MONITORAMENTO E CONTROLE REMOTO DE MÁQUINA CNC QUE UTILIZA CONTROLADOR SINUMERIK 828D

MONITORAMENTO E CONTROLE REMOTO DE MÁQUINA CNC QUE UTILIZA CONTROLADOR SINUMERIK 828D CARLOS E. O. DA SILVA, EMÍLIA VILLANI Laboratório CCM, Depto. de Eng. Mecânica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50,Vila das Acácias, 12228-900, São José dos Campos - SP E-mails: csilva@ita.br, evillani@ita.br Abstract Remote control and monitoring solutions for manufacturing machines are required in order to support the development of e-manufacturing systems. In this context, this paper approaches the problem of remote accessing the CNC (Computerized Numerical Control) controller Sinumerik 828D model from Siemens. The purpose of this work is to discuss the advantages and disadvantages of the proposed solution for remote monitoring and control of Sinumerik 828D, relating the results to previous works about other CNC controllers. Keywords Remote monitoring, remote control, CNC machine, Sinumerik 828D. Resumo Soluções de monitoramento e controle remoto para manufatura são requeridas a fim de suportar o desenvolvimento de sistemas de e-manufacturing. Neste contexto, este artigo aborda o problema do acesso remoto para o controlador CNC (Comando Numérico Computadorizado) do modelo Sinumerik 828D da Siemens. O objetivo deste trabalho é discutir as vantagens e desvantagens da solução elaborada para monitoramento e controle remoto do Sinumerik 828D, relacionando com trabalhos anteriores relativos à outros controladores CNC. Palavras-chave Monitoramento remoto, controle remoto, máquina CNC, Sinumerik 828D. 1 Introdução A globalização das últimas décadas impulsionou a distribuição geográfica de empresas, indústrias, equipes de trabalho, entre outros. Um resultado desta globalização é a crescente necessidade de aplicações que se beneficiam do acesso a diversos equipamentos localizados em lugares geograficamente distintos. Indústrias antes centralizadas em uma única planta, hoje se encontram espalhadas por diversas cidades, países e continentes. Como resultado, existe uma necessidade sempre crescente de troca de informações referente a atividades interdependentes, conforme Zhan (2003). Exemplos disso são informações relativas ao desenvolvimento de projetos em conjunto, informações referentes a peças em produção, acompanhamento de testes, entre outros. Este cenário propicia o uso da Internet como ferramenta essencial para troca de informações em tempo-real entre sistemas, equipes e equipamentos geograficamente dispersos, dando origem à chamada e-manufacturing. Entre outras coisas, o conceito de e- manufacturing visa proporcionar a flexibilidade necessária a uma indústria para manter a competitividade em um ambiente de competição global intensificada, respondendo rapidamente a um mercado flutuante (FENG et al., 2007). No ambiente da indústria de manufatura, Hao, Shen e Wang (2005) aborda o problema da integração fabril por meio da proposta de uma estrutura baseada em serviços disponibilizados na World Wide Web (WWW) e agentes que atuam em todos os níveis da organização da empresa virtual (inter-empresa), à empresa (intra-empresa) e até o nível de chão-de-fábrica. Para suportar estas aplicações, são necessários recursos de monitoramento remoto e controle remoto das máquinas e equipamentos utilizados em sistemas de manufatura. Entre estes equipamentos, encontramse as máquinas-ferramenta CNC (Comando Numérico Computadorizado). Nesse contexto, este trabalho apresenta os estudos realizados para acesso remoto do controlador CNC Sinumerik 828D, fabricante Siemens, que foi lançado recentemente no mercado mundial. O objetivo deste trabalho é discutir as vantagens e desvantagens da solução elaborada para monitoramento e controle remoto do Sinumerik 828D, relacionando com trabalhos anteriores relativos à outros controladores CNC. O trabalho está organizado da seguinte forma. A seção 2 descreve o monitoramento e controle remoto de máquina CNC. A seção 3 apresenta a máquinaferramenta CNC usada neste trabalho. A seção 4 apresenta o controlador CNC Sinumerik 828D da Siemens. A seção 5 descreve o sistema desenvolvido para controle e monitoramento remotos. A seção 6 apresenta os resultados obtidos. E por fim, a seção 7 discute as principais conclusões do trabalho. 2 Monitoramento e Controle Remoto de Máquina CNC Diversas aplicações vêm sendo desenvolvidas com o intuito de fazer aquisição de dados e monitoramento remoto de uma máquina CNC. Estas aplicações podem ser organizadas em duas classes: aplicações voltadas para monitoramento da produção, e aplicações visando o levantamento de dados para 3009

