Sistemi di Produzione Macchine utensili a controllo numerico Introduzione Ing. Giulia Bruno Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della Produzione (DIGEP) e-mail: giulia.bruno@polito.it Sistema di Produzione Si definisce Sistema di produzione un insieme integrato di macchinari e risorse umane che compie una o più operazioni di trasformazione o di montaggio su un grezzo, una parte o un insieme di parti. I macchinari integrati includono: macchine e utensili per la lavorazione; sistemi di movimentazione; attrezzature di bloccaggio; computer per coordinare e controllare gli altri componenti. 2
La riduzione dei tempi t ciclo = t taglio effettivo + t improduttivo + t set up /Q TempoCiclo Numero di particolari da produ Specializzazione delle operazioni E t imp Operazioni contemporanee E t te Riduzione dei tempi di attrezzaggio E t su Automazione della movimentazione dei pezzi E t imp 3 Evoluzione dell automazione Manuale: tutte le funzioni di controllo e quelle ausiliarie (carico, scarico, collaudo ) sono affidate all uomo Semi-automatico: la macchina semiautomatica riduce l intervento dell uomo nel ciclo ma, a causa della maggior produttività, richiede un maggior impegno nelle attività ausiliarie 4
Evoluzione dell automazione Automatico: il processo e la movimentazione del pezzo sono automatiche, il collaudo è affidato all uomo Automatico con controllo in linea: il collaudo è automatizzato, il risultato della misura interagisce col processo, l intervento umano è richiesto solo in caso di guasto 5 La movimentazione a) b) La movimentazione può avvenire secondo un percorso fisso oppure variabile: un sistema automatico opera secondo un percorso fisso (b) un sistema semi automatico, in cui si lavora per lotti, può operare secondo uno schema variabile (a). La movimentazione del pezzo può avvenire direttamente oppure attraverso un pallet che è un attrezzo di bloccaggio progettato per essere trasportato insieme al pezzo da lavorare. 6
Funzione del computer Comunicazione e istruzione all operatore Download di programmi di lavoro Gestione delle operazioni Controllo del sistema di movimentazione Schedulazione della produzione Diagnostica dei guasti Controllo della qualità Statistica 7 Flessibilità Importante caratteristica di un sistema di produzione è la sua capacità di gestire i cambiamenti dei particolari o dei prodotti che è in grado di produrre. Scala di situazioni tipiche Impossibilità di gestire le varianti (capacità di lavorare un unico prodotto). Possibilità di gestire diverse tipologie di prodotti a lotti. Possibilità di gestire prodotti completamente diversi (mix di prodotti) 8
Flessibilità 4000 Produzione (pezzi/giorno) 3000 2000 1000 Linee transfert Linee Agili FMS 0 Prodotto Base Alcune varianti Centri di lavoro Molte varianti Prodotti evolutivi Flessibilità 9 Il Controllo Numerico Nei sistemi tradizionali di produzione con le macchine utensili, il disegno del pezzo costituisce una memoria con tutte le informazioni necessarie. L uomo interpreta le informazioni fornite dal disegno e le trasmette alla macchina effettuando le manovre necessarie. Viene pertanto a crearsi un rapporto indivisibile uomo-macchina, e a causa degli inevitabili errori personali, spesso legati alla ripetitività delle operazioni, il pezzo necessita di un accurato controllo finale. La necessità di macchine flessibili e versatili atte alla fabbricazione di piccoli lotti di pezzi diversi tra loro, di macchine ad elevata precisione che svincolassero l uomo dalla macchina stessa, lasciandogli solo la sorveglianza, ha determinato lo sviluppo delle macchine utensili a controllo numerico. La denominazione deriva dal fatto che le informazioni trasmesse alla macchina (posizionamento tavole, movimenti utensile, etc ) sono ricavate dal disegno e dal ciclo di lavorazione del pezzo e memorizzate in forma alfanumerica nella memoria dell Unità di Governo della macchina stessa. 10
Il Controllo Numerico - Definizione A system in which actions are controlled by the direct insertion of numerical data at some point Electronic Industries Association (EIA) Macchine controllate da un sistema elettronico progettato per accettare dati alfanumerici codificati e convertirli in segnali di OUTPUT (es. avvio/arresto mandrino, cambio utensile, movimenti del pezzo o dell utensile secondo un certo percorso) 11 Il Controllo Numerico Cenni storici 1947 John Parson concepisce l idea di una macchina comandata automaticamente con informazioni numeriche per la costruzione di eliche per elicotteri 1948 L US Air Force incarica Parson di applicare una Unità di Governo a Controllo Numerico ad una fresaalesatrice 1952 Parson in collaborazione con il MIT realizza una fresatrice a controllo numerico con movimento simultaneo dell utensile su tre assi 1955 Durante l esposizione di Chicago appaiono i primi modelli commerciali di macchine utensili a controllo numerico 1957 Il controllo numerico è accettato dalle industrie 1958-1960 Inizio della diffusione del CN presso le aziende 1960 DNC - Direct Numerical Control 1970 CNC - Computer Numerical Control 12
