automaÇao cadcam
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IST / DEEC / SSC
CAD/CAM e Máquinas CNC
Prof. Paulo Oliveirapjcro @ isr.ist.utl.pt
Tel: 21 8418053 ou 2053 (interno)
LEEC / MEEC 2005-2006
AutomaAutomaçção ão de de
Processos IndustriaisProcessos Industriais
http://www.isr.ist.utl.pt/~pjcro/cadeiras/api0506/api0506.html
Docentes:
Prof. Pedro Limapal @ isr.ist.utl.pt
Tel: 21 8418274 ou 2274 (interno)
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Cap. 4 - GRAFCET (Sequential Function Chart) [2 semanas]... Cap. 5 – CAD/CAM e Máquinas CNC [1 semana]
Metodologia CAD/CAM. Tipos de máquinas CNC.
Métodos de Interpolação para geração de trajectórias.
Utilização em células de fabricação flexível.…Cap. 6 - Sistemas de Eventos Discretos [2 semanas]
Automação de Processos Industriais
Programa da Cadeira:Programa da Cadeira:
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Alguns ponteiros acerca de CAD/CAM e CNCAlguns ponteiros acerca de CAD/CAM e CNCResenha histórica: http://users.bergen.org/~jdefalco/CNC/history.html
Tutorial: http://users.bergen.org/~jdefalco/CNC/index.htmlhttp://www-me.mit.edu/Lectures/MachineTools/outline.htmlhttp://www.tarleton.edu/~gmollick/3503/lectures.htm
Editores (CAD): http://www.cncezpro.com/http://www.cadstd.com/http://www.turbocad.comhttp://www.deskam.com/http://www.cadopia.com/
Bibliografia: * Computer Control of Manufacturing Systems, Yoram Koren,McGraw Hill, 1986.* The CNC Workbook : An Introduction to ComputerNumerical Control by Frank Nanfarra, et al.
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
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Conceito
Ferramenta
Objectivos do CAD/CAM e CNCObjectivos do CAD/CAM e CNC
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Protótipo
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Resenha HistResenha Históóricarica
Percursores do CNC
1947 – Necessidades da Força Aérea Americana levaram John Parsons a tentar desenvolver uma máquina para produzir uma peça descrita por uma função 3D.
1949 – Contrato com a Parsons Corporation para implementar o método proposto.
1952 – Demonstração no MIT de um modelo de uma máquina ferramenta (NC)capaz de produzir peças utilizando interpolação simultânea em vários eixos.
1955 – Aparecem os primeiros modelos comerciais de máquinas NC.
1957 - NC começa a ser a aceite pela indústria, com a instalação das primeiras máquinas a entrar em produção
197x - Com o aparecimento dos micro-processadores surgiu depois o CNC.
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EvoluEvoluçção a passos largos...ão a passos largos...
CAD/CAM e CNC
• Modificação de máquinas ferramentas existentes comsensores e sistemas de avanço automático
• Utilização de sistemas de controlo em cadeia fechada para controlo dos eixos.
• Incorporação dos avanços em sistemas computacionais nas máquinas CNC
• Utilização de sistemas de geração de trajectórias baseadosem algoritmos de interpolação de precisão elevada
• Utilização de sistemas CAD para desenho de peças egeração de programas para as máquinas CNC
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Objectivos:
• Aumentar a precisão, repetibilidade e a capacidade para introduzir alterações
• Aumentar volume de produção
• Reduzir custos de produção
• Diminuir desperdícios devido a erros e fadiga
• Efectuar tarefas mais complexas, que seriam impossíveis sem CNC
• Aumentar precisão das peças efectuadas
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Vantagens:
• Reduz tempo para entrega de peças
• Reduz custos associados a peças e outros auxiliares
• Reduz problemas de armazenamento
• Menor tempo para começar a produção
• Menor tempo de maquinação
• Diminui tempo desde desenho/redesenho até produção
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Limitações:
• Investimento inicial elevado (30.000 a 1.500.000 de euros)
• Manutenção exigente e especializada
• Não elimina completamente os erros humanos
• Necessita operadores mais especializados
• Não tem vantagens tão evidentes para séries pequenas e muito pequenas
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Metodologia CAD/CAM
Usar base de dados técnica nos passos de desenho e produção. Informação de peças, materiais, ferramentase máquinas é integrada.
CAD (Computer Aided Design) Efectuar o desenho de peças assistido por computador
CAM (Computer Aided Manufacturing)Gerar programas que podem ser utilizados em CNC
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IST / DEEC / SSC Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
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Ferramentas:
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Ferramentas:
Atenção às restrições dosmateriais envolvidos!...
