações padronizadas, os sistemas CAM podem interpretar uma determinadageometria. Da mesma forma, podem ser desenvolvidos programas que façam esta tarefa e se nãoexecutam todo o trabalho de reconhecimento de forma e geração da trajetória da ferramenta,podem servir, de forma interativa, de uma importante ferramenta para o programador. Observa-se, portanto, que a interpretação geométrica dos arquivos gráficos pode contribuir para aelaboração de programas CNC, através do desenvolvimento de sistemas computacionais para estefim.

Uma outra possibilidade é o desenvolvimento de modeladores geométricos específicos,ou ainda, direcionados a famílias de peças com características definidas. Os modeladores devemdispor de uma interface que permita a criação de um modelo geométrico e associar àsinformações gráficas, algumas informações tecnológicas de interesse para a posterior geração doprograma CNC.

Neste trabalho serão apresentadas estas duas situações, a geração de trajetórias deferramenta para tornos a partir de geometrias criadas em CAD e a geração de trajetórias deferramenta para fresadoras a partir de geometrias criadas em um modelador de superfíciesparamétricas.

4. Métodos Propostos

Nesta seção são apresentados alguns métodos alternativos para o auxílio à programaçãoCNC. São propostos métodos de geração de trajetórias de ferramentas e métodos de simulação deprogramas CNC para máquinas de 2 e 3 eixos, no caso tornos e fresadoras.

4.1. Geração de Programas CNC para 2 Eixos

As máquinas de 2 eixos consideradas neste estudo são os tornos, que são destinados àfabricação de peças de revolução, onde a peça tem movimento rotativo e a ferramenta produz umdeterminado perfil com movimentos longitudinais ou tranversais, que podem ser combinadospara obtenção de perfis cônicos ou com arcos. Para esta situação foi implementado um sistemachamado FURBOCAM, que permite a geração de programas CNC partindo de geometrias criadasno programa AutoCAD.

O editor AutoCAD, através de sua linguagem de programação AutoLISP, permite acriação de rotinas personalizadas. Usando este recurso, desenvolveu-se uma rotina para a seleçãode entidades geométricas que definem o perfil da peça a ser usinada no torno. Com isso pode-seutilizar os desenhos das peças sem nenhuma preparação, bastanto selecionar o perfil da peça como uso do mouse. A rotina chamada usinar, então, cria um arquivo de interfaceamento gráfico,

padrão DXF (Drawing eXchange File), com as entidades que determinam o perfil da peça. Osistema FURBOCAM, que é um programa implementado em Turbo Pascal, lê este arquivo DXFe identifica a geometria, conforme figura 1, que para este domínio de peças apresenta simetria,sendo que a metade de todo o contorno é o perfil final da peça. Este perfil final dá origem àtrajetória final da ferramenta referente à usinagem de acabamento.

Quanto à usinagem de desbaste, existem alguns algoritmos que estruturam esteprocedimento. Por exemplo, para geometrias de formas crescentes, com seções crescentes dadireita para a esquerda, usa-se um ciclo de torneamento longitudinal onde são informadas asdimensões finais de um torneamento cilíndrico. Para situações com cavidades, ou outro tipo degeometria, basta definir uma certa estratégia, ou seja, uma seqüência de movimentos para umdeterminado tipo de geometria e associar com os dados interpretados do arquivo deinterfaceamento. Obviamente, este método se torna mais complicado a medida que as peças vãoadquirindo maior complexidade. Há a necessidade de considerar uma maior variedade degeometrias de ferramentas para poder associar seus movimentos necessários para a produção deum determinado perfil de peça. Mas para aplicações mais simples é um método relativamentefácil de implementar usando recursos básicos de geometria.

Embora não implementada neste estudo, pode-se abstrair desta idéia sua aplicação paraoutros tipos de máquinas-ferramentas que trabalho com 2 eixos, como é o caso das máquinas decorte (p. ex.: puncionadeiras) e as de furação. Para estes casos, também uma vista plana permite ainterpretação da geometria que associada com as ferramentas disponíveis pode proporcionar ageração da trajetória da ferramenta para usinagem de uma determinada peça.