monitoramento do processo de usinagem. (SILVA, 2008). De acordo com Helleno (2004), esta área demanda novas pesquisas e desenvolvimentos. Devido à demanda imposta pela indústria de manufatura, os eixos das máquinas CNC estão utilizando velocidades cada vez mais altas, requerendo maior desempenho dos sistemas de aquisição de dados. Um exemplo de monitoramento remoto da produção é apresentado em Ferraz (2002). Neste trabalho são monitorados a quantidade de peças produzidas, o tempo de ciclo de usinagem e a velocidade de corte imposta pelos eixos da máquina. Utiliza-se como arquitetura um computador local conectado à maquina CNC, onde são executadas rotinas de aquisição de dados programadas no ambiente de programação LabVIEW. Os dados coletados são compartilhados com usuários remotos por meio de um aplicativo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Muitas aplicações a respeito de monitoramento remoto de máquinas CNC tem sido desenvolvidas, no entanto, o mesmo não é verdade para o controle remoto de máquinas CNC. O controle externo de máquinas CNC é requerido quando se deseja adicionar funcionalidades a essas máquinas, ou quando o controlador mestre dos movimentos não é o CNC, e sim um sistema externo, como por exemplo um computador. Silva, Villani e Gomes (2009) apresentam uma proposta para controle de vibrações na usinagem, onde é desenvolvido em Visual Basic um aplicativo que envia comandos externos para o CNC Sinumerik 840D da Siemens por meio de um computador, de forma a controlar remotamente a rotação da ferramenta da máquina-ferramenta CNC. Para um sistema de controle externo mestre, podemos imaginar um robô industrial onde os motores de suas juntas são controlados por um CNC, e o mesmo possui um sistema de visão computacional conectado a um PC (Personal Computer). Neste caso, o PC precisa ler os dados do sistema de visão computacional e enviar os comandos de posicionamento ao CNC, para assim o robô se movimentar. Se o CNC possuir uma conexão compatível com o PC, o comando remoto pode ser facilitado. 3 Máquina-Ferramenta CNC Utilizada A máquina-ferramenta CNC utilizada é da marca Romi, modelo D800 AP (Figura 1) e se encontra no laboratório CCM (Centro de Competência em Manufatura) do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica). Ela se encontra na categoria denominada HSM (High Speed Machine), e foi fabricada para usinagem de altas velocidades. Por simplificação, neste trabalho ela será denominada simplesmente de máquina Romi. A máquina Romi dispõe de 3 eixos de movimentação, chamados de X, Y e Z, e é denominada como centro de usinagem vertical, pois o eixo de rotação da ferramenta, que atinge até 12000 rpm, gira em torno do eixo vertical da máquina (eixo Z). A máquina possui ainda magazine de ferramentas, que agiliza e diminui o tempo de troca de ferramentas durante o ciclo de operação. (ROMI, 2010). Figura 1. Máquina-Ferramenta Romi D800 AP A máquina Romi é controlada pelo CNC Sinumerik 828D da Siemens que será apresentado na próxima seção. 4 Controlador Sinumerik 828D Atualmente, a fabricante Siemens é reconhecida mundialmente pela qualidade de seus produtos, e possui uma linha de CNC s chamada de Solution Line, que compreende por dois produtos principais, o Sinumerik 802D e Sinumerik 840D. Geralmente, o Sinumerik 802D atende máquinas com poucos eixos e baixa solicitação de funções de comando numérico; já o Sinumerik 840D atende máquinas com muitos eixos e alta solicitação de funções de comando numérico. No final do ano de 2009 foi lançada uma nova linha de produtos para a família de CNC s, denominada Sinumerik 828D, que pretende se posicionar exatamente entre as duas linhas de produtos já existentes (SIEMENS, 2010). Um painel de operações do Sinumerik 828D é mostrado na Figura 2, e um ponto característico do mesmo é a ligação com as outras partes Siemens da máquina, que é feita por uma rede do padrão Ethernet, o que facilita muito as conexões e substituições dessas partes. A Siemens possui duas famílias de drivers de acionamento dos motores para CNC, chamadas de Simodrive (antiga) e Sinamics (nova). A família Sinamics utiliza uma rede de padrão Ethernet para a conexão dos drivers com o CNC. Dessa forma o Sinuerik 828D apenas utiliza os produtos da família Sinamics para acionar seus motores, fazendo com que toda a rede distribuída internamente na máquina seja do padrão Ethernet. 3010