* Velocidade de avanço
* Velocidade de rotação
* Tipo de ferramenta
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Ferramentas:
Especificidade das ferramentas para efectuar diferentes operações.
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Ferramentas: Qualidade no acabamento de superfície (µm)
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
0.5
PolirQuinar
Desgaste ElectrolíticoExtrudir com rolosAfiar
Alargar (furos)Feixe de ElectrõesCorte a LaserCorte ElectroquímicoTornear
PerfurarMaquinação QuímicaDescarga EléctricaFrezar
Cortar por ChamaSerrarAplainar
50 25 12 6 3 1.5 .8 .4 .2 .1 .05 .025 .0125Método
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Ferramentas: capacidade de desbaste
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Áreas de maior aplicação industriais:
• Aeroespacial
• Maquinaria
• Electricidade (fabrico de placas)
• Automóvel
• Instrumentação
• Moldes
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
A evolução do Controlo Numérico
• Numerical Control (NC)• Dados enviados por papel ou via porta série• Máquina NC não efectua cálculos• Interpolação por hardware
• Direct Numerical Control (DNC)• Computador central contral várias máquinas DNC ou CNC
• Computer Numerical control (CNC)• Pôr um computador na máquina ferramenta• Cálculos e interpolação efectuados localmente
•Distributive numerical control • scheduling• controlo de qualidade• monitorização
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Controlo Numérico
Arquitetura de um sistema NC
Cadeia aberta
Cadeia fechada
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caixa sem-fim mesa
motorpasso a passo
referência
caixa sem-fim mesa
motorDC
referênciaDAcontrolador
encoder
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
InterpolaçãoMotivação: integração numérica
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
t∆t
∆p
p
p(t)
∑∫ =∆≅=
k
i i
ttpdptz
10)()( ττ
Área da função
Introduzindo zk, como o valor de z em t=k∆t
tpzzztptpz kkkkkk
i ik ∆=∆∆+=∆+∆= −−
=∑ ,11
1
O integrador funciona a um ritmo f=1/∆t e a função p é aproximada por:
kkk ppp ∆±= −1
Para que o integrador possa ser implementado com registos de n bits tem de se ter que pk<2n .
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Implementação de umDigital Differential Analyzer
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p register
adder
q register
∆z+∆p
−∆p
f
A entrada para o registo p é +1, 0 ou –1.
O registo q acumula os valores da integração da área
.1 kkk pqq += −
Se o valor do registo q fôr superior a (2n-1), ocorre um overflow e ∆z=1:
kn
k pz −=∆ 2Definindo C=f/2n, e tendo em conta que f=1/∆t:
tCpz kk ∆=∆
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
Passo q ∆z Σ ∆z-------------------------------------------1 5 02 2 1 13 7 14 4 1 25 1 1 36 6 37 3 1 48 0 1 59 5 5
... 1 2
4 8 12 16
5
0
10
f
∆p∆t
∆zf0
nkk
fCondeCptzf
2,0 ==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∆∆
=
Seja q=5 e utilize-se um registo de 3 bits
DDA para Interpolação Linear:
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Desaceleração Exponencial:
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Seja
O diferencial de p(t) é (aproximado)
( ) αt0eptp −= .0
tk eCpCp
tz α−==
∆∆
e,
tpp k ∆=∆− α
Ajustando C=α,
zp ∆=∆−
f
−∆p ∆zf0
+∆p
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
Time iterations
p(t)
pk
∆ zp(t)
Exemplo: p(t)=15e-t
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Interpolação Circular:
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Seja
O diferencial é
( ) 222 RYRX =+−( )( )
( )tRtR
YX
ωω
sincos1−
==
ou
( )( )
( )( )( )( )ωtRsindωtRcosd
dtωtωRcosdtωtωRsin
dYdX −
==
==
0 5 10 15-15
-10
-5
0
X
Y
pkp(t)
Exemplo: Circunferência de raio 15,centrada na origem.
