ALTERNATIVAS DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS DE AUXÍLIO À PROGRAMAÇÃO CNC

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1 ALTERNATIVAS DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS DE AUXÍLIO À PROGRAMAÇÃO CNC Leandro Costa de Oliveira Depto. de Fabricação e Projeto de Máquinas - Núcleo de Automação e Processos de Fabricação Centro de Tecnologia - Universidade Federal de Santa Maria Santa Maria - RS Anatólio Laschuk Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação - Instituto de Informática Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Porto Alegre - RS Luiz Fernando Soares Camargo Depto. de Fabricação e Projeto de Máquinas - Núcleo de Automação e Processos de Fabricação Centro de Tecnologia - Universidade Federal de Santa Maria Santa Maria - RS ABSTRACT This work deal with alternatives of computational systems of aid to programing of CNC machines tools. The CAD/CAM systems commercially disposables presents high cost as aquisition as training, and require betters computers. To permit the use of tools aid CNC programing for especific cases, are presented in this article alternatives for 2 and 3-axis machines, as lathes and milling machines. Methods of CNC programs generation of geometries generated in CAD systems and methods based in development of especifics modelers are proposed. Also, are proposed methods of programs CNC simulation of lathes and milling machines. 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) tem sido muito difundido na indústria atual devido aos grandes avanços que esta tecnologia proporcionou, permitindo maior flexibilidade, qualidade e precisão na fabricação de peças por remoção de material. Mas a principal vantagem oferecida pelo uso do Comando Numérico Computadorizado foi a possibilidade de obtenção de geometrias mais complexas através de usinagem. Desta forma, tornou-se possível a fabricação de peças mais leves com a qualidade exigida na indústria aeronáutica e automobilística. Em muitos casos, a ampliação de geometrias possíveis de serem produzidas possibilitou a redução de peso e volume das peças, o que se traduz em economia de material e consequentemente redução de custos. A elaboração dos programas CNC caracteriza-se por uma tarefa bastante criteriosa, pois um programa bem elaborado pode proporcionar maior qualidade ao produto usinado, maior vida à ferramenta, menor tempo de produção, entre outras tantas vantagens. Por outro lado, a não observância de certos detalhes pode ter efeito contrário, uma vez que trata-se de um processo automatizado onde a máquina executa as operações anteriormente programadas. Por esta razão muitos estudos são realizados visando dar auxílio à programação CNC, de modo a contribuir na

2 seleção de ferramentas, na determinação de condições de corte, no planejamento do processo de fabricação, ou simplesmente, reduzindo os erros de programação. Segundo Voelckler, apud Mortenson (3), dois caminhos foram claramente definidos: o desenvolvimento de sistemas de simulação e verificação de programas CNC e implantação de algoritmos para a geração automática de programas CNC através da interpretação geométrica. Todos estes recursos estão sendo incorporados nos modernos sistemas CAD/CAM, tornando-os mais versáteis e mais caros. Neste trabalho são apresentadas algumas alternativas aos sistemas CAD/CAM oferecidos comercialmente, que em geral, tem como problemas, o alto custo para aquisição, os custos extras para treinamento, a necessidade de computadores mais velozes, etc. O artigo propõe alguns métodos para o desenvolvimento de sistemas de auxílio à programação CNC para fins específicos, com resultados bastante satisfatórios. 2. Programação CNC A elaboração de um programa CNC é uma tarefa bastante minuciosa pois envolve uma série de dados relacionados com a geometria da peça a ser produzida, com tipo de máquina a ser utilizada, com as ferramentas disponíveis e ainda todos os fundamentos de usinagem para a obtenção de um produto final com todas as características desejadas. Sendo assim, é uma atividade extremamente importante, que deve ser executada por pessoal experiente e capacitado nesta área. Queiroz e Stemmer (6), em 1986, classificaram os métodos de programação CNC em: programação manual, programação do tipo APT, sistemas gráfico-interativos e sistemas CAD/CAM. Nos dias de hoje, com as vantagens oferecidas pelos sistemas computacionais, tem-se duas situações: programação em linguagem manual, com códigos padronizados pela norma DIN ou programação assistida usando linguagens do tipo APT. Os dois tipos podem estar embutidos em sistemas CAD/CAM. Todo programa CNC começa a ser elaborado a partir de um desenho da peça a ser produzida. O programador, ou um sistema de auxílio, deve então definir a forma de fixação da peça, a seqüência de operações a ser executada, as ferramentas que serão utilizadas e as condições de corte. A próxima etapa trata-se da codificação do programa que pode ser diretamente nos códigos de programação da máquina CNC ou então em uma linguagem do tipo APT que deverá posteriormente ser processada para a geração das posições da ferramenta (CLDATA - Cutter Location Data). Após a codificação do programa, é conveniente usar um recurso de simulação para verificar não só os erros de sintaxe, como também alguma movimentação perigosa não percebida anteriormente. Executada e aprovada a simulação, pode-se realizar testes na máquina, fazendo inicialmente uma usinagem com uma peça de prova para posteriormente considerar o programa como pronto e aprovado. 3. Criação/Edição dos Modelos Geométricos Os desenhos das peças, que no passado eram realizados na prancheta, hoje são executados em sistemas computacionais de edição gráfica, os sistemas CAD, Sistemas de Projeto Auxiliado pelo Computador. Com este recurso tornou-se mais rápido e prático documentar os projetos. Com isso, os desenhos de vistas planas deram lugar a criação de modelos geométricos com a incorporação de diversas características das peças. Estes modelos podem, então, ser analisados

