TECNOLOGIA MECCANICA LE MACCHINE UTENSILI A CNC Fondamenti

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1 LE MACCHINE UTENSILI A CNC Fondamenti Centro per l Automazione e la Meccanica Via Rainusso 138/N Modena

2 INDICE 1 Il controllo numerico pag Cenni storici Definizione di macchine utensili a controllo numerico Vantaggi delle macchine utensili a CNC Concetto di flessibilità 4 2 Struttura e logica di una macchina a CNC Componenti fondamentali di una macchina a CNC 6 IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 1

3 IL CONTROLLO NUMERICO Cenni storici Negli anni in cui fu ideata la M.U. (Macchina Utensile) a C.N. (Controllo Numerico) esistevano vari modi per affrontare i problemi derivati dalle lavorazioni per asportazione di truciolo. Uno dei problemi più complessi da risolvere nelle lavorazioni meccaniche erano le superfici derivate da leggi matematiche (es. profili derivanti da rette e cerchi tangenti, profili elicoidali, ecc ) e le cosiddette superfici sculturate (es. pale di turbine, eliche, profili alari, stampi complessi). Prima dell avvento del C.N. l esecuzione di prototipi di questi particolari e/o l esecuzione di piccola serie risultava costosissima e di difficile realizzazione per la precisione richiesta e per le continue modifiche apportate dai progettisti. Nel 1947 un piccolo costruttore americano di pale di elicotteri, John Parson, preso dal problema di collaudo derivato dalle continue modifiche al profilo del suo prodotto, ideò una macchina da collaudo che, posizionandosi su punti predeterminati, verificava l esatta esecuzione della pala senza l ausilio di complessi attrezzi di collaudo. Nel 1948 l USAF (United States Air Force), venuta a conoscenza di questa macchina, commissionò al signor Parson l applicazione di una Unità di Governo a Controllo Numerico (U.G. a C.N.) ad una fresa-alesatrice in continuo su tre assi che realizzò in 5 anni con la stretta collaborazione dell Istituto di Tecnologia del Massachusetts. Nel 1955, durante l esposizione di Chicago, fecero la loro apparizione le prime M.U. a C.N.. Nel 1960 venivano presentate, sempre all esposizione di Chicago, più di 100 esemplari di M.U. a C.N.. Si può quindi ben dire che la M.U. a C.N. fu realizzata proprio per costruire particolari di grande precisione e di difficile esecuzione, come sono i prodotti aereonautici. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 2

4 DEFINIZIONE DI MACCHINE UTENSILI A CONTROLLO NUMERICO Una macchina utensile a controllo numerico (M.U. a C.N.) si caratterizza essenzialmente per la capacità di svolgere autonomamente le lavorazioni assegnate, dopo aver ricevuto le necessarie istruzioni tramite un programma scritto in un linguaggio comprensibile al controllo e inserito nella sua memoria. VANTAGGI DELLE MACCHINE UTENSILI A CONTROLLO NUMERICO Il traguardo delle macchine utensili a controllo numerico è quello di rendere il più possibile autonoma la macchina utensile dall intervento dell uomo; in questo modo si è inteso ridurre i rischi d errore umano legati alla molteplicità dei suoi interventi operativi e di contenere sensibilmente i costi di produzione, gravati da una discreta incidenza dei costi di manodopera. Tale risultato è stato ottenuto trasferendo tutte le informazioni necessarie all esecuzione di una lavorazione (dati tecnici del disegno, dati tecnologici come il Ng, velocità di taglio, tipo di utensile ecc ovvero il ciclo di lavoro) dall uomo alla macchina, semplificando anche il processo di elaborazione delle lavorazioni difficili che per l uomo costituiscono ostacoli la cui soluzione è costosa in termini di tempo e di attrezzature. Si è assistito inoltre ad un aumento dell affidabilità e della precisione della nuova macchina utensile, ma ciò è più che altro dovuto al normale progresso che ha interessato sia le tecnologie sia i materiali, e che si è andato sviluppando contemporaneamente alla ricerca di automatizzare la macchina stessa. Sintetizzando, il controllo numerico consente di: Ridurre sensibilmente i tempi d esecuzione Assicurare un grado costante di precisione Ridurre la necessità di controlli costosi in termini di tempo Ridurre il numero di addetti in generale, e di quelli qualificati in particolare Mentre le nuove attività che si rendono necessarie per la sua operatività sono: Programmazione della macchina Caricamento del pezzo (a volte è automatico) Avviamento della lavorazione, che prosegue poi ininterrottamente fino alla fine del ciclo Eventuali correzioni d aggiustamento al programma fra un ciclo e l altro IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 3