Pela descrição da Siemens, o Sinumerik 828D é um CNC mais simples, assim como o Sinumerik 802D, mas com as funções do Sinumerik 840D. Desta forma, os usuários de máquinas CNC s mais simples podem apreciar essa tecnologia por um custo mais acessível, sem se privar dos recursos avançados que somente teriam nos controladores mais caros. Figura 2. Painel de Operação do CNC 828D De uma forma geral, o Sinumerik 828D possui diversas funções e comandos, sendo eles básicos e avançados, dispondo inclusive de uma IHM (Interface Homem-Máquina) muito eficiente, onde interage de forma muito fácil com o operador da máquina, por exemplo com o recurso de programação visual inteligente, chamado de ShopMill para o processo de fresamento e ShopTurn para o processo de torneamento. Em relação aos comandos de programação avançada, todos os comandos e funções presentes no Sinumerik 840D estão presentes no Sinumerik 828D. Por se tratar de um produto recentemente lançado no mercado mundial, não existe nenhum trabalho disponível na literatura a respeito do acesso remoto a dados do Simunerik 828D ou sobre as limitações para escrita de dados. 5 Sistema Desenvolvido Para efetuar na prática o processo de monitoramento e controle remoto de máquina CNC que utiliza o controlador Sinumerik 828D da Siemens, foi desenvolvido um sistema que monitora as posições dos 3 eixos da máquina Romi utilizada e envia comandos de movimentação para os 3 eixos com novas coordenadas de posicionamento e velocidade definida. O princípio de funcionamento da aplicação consiste em monitorar durante todo o tempo os valores dos eixos X, Y e Z. Além disso, o usuário pode inserir o valor de 4 variáveis que definem o comando de movimentação da máquina-ferramenta CNC. Estas variáveis correspondem às 3 coordenadas dos 3 eixos de movimentação (em mm) e a velocidade que esse movimento deve ser executado (em mm/min). Após essas definições, o usuário deve enviar o comando de movimento, e durante o processo de movimentação dos eixos, o usuário deve ser capaz de interromper o processo. O aplicativo que atende a estes requisitos foi desenvolvido em Visual Basic 6. A escolha da linguagem de programação deve-se a facilidade do Visual Basic de manipular variáveis em formato DDE (Dynamic Data Exchange) no ambiente Windows de um computador do tipo PC. A compatibilidade com o padrão DDE é esperada do Sinumerik 828D pois o mesmo se compromete a ter as funções do Sinumerik 840D (SIEMENS, 1997). O uso do padrão DDE no controlador Sinumerik 840D para monitoramento e controle remoto é discutido em Silva, Villani e Gomes (2009), entre outros. Para esta aplicação, foi instalado num PC (Personal Computer) o pacote de aplicativos que funciona com o Sinumerik 840D, chamado de Startup Tools, tomando o cuidado de instalar o pacote que trabalha com a linha de drivers Sinamics, que é a mesma utilizada no Sinumerik 828D. Observou-se após a instalação, que o pacote não funciona corretamente, pois o mesmo tenta se comunicar com o Sinumerik 840D. Apesar do problema apresentado, o pacote estabelece uma comunicação entre o CNC que utiliza as variáveis no formato dos drivers Sinamics e o PC, onde encontrase instalado um conversor entre o padrão utilizado para as variáveis CN (Comando Numérico) e o formato DDE (Dynamic Data Exchange), que pode ser facilmente entendido pelo sistema operacional Windows. Esse conversor é denominado NCDDE, e corresponde ao arquivo executável chamado NCDDE.EXE. Segundo a Siemens, para o conversor NCDDE funcionar corretamente nesse tipo de sistema com padrão Ethernet (com drivers Sinamics) é necessário executar outro o arquivo CP_840D.EXE. Esse arquivo faz com que o conversor NCDDE se comunique com a rede Ethernet da máquina, onde a forma de conexão com essa rede é definida por meio do menu Startup Tool Wizard. Neste menu, deve ser definida a porta de conexão, que no caso é a X127 (conexão frontal do painel de operação). Como a conexão entre o controlador CNC Sinumerik 828D e o PC é do tipo ponto a ponto, um cabo do tipo crossover é requerido para a aplicação. Em resumo, o conversor NCDDE faz a conversão das variáveis NC (máquina) para o formato DDE (Windows) e o CP_840D faz com que o conversor NCDDE se comunique no formato da rede Ethernet. A Figura 3 ilustra a conexão do PC com o controlador Sinumerik 828D. Para um melhor entendimento do tráfego dos dados do CNC até o aplicativo desenvolvido em Visual Basic 6, e vice-versa, segue Figura 4. 3011