3 com relação às solicitações mecânicas e/ou térmicas em sistemas computacionais de análise por elementos finitos, podem ser visualizados de diversas formas para orientar o projetista ou o profissional que irá definir seu plano de fabricação, ou ainda podem ser utilizados por Sistemas de Manufatura Auxiliada por Computador, os sistemas CAM, para a geração da trajetória da ferramenta 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 editores gráficos interpretem um desenho armazenado num arquivo padrão. Basicamente foram criados padrões de interfaceamento gráfico, cuja estrutura é conhecida possibilitando o desenvolvimento de programas que interpretem estas informações. Com as informações padronizadas, os sistemas CAM podem interpretar uma determinada geometria. Da mesma forma, podem ser desenvolvidos programas que façam esta tarefa e se não executam 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. Observase, portanto, que a interpretação geométrica dos arquivos gráficos pode contribuir para a elaboração de programas CNC, através do desenvolvimento de sistemas computacionais para este fim. Uma outra possibilidade é o desenvolvimento de modeladores geométricos específicos, ou ainda, direcionados a famílias de peças com características definidas. Os modeladores devem dispor de uma interface que permita a criação de um modelo geométrico e associar às informações gráficas, algumas informações tecnológicas de interesse para a posterior geração do programa CNC. Neste trabalho serão apresentadas estas duas situações, a geração de trajetórias de ferramenta para tornos a partir de geometrias criadas em CAD e a geração de trajetórias de ferramenta para fresadoras a partir de geometrias criadas em um modelador de superfícies paramétricas. 4. Métodos Propostos Nesta seção são apresentados alguns métodos alternativos para o auxílio à programação CNC. São propostos métodos de geração de trajetórias de ferramentas e métodos de simulação de programas CNC para máquinas de 2 e 3 eixos, no caso tornos e fresadoras Geração de Programas CNC para 2 Eixos As máquinas de 2 eixos consideradas neste estudo são os tornos, que são destinados à fabricação de peças de revolução, onde a peça tem movimento rotativo e a ferramenta produz um determinado perfil com movimentos longitudinais ou tranversais, que podem ser combinados para obtenção de perfis cônicos ou com arcos. Para esta situação foi implementado um sistema chamado FURBOCAM, que permite a geração de programas CNC partindo de geometrias criadas no programa AutoCAD. O editor AutoCAD, através de sua linguagem de programação AutoLISP, permite a criação de rotinas personalizadas. Usando este recurso, desenvolveu-se uma rotina para a seleção de entidades geométricas que definem o perfil da peça a ser usinada no torno. Com isso pode-se utilizar os desenhos das peças sem nenhuma preparação, bastanto selecionar o perfil da peça com o uso do mouse. A rotina chamada usinar, então, cria um arquivo de interfaceamento gráfico,

