A cura di Massimo Reboldi

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1 A cura di Massimo Reboldi

2 ! La macchina utensile è la madre di tutto ciò che tocchiamo, mangiamo, vestiamo sogniamo! 2

3 La tendenza a produrre:! piccola e media serie;! pezzi singoli;! pezzi complessi; e la necessità a ridurre i tempi morti, hanno permesso una sempre maggior diffusione delle macchine automatiche a CNC, delle celle e dei sistemi flessibili di lavorazione 3

4 L unione tra meccanica ed elettronica ha portato alla nascita della MACCHINA UTENSILE a CNC. La MU CNC subisce delle trasformazioni:! nella funzione;! nella struttura;! nelle tecniche di lavorazione e produzione eliminando, per produzioni in serie, fasi ripetitive e noiose; L operatore assume quindi il ruolo di programmatore e supervisore 4

5 ! Fino agli anni 50 la maggior parte delle lavorazioni meccaniche veniva effettuata su MU tradizionali! La MU tradizionale è manovrata manualmente dall operatore che mediante comandi meccanici, leve, manovelle, lavora il pezzo 5

6 Le MU tradizionali presentavano diversi svantaggi:! Mancanza di flessibilità;! Riconfigurazione macchina (set-up) a ogni pezzo prodotto;! Difficoltà a standardizzare pezzi e processi; Metodi di lavoro inefficienti Costo del lavoro elevato 6

7 Nasce quindi la necessità di:! Migliorare l efficienza;! Migliorare la flessibilità dei sistemi produttivi;! Aumentare la produttività: Uso ottimale delle risorse:! Materiali;! Energia;! Capitale;! Lavoro;! Tecnologia; 7

8 La produttività è aumentata per mezzo della MECCANIZZAZIONE, cioè attraverso la gestione di un processo od operazioni attraverso i dispositivi:! Meccanici;! Idraulici;! Pneumatici;! Elettrici; L operatore programma, controlla (e non lavora) direttamente il processo produttivo e verifica continuamente le prestazioni e le operazioni della macchina 8

9 Concetto di AUTOMAZIONE: Capacità di eseguire una determinata sequenza di operazioni con poco o nessun intervento umano, servendosi di apparecchiature specializzate e dispositivi che eseguono e controllano il processo. 9

10 Obiettivi dell Automazione sono:! Combinare le operazioni per migliorare la qualità, l uniformità, ridurre i tempi di ciclo e quindi il costo del lavoro;! Aumentare la produttività attraverso un miglior controllo della produzione;! Migliorare la qualità utilizzando processi ripetibili (la qualità si fa nel produrre, non nel controllare!);! Ridurre l intervento umano (stanchezza, possibilità di errore); 10

11 ! Ridurre il danneggiamento dei pezzi per errata movimentazione;! Aumentare il livello di sicurezza degli operatori;! Economizzare lo spazio occupato;! Integrare le varie attività attraverso sistemi di disegno e progettazione CAD-CAM, etc 11

12 ! Flessibilità: possibilità di produrre diverse tipologie di particolare, di diversa geometria e impiego;! Produttività: produrre il maggior numero possibile di particolari nel minor tempo possibile (o con il numero minore possibile di macchinari/risorsa umana); DIPENDE DALL OBIETTIVO E DAL SETTORE! 12

13 In base ai gradi di flessibilità e produttività si distingue:! Centri di lavoro;! Cella di produzione;! Sistema flessibile di produzione;! Linea transfer; flessibilità produttività 13

14 Centro di lavoro! Tante tipologie di pezzi, poche quantità;! Unico CNC con PLC integrato;! Dispone di gestione utensili e cambio pallet; 14

15 Cella di produzione! Tanti tipi di pezzi in più quantità;! Costituita da 1,2,3 centri di lavoro uguali;! Ogni centro dispone di gestione utensili;! Ogni macchina è un centro CNC/PLC; 15

16 Sistema flessibile di produzione! Costituito da più celle di produzione o comunque da più unità di produzione di diverso tipo;! Dispone di vari posti di parcheggio pallets e di più stazioni carico/scarico pezzi; 16