Figura 3. Esquema de ligação do computador com o controlador Sinumerik 828D Máquina CNC Rede Ethernet Dados de máquina Painel de Operação Cabo de rede (Ethernet) Cabo de Rede Rede interna da máquina PC Placa de rede Variáveis CN Conversor NCDDE Motores Computador CNC Variáveis DDE Programa em VB6 Figura 4. Tráfego de dados entre a máquina CNC e o Programa em VB6 Os testes com o conversor NCDDE e CP_840D, permite notar que a solução desenvolvida funciona de forma satisfatória quando executada simultaneamente com o conversor. A figura 5 apresenta a interface do aplicativo desenvolvido em Visual Basic 6 para teste da comunicação com o Sinumerik 828D a partir de um PC. Para monitoramento das posições dos eixos: - Eixo X: /Channel/GeometricAxis/ acttooledgecenterpos[1] ; - Eixo Y: /Channel/GeometricAxis/ acttooledgecenterpos[2] ; - Eixo Z: /Channel/GeometricAxis/ acttooledgecenterpos[3]. Para envio das coordenadas de movimentação: - Eixo X: /Channel/Parameter/R[10] ; - Eixo Y: /Channel/Parameter/R[11] ; - Eixo Z: /Channel/Parameter/R[12]. Para envio da velocidade de deslocamento: - /Channel/Parameter/R[13]. Para envio do comando Iniciar Movimento : - /Plc/Input/Bit[112.7]. Para envio do comando Parar Movimento : - /Plc/Input/Bit[113.7] ; - /Plc/Input/Bit[115.1]. Por meio destas variáveis, o aplicativo desenvolvido pode se comunicar com o CNC da máquina Romi. Para que a máquina Romi compreenda esses comandos e relacione os parâmetros R com os comandos de movimentação, é necessário elaborar um programa para a máquina com algumas características específicas. Cada peça que é fabricada na máquina, deve ter um programa de peça criado especial para executar tais movimentos que resultem no formato final da peça. Seguindo essa analogia, é criado um programa de peça que movimente seus eixos para as coordenadas definidas pelos parâmetros R R10, R11 e R12, eixos X, Y e Z respectivamente, e parâmetro R13 para a velocidade que esse movimento deveria seguir. Assim, tem-se a seguinte programação em linguagem ISO: G54 G01 X=R10 Y=R11 Z=R12 F=R13 M30 O comando G54 define a referência que os eixos utilizarão e o comando M30 indica fim de programa. Com esse programa criado e selecionado no painel de operação da máquina, o aplicativo criado deve ser capaz de monitorar e executar comando de movimentação a partir do computador conectado a essa máquina. 6 Resultados Figura 5. Programa Movimentação de Eixos Na programação do aplicativo no Visual Basic 6, foram utilizadas algumas variáveis no formato DDE, que são descritas abaixo, conforme segue. Para comprovar que o sistema desenvolvido realmente executa o monitoramento e controle no controlador Sinumerik 828D, foram criados e executados os programas na máquina CNC e no computador. Inicialmente, observa-se que o denominado Programa de Movimentação de Eixos consegue monitorar as posições dos eixos da máquina, conforme ilustrado na Figura 5. Em seguida são inseridas as coordenadas desejadas e velocidade de avanço para a movimentação, respeitando as limitações construtivas 3012

da máquina, e é dado um comando de Iniciar Movimentação. Observa-se como resposta a imediata movimentação da máquina, conforme ilustrado na Figura 6. máquina executa comandos de movimentação normalmente sem alterar o seu funcionamento. Estes testes permitem a verificação dos requisitos funcionais do aplicativo desenvolvido. Como está sendo utilizada uma rede de comunicação TCP/IP para comunicação entre o computador e o controlador da Siemens, é necessário também avaliar o tempo de transmissão nessa rede. Para verificação do intervalo de tempo necessário para a execução dos comandos, foi desenvolvida uma rotina de teste no software LabVIEW 8.6. A rotina desenvolvida é apresentada na Figura 8. Figura 8 Rotina desenvolvida em LabVIEW Figura 6. Comando de movimentação enviado pelo Programa Movimentação de Eixos Após o término da movimentação dos eixos da máquina, é possível notar que os valores desejados e atuais dos eixos estão igualados, comprovando que a máquina executou com sucesso o comando de movimentação, conforme apresentado na Figura 7. Esta rotina executa 100 vezes a leitura de uma variável DDE, no caso o valor da posição do eixo X, e mede o intervalo de tempo (em ms) entre o início e o fim de uma única leitura. Os valores são colocados num gráfico, e por fim é calculada uma média dos intervalos medidos. O resultado desse teste é exibido na Figura 9. Figura 9 Teste do tempo de leitura Figura 7. Comando concluído monitorado pelo Programa de