5 CONCETTO DI FLESSIBILITA Una macchina utensile tradizionale è manovrata direttamente da una persona che provvede a fissare in posizione il pezzo e l utensile, a manovrare i cambi di velocità, a inserire il liquido refrigerante, a fare le passate di lavoro e così via, fino allo smontaggio del pezzo finito. Se è necessario costruire un secondo pezzo uguale ad altro già eseguito, la persona addetta deve ripetere tutte le operazioni già compiute. Si può facilitare la ripetizione, quando sia da costruire un grande numero di pezzi uguali, ricorrendo ad apposite attrezzature o addirittura a macchine speciali, espressamente progettate per fare quel pezzo e non altri. Si riesce in tal modo ad automatizzare il procedimento di costruzione di un oggetto, con l inconveniente però di un alta rigidità produttiva, vale a dire che non è possibile cambiare il tipo di produzione se non cambiano le attrezzature e facendo costose modifiche alla macchina. L industria ricerca invece la massima flessibilità d impiego delle macchine comuni, ossia la possibilità di adattarle con prontezza al mutare della produzione, mantenendo però i vantaggi di tempo, di uniformità produttiva e di precisione propri delle macchine speciali. Si è potuto ottenere tale risultato con il controllo numerico (CN) delle macchine, ossia con l abbinamento delle macchine utensili a sistemi di comando e controllo basati sulla tecnica digitale e sull elaborazione elettronica. Il sistema è definito numerico perché gli impulsi elettrici di comando e controllo sono regolati da numeri, secondo le cifre 1 e 0 della logica binaria. Se consideriamo la flessibilità delle macchine utensili possiamo dire che: Le macchine utensili tradizionali sono le più flessibili ma totalmente dipendenti dall intervento dell uomo, quindi le meno veloci nell esecuzione dei pezzi. Le macchine semiautomatiche e automatiche sono meno flessibili ma più veloci nell esecuzione del pezzo perché meno dipendenti dall operatore. Le macchine copiatrici richiedono un ridotto intervento dell operatore ma anche attrezzature specifiche al pezzo da eseguire che la rendono poco flessibile. Le linee transfert sono un insieme coordinato di macchine utensili studiate appositamente per la lavorazione d ogni fase del pezzo, quindi un ottima velocità d esecuzione del pezzo ma pochissima flessibilità. Le macchine utensili a CNC assieme alle linee tranfert sono le meno soggette all intervento dell uomo; in più però conservano la capacità di lavorare una molteplicità di pezzi diversi indice di un elevata flessibilità. Per il loro governo (ma non per la programmazione) è spesso sufficiente un operatore con bassa qualifica. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 4

6 STRUTTURA E LOGICA DI UNA MU A CNC La macchina utensile adatta al controllo numerico è costruita con accorgimenti particolari: poiché deve lavorare con grande precisione è necessario che sia molto robusta, per non assorbire le vibrazioni di lavoro; bisogna inoltre che i movimenti avvengano con il minimo attrito, che gli organi mobili presentino la minima inerzia, che i giochi negli accoppiamenti siano pressochè nulli. Gli utensili, nelle macchine a CN, devono potersi cambiare automaticamente e gli avanzamenti si devono ottenere con appositi motori su ogni slitta. Con il CN tutti i comandi sono impartiti, e la loro esecuzione è controllata, mediante impulsi elettrici di tipo binario provenienti da una unità di governo abbinata alla macchina utensile, o da un computer. Ciò richiede un adeguata programmazione del lavoro che traduca tutte le informazioni in numeri, secondo un linguaggio accessibile all unità di governo o al computer. La programmazione si basa su regole che permettono di tradurre le operazioni e i dati di un ciclo di lavorazione secondo un codice numerico determinato. Le informazioni codificate vengono introdotte nell unità di governo attraverso un supporto magnetico (dischetto), ma anche direttamente con una tastiera. L unità di governo legge e memorizza le informazioni, le elabora e le trasforma in segnali elettrici di comando e controllo. Ogni volta che si deve fabbricare anche un solo esemplare di un pezzo già prodotto, basta richiamare dall archivio (memoria del computer o dischetto) il programma e introdurlo nell unità di governo; tutte le operazioni programmate vengono eseguite in sequenza generando un pezzo praticamente identico al precedente. Nei sistemi più complessi l unità di governo è un computer, che interagisce con la macchina modificando la lavorazione in base alle risposte che riceve dai sensori di retroazione. Le macchine a controllo numerico con computer sono indicate con la sigla CNC. Quando un unico computer centrale interagisce con un gruppo di macchine, ciascuna delle quali può compiere lavorazioni del tutto diverse, si ha un sistema di macchine a controllo diretto, indicato con DNC. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 5

7 COMPONENTI FONDAMENTALI DI UNA MU A CNC La MU a CNC è costituita essenzialmente da due complessi, separati strutturalmente, ma collegati nel funzionamento: la macchina utensile, con struttura meccanica essenzialmente simile a quella delle MU tradizionali; l unità di governo, il sistema elettronico (denominato Controllo Numerico Computerizzato) preposto al controllo di tutti i movimenti e degli azionamenti che si rendono necessari durante la lavorazione. UNITA DI GOVERNO MACCHINA UTENSILE Quando si fa riferimento alle macchine utensili si vogliono comprendere sia quelle più comuni come il tornio o la fresatrice, sia quelle speciali come una fresa od un trapano a teste multiple, ecc ; ciò premesso le parti principali che caratterizzano una macchina utensile a controllo numerico e la differenziano dalle restanti macchine utensili sono: Parte Meccanica Guide dei movimenti a basso attrito, a bassa inerzia ed assenza di impuntamento scivolamento Viti per la movimentazione degli assi a basso attrito e contenimento, od assenza, di giochi Parte Elettrica Motori a velocità variabile per l azionamento del mandrino e per la movimentazione degli assi Quadro di potenza Parte Elettronica Trasduttori Unità di Governo IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 6