4 padrão DXF (Drawing exchange File), com as entidades que determinam o perfil da peça. O sistema FURBOCAM, que é um programa implementado em Turbo Pascal, lê este arquivo DXF e 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 à trajetória final da ferramenta referente à usinagem de acabamento. Figure 1: Identificação do perfil pelo programa FURBOCAM Quanto à usinagem de desbaste, existem alguns algoritmos que estruturam este procedimento. Por exemplo, para geometrias de formas crescentes, com seções crescentes da direita para a esquerda, usa-se um ciclo de torneamento longitudinal onde são informadas as dimensões finais de um torneamento cilíndrico. Para situações com cavidades, ou outro tipo de geometria, basta definir uma certa estratégia, ou seja, uma seqüência de movimentos para um determinado tipo de geometria e associar com os dados interpretados do arquivo de interfaceamento. Obviamente, este método se torna mais complicado a medida que as peças vão adquirindo maior complexidade. Há a necessidade de considerar uma maior variedade de geometrias de ferramentas para poder associar seus movimentos necessários para a produção de um determinado perfil de peça. Mas para aplicações mais simples é um método relativamente fácil de implementar usando recursos básicos de geometria. Embora não implementada neste estudo, pode-se abstrair desta idéia sua aplicação para outros tipos de máquinas-ferramentas que trabalho com 2 eixos, como é o caso das máquinas de corte (p. ex.: puncionadeiras) e as de furação. Para estes casos, também uma vista plana permite a interpretação da geometria que associada com as ferramentas disponíveis pode proporcionar a geração da trajetória da ferramenta para usinagem de uma determinada peça Simulação de Programas CNC para 2 Eixos A simulação de programas CNC é uma etapa fundamental para a sua aprovação. Com este procedimento evita-se um grande risco de dano às ferramenta e/ou máquinas-ferramentas além de gasto de material em uma situação preparatória. Para o caso de máquinas de corte ou de furação, o desenho da trajetória da ferramenta é um grande meio de verificar a qualidade do programa CNC produzido. Pode-se desenhar, na tela do computador, círculos de dimensões proporcionais às seções das ferramentas e com isso ter um resultado bem compreensível.

5 Para o caso de tornos, onde há a produção de peças de revolução, um método interessante é o apagamento da tela, como proposto por Oliveira e Camargo (5), com seu SDCNC. Figure 2: Simulação Gráfica de Torneamento O sistema mostrado na figura 2 utiliza a representação plana de uma peça cilíndrica, um retângulo preenchido, com ponto de partida. Este retângulo tem as dimensões do material bruto que será usinado. A partir disso, o programa CNC é lido e cada comando é visualizado, sendo que aqueles que promovem a movimentação da ferramenta representados pela movimentação de um polígono com o perfil proporcional da ferramenta. Nesta movimentação, este polígono apaga as regiões do retângulo onde há interferência, ou seja, onde há uma sobreposição do movimento da ferramenta com as regiões do retângulo. Na tela, ficam acesas as regiões não atingidas pela movimentação do polígono ferramenta. Ao final do programa CNC, resta a geometria da peça acabada. Com este recurso pode-se verificar não só a questão dimensional como também os aspectos 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, como fresadoras 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 movimentação no espaço, considerando 3 dimensões. Por esta razão, há uma maior dificuldade de prever as diversas situações possíveis, o que certamente incha qualquer programa de auxílio à geração de trajetórias de ferramentas para este caso. Entretanto, para situações com um domínio de peças com algumas restrições, torna-se bastante viável a implementação de sistemas alternativos, mais simples, com bons resultados. O trabalho implementado por Oliveira (4) é um exemplo de sistema de geração de trajetória de ferramentas para uma situação específica. Neste estudo, o autor define como domínio de peças as superfícies paramétricas construídas com a forma Bézier. Para isso, foi implementado um modelador, conforme figura 3, que cria as superfícies a partir do posicionamento de 16 pontos de controle. Tendo o modelo geométrico definido por seus 16 pontos de controle, é possível criar uma superfície poliédrica formada por vários polígonos triangulares. A partir disso, cabe então a definição da estratégia de usinagem adotada, que para o caso proposto foi dividida em duas etapas: desbaste, realizado com uma fresa cilíndrica e acabamento, realizado com uma fresa de