Movimentação de Eixos O comando Parar Movimento foi testado, e seu funcionamento corresponde ao esperado, parando instantaneamente os eixos no momento que o referido botão foi acionado. Após esse procedimento, a Conforme mostrado na Figura 9, o tempo médio de acesso para leitura da variável DDE foi de 5,43 ms e o tempo mínimo foi de 2 ms. A variação de tempo encontrada é devido ao processamento do computador, que está numa plataforma de Sistema Operacional Windows. Este sistema operacional atribui diferentes prioridades de processamento, fazendo assim com que varie o tempo de acesso para leitura das variáveis DDE. O computador precisa processar as informações que o programa NCDDE converte do formato NC para o formato DDE, além dos aplicativos normalmente utilizados. Portanto, a capacidade e velocidade de processamento do computador utilizado pode influenciar diretamente no tempo de acesso para 3013

leitura das variáveis DDE utilizando essa rede TCP/IP. 7 Conclusão Este trabalho apresenta e discute uma solução para conexão remota com o controlador CNC Sinumerik 828D da Siemens. A solução apresentada é capaz de monitorar e controlar dados remotamente os eixos da máquina a partir de um computador pessoal conectado a esse CNC. O aplicativo desenvolvido executa corretamente todas as funções programadas. A plataforma de programação Visual Basic 6 se mostra, mais uma vez, muito versátil na manipulação dos dados em formato DDE. Esse aplicativo também pode ser desenvolvido em outros ambientes de programação como LabVIEW, C++, Delphi e outros. O problema da influência do tempo de processamento do computador no acesso de leitura das variáveis DDE não é considerado crítico, visto que o atraso é na ordem de alguns ms e não efetua nenhuma ação dentro de uma malha fechada de controle, e sim de controle e monitoramento remoto de algumas funções. De forma geral, pode se concluir que o monitoramento e controle remoto com o controlador Sinumerik 828D da Siemens pode ser realizado de forma semelhante ao controlador Sinumerik 840D, observando apenas a necessidade de execução do arquivo CP_840D.EXE após a execução do NCDDE.EXE e antes de executar os comandos que se deseja. Agradecimentos Os mais sinceros agradecimentos à empresa Romi pelo fornecimento dos equipamentos necessários, à empresa Siemens pelo fornecimento dos programas necessários e às agências governamentais CAPES, FAPESP, CNPq e FINEP que financiaram essa pesquisa. Hao, Qi; Shen, Weiming; Wang, Lihui. Towards a cooperative distributed manufacturing management framework. Computers in Industry, v.56, n.1, jan. 2005. p.71 84. Disponível em: < http://dx.doi.org/10.1016/j.compind.2004.08.010 >. Acesso em: 20 abr. 2005. Helleno, André L. Investigação de Métodos de Interpolação para Trajetória da Ferramenta na Usinagem de Moldes e Matrizes com Alta Velocidade. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção), Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo da Universidade Metodista de Piracicaba, São Paulo, 2004. Romi. Disponível em <http://www.romi.com.br>. Acesso em: 01 fev. 2010. Siemens. Disponível em: <http://www.siemens.com>. Acesso em: 05 fev. 2010. Siemens. Sinumerik 840D / 810D / FN-NC OEM package MMC User s Manual. 12.ed. 1997. Silva, Carlos E. O. da; Villani, Emília; Gomes, Jefferson O. Direct Access of CNC Data for Vibration Control. INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING (COBEM), 20., 2009, Gramado, RS. Proceedings Rio de Janeiro: ABCM, 2009. Silva, Carlos Eduardo Oliveira da. Sistema de Monitoramento Remoto de Processos de Manufatura. 2008. 105f. Tese de Mestrado em Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Zhan. F. A web-based collaborative product design platform for dispersed network manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, v.138, n.1-3, 20jul.2003. p. 600 604. Disponível em: < http://dx.doi.org/doi:10.1016/s0924-0136(03)00156-0 >. Acesso em: 09 fev. 2005. Referências Feng, Quibin; Bratukhin, Aleksey; Treytl, Albert; Sauter, Thilo. A Flexible Multi-Agent System Architecture for Plant Automation. INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL INFORMATICS (INDIN), 5., 2007, Vienna. Electronics Proceedings... USA: IEEE Xplore, 2007. p.1047-1052. v.2. Disponível em: < http://dx.doi.org/10.1109/indin.2007.4384920 >. Acesso em: 18 dez. 2007. Ferraz Jr, Fábio. Desenvolvimento de um Sistema de Monitoramento e Supervisão para o Processo de Torneamento. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2002. 3014