Il Controllo Numerico DNC e CNC DNC Direct Numerical Control Più macchine utensili controllate direttamente da un computer centrale, a cui si accede da terminale remoto MA: Se il computer centrale si spegne, tutte le macchine utensili sono inattive! CNC - Computer Numerical Control Il PC di controllo è parte integrante della macchina utensile. Il programma può essere preparato altrove. L operatore può agire sul PC di controllo manualmente per operare modifiche, creare nuovi programmi, salvare dati La crescita delle prestazioni dei PC ha favorito il CNC 13 Esempio di macchina utensile CNC 14
Esempi di pezzi realizzabili 15 Idea di base del CNC Il controllo numerico è un modo di controllare i movimenti di una macchina inserendo nel sistema istruzioni codificate in forma di numeri e lettere. Il sistema interpreta i dati e li trasforma in azioni. M03 M05 M08 G1X100 Y50 Z10F120 T46M06 SISTEMA Ruota mandrino arresta mandrino Apri refrigerante Vai al punto P(X,Y,Z) Cambia l utensile 16
Elementi di una MU CNC Dati in ingresso UNITA DI GOVERNO Cabina elettrica (circuiti di potenza) Struttura meccanica Azionamenti Tasduttori (posizione e velocità) 17 Elementi di una MU CNC Sulle macchine utensili CNC si verificano movimenti lineari e angolari (traslazioni rettilinee delle tavole e della testa operatrice, rotazioni di tavole girevoli e della testa). Tramite un programma, si fornisce all unità di governo (UG) un certo numero di informazioni geometriche e tecnologiche. L unità di governo le interpreta e trasmette segnali agli azionamenti (servomeccanismi) che comandano I movimenti delle tavole e della testa operatrice. Ogni spostamento è controllato da un trasduttore di posizione, che rileva una quota (lineare o angolare) rispetto a un origine prestabilita con una determinata precisione. I trasduttori di posizione segnalano all UG la posizione delle tavole rispetto al punto prefissato. La differenza tra posizione attuale e posizione stabilita viene elaborata per determinare la cinematica degli assi. 18
I trasduttori di posizione - Riga ottica 19 I trasduttori di posizione - Encoder 20
La struttura Caratteristiche della struttura: Adeguata rigidezza sia statica che dinamica Mantenimento nel tempo della geometria e delle dimensioni Ridotte distorsioni e variazioni dimensionali al variare della temperatura 21 Le guide 22
La trasmissione del moto Nelle macchine utensili a CNC la traslazione degli assi avviene, di norma da due elementi: il servomotore rotativo e la vite a ricircolo di sfere. In alternativa, oggi, s impiega il motore lineare, direttamente agente sulla tavola. 23 La vite a ricircolo di sfere 24
Schema di retroazione Il Controllo Numerico opera secondo uno schema ad anello chiuso con retroazione di posizione, velocità e accelerazione del tutto simile a quello impiegato da un uomo nell esecuzione della stessa funzione 25 Schema semplificato Configurazione impiegata nei plotter o in macchine utensili a CN di tipo didattico. Il servomotore è di tipo passo-passo senza retroazione di posizione e velocità 26
Lavorazioni per asportazione di truciolo Prodotto finito ottenuto rimovendo parte del materiale grezzo Moti di lavoro Moto di taglio: movimento che produce la separazione del truciolo dal pezzo Moto di alimentazione: movimento che porta sempre nuovo materiale per il taglio Moto di appostamento: movimento che definisce la profondità di taglio Truciolo Utensile 27 Pezzo Tornitura Lavorazione semplice ed economica Moti caratteristici T: moto di taglio rotatorio continuo impartito al pezzo dipendente da velocità mandrino (giri/min) e diametro pezzo A: moto di alimentazione rettilineo impartito all utensile Avanzamento espresso in mm/giro R: moto di appostamento rettilineo Profondità di passata (mm) 28