6 extremidade semi-esférica. A seleção das ferramentas utilizadas tem um método próprio também discutido no trabalho citado. A operação de desbaste é realizada em ziguezague, em planos de corte, sendo sua criação vinculada às dimensões máximas de usinagem e à profundidade máxima de corte recomendada à ferramenta. Para cada plano de corte há uma trajetória a ser executada, sendo que em cavidades a trajetória é realizada em ziguezague até o contorno obtido pela intersecção do plano de corte com a superfície poliédrica. Para o caso de protrusões, a usinagem é externa à superfície e há o cuidado para definir os limites da movimentação em ziguezague pois a superfície poliédrica é menor que a superfície paramétrica inicial. Figure 3: Modelador de Superfícies Bézier Já a operação de acabamento, na aplicação com superfícies de forma livre, tem a necessidade de movimentos em ziguezague, porém com um espaçamento relativamente pequeno em função da rugosidade desejada. Nesta etapa são criadas trajetórias paralelas que vão interseptarem os polígonos da superfície e determinar os pontos de contato da ferramenta, o CCDATA (Cutter Contact Data). Nestes pontos são considerados os vetores normais à superfície daí determinados, com o raio da ferramenta, as posições da ferramenta, o CLDATA (Cutter Location Data). Estas posições da ferramenta, ordenadas em trajetórias em ziguezague, formam a trajetória da ferramenta para reproduzir a superfície paramétrica 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 para representar a alteração na peça pela movimentação da ferramenta. Marshall e Griffiths (2) usaram uma superfície poliédrica construída por vértices de uma malha retangular. O método proposto neste trabalho considera um mesmo tipo de definição da superfície da peça, formado por uma malha poliédrica, conforme figura 4. A movimentação da ferramenta, de extremidade semi-esférica, é composta por uma entidade geométrica formada por um quadrante de esfera em cada limite do movimento e um volume varrido por uma semicircunferência entre os dois limites do movimento, segundo a trajetória determinada.

7 A verificação se os vértices da malha são interseptados pela ferramenta é feita calculando para cada comando, que representa um movimento, o volume varrido pela ferramenta. Verificase, 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. Figura 4: Simulação de operação de acabamento 5. Conclusões Conforme comentado anteriormente, este trabalho buscou apresentar alguns métodos de auxílio à programação CNC, visando encorajar o desenvolvimento de sistemas específicos com custo reduzido. Os métodos descritos foram implementados por estes autores e demonstraram resultados satisfatórios para as aplicações propostas. Verificou-se, portanto, a viabilidade de seu desenvolvimento. Cabe ressaltar que para aplicações mais complexas os sistemas CAD/CAM disponíveis no mercado são as soluções mais indicadas. Vale lembrar que o nível de complexidade das peças está intimamente ligado com a resolução necessária ao modelo geométrico e consequentemente ao custo computacional, seja no que diz respeito a memória consumida 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 p Marshall, S., Griffiths, J. G. A new cutter-path topology for milling machines. Computer- Aided Design, v. 26, n. 3, March/1994. p

8 3. Mortenson, M. Geometric Modeling. New York: John Wiley & Sons, p. 4. Oliveira, L. C. de Um Sistema de Geração de Trajetórias de Ferramentas em 3 Eixos. Porto Alegre: CPGCC-UFRGS, 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, Queiroz, A. A., Stemmer, C. Cenário da Programação CN - Da Programação Manual ao CAD/CAM. In: SIMPÓSIO SOBRE CAD/CAM - REVISÃO DA SITUAÇÃO BRASILEIRA, 1986, São Paulo. Anais. São Paulo: SOBRACOM, Wang, W. P., Wang, K. K. Geometric modeling for swept volume of moving solids. IEEE Computer Graphics & Applications, v. 6, n. 12, Dec p

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