4.2. Simulação de Programas CNC para 2 Eixos

A simulação de programas CNC é uma etapa fundamental para a sua aprovação. Comeste procedimento evita-se um grande risco de dano às ferramenta e/ou máquinas-ferramentasalém de gasto de material em uma situação preparatória.

Para o caso de máquinas de corte ou de furação, o desenho da trajetória da ferramenta éum grande meio de verificar a qualidade do programa CNC produzido. Pode-se desenhar, na telado computador, círculos de dimensões proporcionais às seções das ferramentas e com isso ter umresultado bem compreensível.

Figure 1: Identificação do perfil peloprograma FURBOCAM

Para o caso de tornos, onde há a produção de peças de revolução, um método interessanteé o apagamento da tela, como proposto por Oliveira e Camargo(5), com seu SDCNC.

O sistema mostrado na figura 2 utiliza a representação plana de uma peça cilíndrica, umretângulo preenchido, com ponto de partida. Este retângulo tem as dimensões do material brutoque será usinado. A partir disso, o programa CNC é lido e cada comando é visualizado, sendoque aqueles que promovem a movimentação da ferramenta representados pela movimentação deum polígono com o perfil proporcional da ferramenta. Nesta movimentação, este polígono apagaas regiões do retângulo onde há interferência, ou seja, onde há uma sobreposição do movimentoda ferramenta com as regiões do retângulo. Na tela, ficam acesas as regiões não atingidas pelamovimentação do polígono ferramenta. Ao final do programa CNC, resta a geometria da peçaacabada. Com este recurso pode-se verificar não só a questão dimensional como também osaspectos da seqüência da movimentos programados com vários tipos de ferramentas.

3. Geração de Programas CNC para 3 Eixos

A geração de trajetórias de ferramentas para usinagens em máquinas de 3 eixos, comofresadoras e centros de usinagem, é uma operação bem mais complexa que a descrita para tornos.Neste caso, as ferramentas rotativas têm movimento em 3 eixos e portanto há uma movimentaçãono espaço, considerando 3 dimensões. Por esta razão, há uma maior dificuldade de prever asdiversas situações possíveis, o que certamente incha qualquer programa de auxílio à geração detrajetórias de ferramentas para este caso. Entretanto, para situações com um domínio de peçascom algumas restrições, torna-se bastante viável a implementação de sistemas alternativos, maissimples, com bons resultados.

O trabalho implementado por Oliveira(4) é um exemplo de sistema de geração de trajetóriade ferramentas para uma situação específica. Neste estudo, o autor define como domínio de peçasas superfícies paramétricas construídas com a forma Bézier. Para isso, foi implementado ummodelador, conforme figura 3, que cria as superfícies a partir do posicionamento de 16 pontos decontrole.

Tendo o modelo geométrico definido por seus 16 pontos de controle, é possível criar umasuperfície poliédrica formada por vários polígonos triangulares. A partir disso, cabe então adefinição da estratégia de usinagem adotada, que para o caso proposto foi dividida em duasetapas: desbaste, realizado com uma fresa cilíndrica e acabamento, realizado com uma fresa de

Figure 2: Simulação Gráfica de Torneamento

extremidade semi-esférica. A seleção das ferramentas utilizadas tem um método próprio tambémdiscutido no trabalho citado.

A operação de desbaste é realizada em ziguezague, em planos de corte, sendo sua criaçãovinculada às dimensões máximas de usinagem e à profundidade máxima de corte recomendada àferramenta. Para cada plano de corte há uma trajetória a ser executada, sendo que em cavidades atrajetória é realizada em ziguezague até o contorno obtido pela intersecção do plano de corte coma superfície poliédrica. Para o caso de protrusões, a usinagem é externa à superfície e há ocuidado para definir os limites da movimentação em ziguezague pois a superfície poliédrica émenor que a superfície paramétrica inicial.