17 Linea transfer! Adatta per pochi tipi di pezzi in grande quantità;! È costituita da più unità di lavoro con 1,2,3 assi;! Dispongono di cambio utensile automatico e di gestione utensile; 17

18 Alcuni esempi di automazione dei sistemi produttivi:! Tornio automatico: dotato di magazzino utensili, ridotto tempo di cambio utensili, elevati tempi di set-up;! Tornio plurimandrino: la lavorazione è suddivisa in più stazioni, si lavorano contemporaneamente più pezzi uguali, elevati tempi di set-up;! Tornio a copiare: lavora pezzi complessi grazie ad un sistema in cui il tastatore segue un dima ed impone all utensile gli stessi movimenti;! Linee transfer: integra diverse operazioni del ciclo di lavorazione in stazioni disposte a configurazione lineare o circolare 18

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20 ! È un metodo per controllare il movimento dei componenti della macchina inserendo delle istruzioni codificate sotto forma di dati alfa-numerici nel sistema! Il sistema interpreta i dati e li converte in segnali! I segnali controllano i componenti della macchina come il mandrino, il cambio utensili, la movimentazione degli assi, ecc 20

21 ! Nel Controllo Numerico (CN) i dati relativi a tutti gli aspetti delle operazioni di lavorazione (posizionamenti, velocità, avanzamento, lubrificanti, ) sono memorizzati su schede o dischi fissi! Il concetto su cui si basa il Controllo Numerico è che le informazioni possono essere rilasciate dai dispositivi di memoria al pannello di controllo della MU 21

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23 Vantaggi Svantaggi! ELEVATA AUTOMAZIONE E FLESSIBILITA! MIGLIORE QUALITA DEL PRODOTTO! RIDUZIONE DEGLI SCARTI! RIDUZIONE ELLA MANODOPERA IN OFFICINA! RIDUZIONE DELNUMERO DELLE MACCHINE (machining center)! NECESSITA DELLA NUOVA FIGURA DEL PROGAMMATORE! ELEVATO COSTO DI ACQUISTO! ELEVATO COSTO DI MANUTENZIONE! POSSIBILITA DI REALIZZARE SUPERFICI PARTICOLARMENTE COMPLESSE 23

24 ! I primi controlli numerici erano a logica cablata e quindi non modificabile dall operatore. I cambiamenti delle prestazioni si potevano ottenere soltanto cambiando i componenti fisici (inserendo altre logiche), con una operazione:! costosa;! che limitativa le prestazioni della macchina! L introduzione del calcolatore nel CN ha portato ai primi CNC aumentando il grado di flessibilità della macchina. Il calcolatore permette infatti di effettuare operazioni aritmetiche e calcoli senza l intervento dell operatore 24

25 ! Il CNC è fornito di:! memoria flessibile e ampliabile;! Programmabile scrivendo un codice;! Il programma del CNC è modificabile dall operatore 25

26 Struttura di un Centro di Lavoro 26

27 ! Un apparecchiatura elettrica o elettronica viene detta a logica cablata se il comportamento desiderato rispetto alle entrate e alle uscite (logica di funzionamento) viene ottenuto collegando tra loro un certo numero di elementi logici elementari (relè elettromeccanici o funzioni logiche elementari). Sono quindi modifiche di comportamento di tipo HARDWARE 27

28 ! Un apparecchiatura elettrica o elettronica viene detta a logica programmata se il comportamento desiderato rispetto alle entrate e alle uscite è ottenuto modificando il programma di un calcolatore in essa contenuto per modificare il comportamento dell apparecchiatura occorre preparare un altro programma e inserito nel calcolatore. Sono quindi modifiche di comportamento di tipo SOFTWARE 28

29 INTERFACCIA PROGRAMMABILI PLC Programmable Logic Controller! La sezione PLC rappresenta l interfaccia della macchina e gestisce le funzioni ausiliarie, il cambio utensili, il cambio pallet, i dispositivi di sorveglianza e tutti i servizi ausiliari! Il programmatore scrive il programma. Il PC lo manda al PLC che lo trasforma in comandi per i motori della macchina 29

30 ! Il controllo Hardware montato sulle macchiane a Controllo Numerico è stato convertito in controllo locale del calcolatore mediante Software! Sono stati sviluppati due tipi di sistema: 1. Il Controllo Numerico Diretto (DNC) 2. Controllo Numerico con Calcolatore (CNC) 30