−∆p X+∆p
−∆p ωRcos(ωt)dtY
ωRsin(ωt)dt
Clock
+∆p
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
DDA Completo
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X−∆p+∆p
Y
L
C
C
L
−∆p+∆p
circular linear
−∆p+∆p
desaceleração
f
f0
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Controlo de Máquinas CNC
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
caixa sem-fim mesa
motorDC
referênciaDAcontrolador
encoder
Modelo da dinâmica de um loop de controlo
fref
s1
1
2
kk
DAk
Ts
sk
τ+11
gk
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
Passos para a execução de uma peça
A) Leitura de desenhos técnicos
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
B) Escolha da máquina mais adequada ou dos diferentes estádios de maquinação mais convenientes
Tendo em conta:
• O espaço de trabalho de cada máquina e da peça a efectuar
• As opções disponíveis em cada máquina
• As ferramentas disponíveis
• A fixação necessária para as peças
• As operações que cada máquida pode efectuar
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
C) Escolha do conjunto de ferramentas mais convenientes
Tendo em conta:• O material a ser maquinado e as suas características
• O uso de ferramentas standard reduz o seu custo
• Qualidade da peça para fixação deve ter a ver com o número de peças a efectuar
• Utilizar sempre a ferramenta certa para a operação desejada
• Existem freeamentas de backup e em armazém
• Ter em consideração que ferramentas longas se podem deformar
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
D) Dados de Corte
• Spindle Speed – velocidade de rotação da ferramenta (RPM)
• Cutting Speed – velocidade de rotação de desbaste da ferramenta ou da peça a maquinar (RPM)
• Feedrate – velocidade linear de desbaste (mm por minuto)
• Depth of Cut – quanto está a ferramenta a desbastar em z (mm)
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
E) Escolha do plano de interpolação, em máquinas 2D 1/2
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
F1) Sistema de unidades
Em polegadas (G70) ou em milimetros (G71).
F2) Modos de comando*
Absoluto – em relação ao sistema de coordenadas (G90)
Relativo – deslocamento em relação ao ponto actual (G91)
* Existem outros métodos de comando, por exemplo helicoidal.
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Programação CNC
G) MANUAL DATA INPUTN Sequence NumberG Preparatory FunctionsX X Axis CommandY Y Axis CommandZ Z Axis CommandR Radius from specified centerA Angle ccw from +X vectorI X axis arc center offsetJ Y axis arc center offsetK Z axis arc center offsetF FeedrateS Spindle speedT Tool numberM Miscellaneous function
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Exemplo de programação CNC
N30 G0 T1 M6
N35 S2037 M3
N40 G0 G2 X6.32 Y-0.9267 M8
N45 Z1.1
N50 Z0.12
N55 G1 Z0. F91.7
N60 X-2.82
N65 Y0.9467
N70 X6.32
N75 Y2.82
N80 X-2.82
N85 G0 Z1.1
...
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Funções preparatórias mais usadas
G00 – Ida rápida G01 – Interpolação Linear
G02 – Interpolação circular (CW) G03 – Interpolação circular (CCW)
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Outras funções preparatórias• G04 - A temporary dwell, or delay in tool motion. • G05 - A permanent hold, or stopping of tool motion. It is canceled by the machine operator. • G22 - Activation of the stored axis travel limits, which are used to establish a safety boundary. • G23 - Deactivation of the stored axis travel limits. • G27 - Return to the machine home position via a programmed intermediate point• G34 - Thread cutting with an increasing lead. • G35 - Thread cutting with a decreasing lead.• G40 - Cancellation of any previously programmed tool radius compensation • G42 - Application of cutter radius compensation to the right of the workpiece with respect to the direction of tool travel. • G43 - Activation of tool length compensation in the same direction of the offset value • G71 - Canned cycle for multiple-pass turning on a lathe (foreign-made)•…
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
• M02 - Program end
• M03 - Start of spindle rotation clockwise
• M04 - Start of spindle rotation counterclockwise
• M07 - Start of mist coolant
• M08 - Start of flood coolant
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Funções miscelâneas
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
G81 – Furar (Drilling cycle) múltiplos furos sem ser necessário efectuar um de cada vez
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Ciclos Especiais or Canned Cycles
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
G78 – Rectangular pocket cycle, utilizado para limpar uma zona quadrada
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Ciclos Especiais or Canned Cycles
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
Mudança de ferramenta
Nota: convém ser uma zona de fácil acesso (quando executada manualmente).
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Exemplo de programação CNC
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
Ver: http://www.ezcam.com/web/tour/tour.htm
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Exemplo de programação CNC
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Linguagens de Programação evoluídas:
• Automatically program tool (APT) Desenvolvida no MIT em 1954
• Derivadas do APT:ADAPT (IBM)IFAPT (France)MINIAPT (Germany)
• Compact II
• Autospot
• SPLIT
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Operação
Regras de Segurança
• Segurança é essencial
• Os olhos devem estar sempre protegidos
• As ferramentas e as peças devem ser convenientemente fixadas na máquina ferramenta
• Evite usar roupa larga
• Use uma escova para limpar as peças. Nunca as mãos
• Use camisa de manga curta ou dobre as mangas
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Operação
Verifique tolerâncias e compensações das ferramentas que vai usar
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
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CAD/CAM e CNCCAD/CAM e CNC
Operação
Carregar o programa.
Cap. 5 – CAD/CAM e CNC
Seguir a maquinação com atenção.
Verificar a peça produzida.