Esempi lavorazioni Tornitura cilindrica esterna Tornitura piana (sfacciatura) Tornitura superfici complesse Tornitura interna Filettatura interna/esterna Troncatura 29 Tornitura Utensili tipici per tornitura e filettatura Sgrossatura Rimuove quanto più materiale possibile Richiede un utensile più resistente Ha una velocità di avanzamento e una profondità di passata maggiore (negli esercizi usiamo 2-3 mm) Finitura Lavorazione più accurata Velocità di avanzamento e profondità di passata minori (1-0.5 mm) 30
Fresatura Lavorazione superfici piane Moti caratteristici Vt: moto di taglio rotatorio continuo impartito all utensile dipendente da velocità mandrino (giri/min) e diametro utensile Va: moto di alimentazione rettilineo impartito al pezzo Velocità avanzamento in mm/min p: moto di appostamento rettilineo Profondità di passata (mm) 31 Tipi fresatura Periferica asse utensile parallelo alla superficie del pezzo Frontale asse utensile perpendicolare alla superficie 32
Esempi lavorazioni Spianatura Esecuzione scanalature Scanalature con fresa cilindrica frontale 33 Assi macchina La denominazione degli assi macchina è definita nelle norme EIA RS-267-A, conformi alla UNI ISO 841. Le coordinate dell utensile nel suo movimento sono denominate X, Y e Z. L asse Z è l asse del mandrino, il verso positivo è quello che allontana l utensile dal pezzo. I movimenti controllati di rotazione attorno a X, Y e Z sono denominati A, B e C rispettivamente. La rotazione è positiva quando, guardando dall origine delle coordinate in direzione del verso positivo dell asse, la rotazione appare in senso orario. a z c b y 34 x
Assi macchina 2 assi (Torni) 2 1/2 assi (Fresatrici) 3..5 Assi (Fresatrici) >5 assi (Robot) C P n(x,y,z, q,f) z=z(x,y) 3 assi P z=z(x,y) 5 assi 35 Assi macchina - esempio tornio 36
Assi macchina - esempio fresatrice 37 Macchine utensili e assi macchina 38
Macchine utensili e assi macchina 39 Macchine utensili e assi macchina 40
Macchine utensili e assi macchina 41 Magazzini utensili 42
Magazzini utensili 43 Magazzini utensili 44
Magazzini utensili 45 Magazzini utensili 46
Esempi di pezzi realizzabili 47 Campi di applicazione Il Controllo Numerico è l inizio del Computer Aided Manufacturing (CAM), ossia l impiego del computer nella produzione. Alcuni campi di applicazione sono: Fresatura Foratura Alesatura Tornitura Rettificatura Taglio lamiera Elettroerosione Tranciatura Saldatura Manipolazione Montaggio Misura 48
Classificazione delle MU L applicazione del CN avviene su macchine utensili appositamente realizzate. Si possono avere: Macchine monoscopo (fresatrice, tornio, alesatrice) Macchine multiscopo o centri di lavorazione, in grado di fresare, alesare, forare, maschiare in un solo cicli di lavoro, con un solo posizionamento del pezzo e con utensile in rotazione Si possono inoltre avere: Macchine a mandrino orizzontale o verticale Macchine dotate di testa operatrice a due posizioni (orizzontale e verticale) Macchine con testa operatrice inclinabile con continuità entro una certa angolazione Macchine con cambio automatico dell utensile Macchine con tavole girevoli ad asse verticale o orizzontale Macchine con controllo su 2, 2 e ½, 3, 4, 5 e più assi Il CN è esteso anche a macchine non destinate alla lavorazione per asportazione di truciolo, oltre a tutta la robotica 49 Il Controllo Numerico Vantaggi e limiti Flessibilità della struttura produttiva Ripetibilità Alta velocità di produzione Elevata qualità del prodotto, riduzione scarti Riduzione costi diretti di manodopera e attrezzature Più operazioni con singolo setup; minore tempo per riposizionamenti Operatore meno specializzato di un fresatore o tornitore qualificato Lavoro non presidiato, una sola persona può controllare più macchine Riduzione aree occupate Elevato costo iniziale Programmazione richiede tempi e costi (strumenti di programmazione) Manutenzione macchine richiede personale specializzato 50
Giustificazione economica La decisione relativa all acquisto e all uso di MU a CN va inquadrata nel contesto dei programmi di lavorazione e sviluppo di un azienda. Il CN è particolarmente indicato per: Produzione di particolari in piccoli lotti che si alternano frequentemente Per la produzione di geometrie complesse Per cicli che richiedono l utilizzo di numerosi utensili Per lavorazioni in cui è prevista l asportazione di un rilevante volume di materiale Dove il pezzo subisce frequenti modifiche Per pezzi con tolleranze strette o controlli al 100% Dove il costo dello scarto è elevato La vita utile della macchina dipende dall ambiente in cui è installata, dall uso corretto e dall esecuzione degli interventi di manutenzione programmata. 51