Já a operação de acabamento, na aplicação com superfícies de forma livre, tem anecessidade de movimentos em ziguezague, porém com um espaçamento relativamente pequenoem função da rugosidade desejada. Nesta etapa são criadas trajetórias paralelas que vãointerseptarem os polígonos da superfície e determinar os pontos de contato da ferramenta, oCCDATA (Cutter Contact Data). Nestes pontos são considerados os vetores normais à superfíciedaí determinados, com o raio da ferramenta, as posições da ferramenta, o CLDATA (CutterLocation Data). Estas posições da ferramenta, ordenadas em trajetórias em ziguezague, formam atrajetória da ferramenta para reproduzir a superfície paramétrica.

4.4. Simulação de Programas CNC para 3 Eixos

Para a simulação de programas CNC em 3 Eixos, pode-se usar diversos métodos. Hsu(1)

propôs um simulador baseado na projeção isométrica, Wang(7) usou um sweep translacional pararepresentar a alteração na peça pela movimentação da ferramenta. Marshall e Griffiths(2) usaramuma superfície poliédrica construída por vértices de uma malha retangular. O método propostoneste trabalho considera um mesmo tipo de definição da superfície da peça, formado por umamalha poliédrica, conforme figura 4.

A movimentação da ferramenta, de extremidade semi-esférica, é composta por umaentidade geométrica formada por um quadrante de esfera em cada limite do movimento e umvolume varrido por uma semicircunferência entre os dois limites do movimento, segundo atrajetória determinada.

Figure 3: Modelador de Superfícies Bézier

A verificação se os vértices da malha são interseptados pela ferramenta é feita calculandopara cada comando, que representa um movimento, o volume varrido pela ferramenta. Verifica-se, então, todos os vértices que são interseptados e altera-se sua altura.

Ao final, tem-se a reconstrução da malha com os vértices em alturas diferentes,correspondendo à usinagem realizada.

5. Conclusões

Conforme comentado anteriormente, este trabalho buscou apresentar alguns métodos deauxílio à programação CNC, visando encorajar o desenvolvimento de sistemas específicos comcusto reduzido. Os métodos descritos foram implementados por estes autores e demonstraramresultados satisfatórios para as aplicações propostas. Verificou-se, portanto, a viabilidade de seudesenvolvimento. Cabe ressaltar que para aplicações mais complexas os sistemas CAD/CAMdisponíveis no mercado são as soluções mais indicadas. Vale lembrar que o nível decomplexidade das peças está intimamente ligado com a resolução necessária ao modelogeométrico e consequentemente ao custo computacional, seja no que diz respeito a memóriaconsumida ou velocidade de processamento.

6. Bibliografia

1. Hsu, P-L. Real-time 3D simulation of 3-axis milling using isometric projection. Computer-Aided Design, v. 25, n. 4, Abr. 1993. p. 215-224.

2. Marshall, S., Griffiths, J. G. A new cutter-path topology for milling machines. Computer-Aided Design, v. 26, n. 3, March/1994. p. 204-214.

Figura 4: Simulação de operação deacabamento

3. Mortenson, M. Geometric Modeling. New York: John Wiley & Sons, 1985. 763 p.

4. Oliveira, L. C. de Um Sistema de Geração de Trajetórias de Ferramentas em 3 Eixos. Porto Alegre: CPGCC-UFRGS, 1997. Dissertação de Mestrado.

5. Oliveira, L. C. de, Camargo, L. F. S. SDCNC - Simulador Didático de Programas CNC -Módulo para Tornos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA

MECÂNICA - COBEM, XII, 1993, Brasília. Anais. Brasília: ABCM, 1993.

6. Queiroz, A. A., Stemmer, C. Cenário da Programação CN - Da Programação Manual aoCAD/CAM. In: SIMPÓSIO SOBRE CAD/CAM - REVISÃO DA SITUAÇÃO

BRASILEIRA, 1986, São Paulo. Anais. São Paulo: SOBRACOM, 1986.

7. Wang, W. P., Wang, K. K. Geometric modeling for swept volume of moving solids. IEEE Computer Graphics & Applications, v. 6, n. 12, Dec. 1986. p. 8-17.