31 ! È stato concepito e sviluppato attorno agli anni 60;! È composto da diverse macchine controllate direttamente passo dopo passo sa un calcolatore centrale;! L operatore accede al computer centrale (dal quale è possibile controllare lo stato di ciascuna macchina) attraverso un terminale remoto;! In questo modo si elimina la necessità di inserire i dati nel computer di ciascuna macchina;! SVANTAGGIO: se il computer centrale si ferma tutte le macchine diventano inoperative; 31

32 ! E un sistema in cui un computer è parte integrante del controllo della macchina utensile;! Il programma di lavorazione viene preparato dal programmatore su:! un calcolatore remoto per poi essere trasferito alla macchina;! o sul computer integrato nella macchina stessa;! L operatore della macchina può facilmente modificare i programmi memorizzati, digitare e memorizzarne di nuovi;! La disponibilità e i bassi costi di computer e controllori programmabili hanno determinato in grande successo delle macchine a CNC 32

33 ! Maggior flessibilità;! Maggior accuratezza (maggior precisione e velocità di esecuzione);! Maggior versatilità (fase di stesura programmi ed operazioni più semplici);! Il programma può essere inserito ed editato direttamente sulla macchina; 33

34 ! Il software di base caricato sul CNC può contenere sequenze generalizzate di lavorazione (cicli fissi) che vengono eseguiti richiamando la funzione;! Gestione completa dell utensile;! Attraverso la parametrizzazione è possibile utilizzare lo stesso programma per lavorazioni simili;! Consente collegamento con altri sistemi computerizzati 34

35 ! CENTRI DI TORNITURA torni a CNC dotati di torrette portautensili sulle quali è possibile montare utensili rotanti in modo da effettuare su pezzi torniti lavorazioni di fresatura;! CENTRI DI LAVORAZIONE evoluzione di fresatrici con moto di taglio posseduto dall utensile che fanno largo uso di sistemi di cambio utensile automatico. Spesso possiedono più mandrini e più tavole portapezzo che permettono di lavorare più pezzi ed eseguire più operazioni contemporaneamente 35

36 INPUT BLACK BOX OUTPUT! INPUT dati in ingresso sono informazioni alfanumeriche lette e memorizzate dal computer;! BLACK BOX dati di lavorazione programmi letti dall unità di controllo (PC-PLC);! OUTPUT dati in uscita informazioni convertite in comandi sottoforma di impulsi ai servomotori 36

37 ! I segnali sono dati al servomotore dal processore;! L accuratezza dei movimenti e della posizione finale della tavola portapezzo non è verificata 37

38 ! È equipaggiato con sensori e trasduttori per misurare con accuratezza la posizione della tavola;! Un sistema di retroazione confronta la posizione attuale della tavola con il segnale fino al raggiungimento delle coordinate stabilite;! Il sistema ad anello chiuso è più complicato e costoso del sistema ad anello aperto 38

39 METODO DIRETTO! Un dispositivo legge una scala graduata posta sulla tavola della macchina;! Il sistema è il più accurato possibile poiché la scala è costruita nella macchina;! Non vi è gioco tra gli organi meccanici di posizionamento;! I tipi di sensori utilizzati per realizzare meccanismi di retroazione e controllo son basati su principi magnetici e fotoelettrici 39

40 METODO INDIRETTO! Viene misurato l angolo di rotazione della vite di comando e correlata allo spostamento lineare della tavola attraverso il passo della vite;! Vengono usati encoder circolari o resolver che convertono il moto rotatorio in traslatorio;! Il gioco tra gli organi meccanici di posizionamento può influenzare significativamente la misura 40

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42 ! Il CNC vede l asse attraverso il sistema di misura e comanda l asse attraverso l azionamento e il motore;! Verifica continuamente la posizione reale con quella teorica;! La differenza tra le quote scritte nei due registri viene elaborata e convertita in analogico. Quel valore rappresenta il riferimento di uscita dal CN che va a comandare l azionamento 42

43 ! Il controllo degli assi è pertanto di tipo ad anello chiuso per esigenze di precisione.! Ci sono due anelli di controllo: uno per la velocità e uno per la posizione 43