8 Guide: uno dei principali vantaggi che offrono le macchine utensili a controllo numerico è la capacità di eseguire spostamenti e lavorazioni molto precisi, dell ordine anche di pochi millesimi. Di conseguenza, per ottenere spostamenti micrometrici degli assi, con soluzione di continuità anche a basse velocità, occorre ridurre al massimo l attrito fra slitte e guide, evitando inoltre quel fenomeno d incollaggio che viene definito attrito di primo distacco. Allo scopo si è ricorso a materiali antifrizione e ad efficienti apparati di lubrificazione continua; o ancor più, quando i pesi in gioco si fanno consistenti, si ricorre a complessi sistemi di sostentamento idraulico e in alcuni casi a pattini a circolazione di rulli. Viti di manovra: sempre legato all aspetto della precisione è la possibilità di poter trasmettere e controllare con assoluta precisione i movimenti dei vari assi. Il problema è stato risolto con l adozione di viti a ricircolazione di sfere, che oltre a ridurre notevolmente gli attriti e con essi gli sforzi e l usura, mediante una particolare doppia chiocciola registrabile ha permesso d azzerare i giochi. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 7

9 Motori elettrici: i tradizionali motori a corrente alternata ed a velocità costante hanno sempre richiesto un cambio di velocità ad ingranaggi in grado di assicurare una gamma predefinita di velocità diverse. L evoluzione di questo settore ci consente oggi di disporre di motori con variazione della velocità di tipo continuo (senza avere quindi spazi di velocità non disponibili) sia a corrente continua che a corrente alternata con controllo della frequenza. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 8

10 Trasduttori: i trasduttori sono dei rilevatori di posizione che trasformano lo spostamento di un organo mobile (slitta, ecc..), o il movimento di un organo di comando (vite), in un segnale elettrico che opportunamente elaborato fornisce l esatta misura dello spostamento dell organo interessato. Normalmente il trasduttore è considerato come parte integrante dell unità di governo in quanto terminale dell unità periferica; abbiamo preferito inserirlo a parte perché quest organo è oggi montato anche su molte delle macchine utensili cosiddette tradizionali dove viene collegato a un semplice visualizzatore di quote. Lettura diretta e indiretta sulle MU a CNC sono impiegati i trasduttori ottici, detti encoder. Il trasduttore ottico può essere costituito da un disco suddiviso in un grandissimo numero di settori trasparenti alternati ad altrettanti settori opachi e da una luce che proietta sul disco un sottilissimo raggio. Quando il disco è in rotazione, i brevi lampi generati dal passaggio del filo di luce attraverso i settori trasparenti colpiscono ed eccitano un fotodiodo, che a sua volta trasmette impulsi di tensione in numero proporzionale all angolo di rotazione del disco. Essendo il disco fissato sulla vite conduttrice, dalla sua rotazione si può calcolare lo spostamento lineare della slitta; spetta quindi al comparatore porre a confronto lo spostamento programmato con la posizione raggiunta dall utensile e provvede all arresto del moto quando la differenza è ridotta a zero. La misurazione della posizione appena descritta è di tipo indiretto perché si misura la rotazione della vite; è invece di tipo diretto se si usa per la lettura una riga di misura applicata direttamente sulla slitta. Il metodo diretto ha il pregio di eliminare gli errori della catena cinematica, ma risulta più costoso; il metodo indiretto invece ha costi più bassi e richiede operazioni di manutenzione più semplici. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 9

11 L Unità di Governo: L unità di governo potremmo definirla come il cervello e l insieme degli organi sensoriali di una macchina utensile a controllo numerico; ovvero è l insieme degli apparati d elaborazione dei dati, d invio e di ricezione delle informazioni agli organi in movimento della macchina. In sintesi, l UG ha il compito di attivare, coordinare e disattivare, nei modi e nei tempi prestabiliti, i comandi dei servomeccanismi che azionano la macchina utensile. Esternamente l unità di governo è costituita da una console (input) e da un monitor per dialogare con l operatore (output). La console è dotata di pulsanti e manopole per funzioni specifiche (accensione/spegnimento, esecuzione con differenti modalità della lavorazione, ricerca di programmi e blocchi, inserimento di dati, spostamento manuale di assi ecc..); normalmente comprende, inoltre, una tastiera alfanumerica che serve per l inserimento dei programmi e dei dati. Il monitor serve per visualizzare i programmi residenti in memoria, i dati relativi allo stato della macchina, i parametri in uso nel programma in esecuzione (utensile, Ng, velocità d avanzamento ed eventuali correzioni di lunghezza o raggio utensile nonché la posizione attuale degli assi principali X,Y e Z) ed infine, eventualmente, la simulazione grafica della lavorazione. IAL CENTRO PER L AUTOMAZIONE E LA MECCANICA 10