44 ! Il sensore è un componente che trasforma una grandezza fisica in elettrica di tipo ON/OFF (digitale);! Generalmente non viene impiegato per misurare la grandezza fisica in questione, ma per controllare che essa sia compresa in un determinato campo di valori;! Sono classificati in base alla grandezza fisica da monitorare:! Finecorsa;! Teromostati;! Pressostati;! 44

45 ! Consentono la conversione di una grandezza fisica da una forma ad un altra (meccanica, elettrica, luminosa, acustica, );! La conversione in segnale elettrico di qualsiasi segnale non elettrico consente di effettuare misure accurate (sia incrementali che assolute) 45

46 ! A seconda del tipo di segnale emesso, i trasduttori possono essere analogici (continui) o digitali (discreti);! Nel primo caso la misura viene trasformata in una tensione elettrica proporzionale al valore della quota rilevata ed è variabile con continuità in funzione della grandezza misurata (ad esempio resolver, inductosyn );! Nel secondo caso, la misura è tradotta in impulsi elettrici incrementali, ognuno dei quali fa variare di uno scatto l unità di lettura (encoder, righe ottiche ) 46

47 Grandezze misurabili Trasduttori Grandezze di uscita Posizione. Potenziometri, estensimetri. Variazione di resistenza Spostamento. Trasduttori capacitivi. Trasduttori differenziali, syncro;. Trasduttori induttivi;. Trasduttori ad effetto Hall;. Trasduttori ottici digitali (encoder incrementale);. Fotodiodi, fototransistor;. Variazione di capacità;. Tensione;. Variazione di Induttanza;. N di impulsi;. Corrente; Velocità. Trasduttori piezoelettrici;. Dinamo tachimetrica;. Trasduttore ottico digitale (encoder assoluto);. Tensione;. Frequenza impulsi; 47

48 ! I trasduttori possono rilevare:! Misure assolute danno il valore della misura attuale e le successive sempre in riferimento ad un origine prefissata;! Misure incrementali - danno la misura attuale in riferimento a quella precedente;! I sistemi di misura assoluti sono più sicuri (non c è perdita di impulsi) e non necessitano della manovra di ripresa origine. Tuttavia l utilizzo di un elettronica più complessa per valorizzare il segnale ne limita l impiego a favore dei sistemi di misura incrementale 48

49 Viene usata una DINAMO TACHIMETRICA! Realizzata con materiali ferromagnetici;! Viene calettata sull asse del motore;! Fornisce un segnale proporzionale alla velocità angolare;! Ha un errore di linearità limitato 49

50 INDUCTOSYN! È un trasduttore diretto, assoluto, analogico, ciclico;! Il circuito di rame ha passo 2mm;! Lo slider è alimentato da tensioni alternate sfasate di 90 ;! La misura amplificata dello sfasamento consente di risalire alla posizione;! L unità di governo conta il numero di passi rispetto allo zero asse 50

51 RIGHE OTTICHE! È un trasduttore diretto, digitale, incrementale o assoluto;! Sulla parte fissa c è un reticolo in oro;! La parte mobile ha un reticolo di lettura con lo stesso passo su vetro, una sorgente luminosa, un condensatore e celle fotovoltaiche;! Le celle misurano la quantità di luce riflessa e danno in uscita due segnali sfasati di 90 che consentono di stabilire il senso del moto 51

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53 ENCODER! È un trasduttore indiretto, digitale, incrementale (la posizione è calcolata in base al passo della vite e al numero di impulsi contati dal riferimento;! Un disco con feritoie ruota tra un led e un fotodiodo;! Durante la rotazione della tavola il disco ruota, il segnale in uscita è un onda quadra;! Il numero di feritoie definisce la risoluzione dell asse; 53

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55 ENCODER ASSOLUTO! È costituito da una serie di piste che lette in modo ottico formano un codice digitale corrispondente alla posizione angolare 55

56 ! Tecnologia Meccanica B Università degli Studi di Brescia Facoltà di Ingegneria Ing. Aldo Attanasio! Corso di Tecnologia Meccanica 2 Univesrità degli Studi di Roma Tor Vergata 56