A geração de programas NC para máquinas-ferramentas multieixos, que estejam livres de colisões ou invasões da ferramenta na geometria da peça, não é uma tarefa simples de ser realizada. Isso decorre, entre outros fatores, do fato de o sistema CAM gerar a trajetória da ferramenta sem levar em consideração os movimentos característicos da máquina-ferramenta a ser utilizada.

Após o pós-processamento da trajetória da ferramenta gerada pelo sistema CAM, o programador não tem o conhecimento pleno dos movimentos, sendo necessária a verificação do programa NC por meio de testes de usinagem na própria máquina-fer ramenta. Isso acrescenta um grande risco de colisão entre eixos, peça e ferramenta, além de ocasionar um maior tempo para análise e verificação desses possíveis erros do programa NC.

Uma importante ferramenta para a verificação de erros em um programa NC é a simulação virtual de máquinas-ferramenta. Ela permite analisar e corrigir erros do programa NC por meio da simulação virtual dos movimentos dos eixos, permitindo um menor tempo de ajuste do programa e menor risco de colisão da máquina-ferramenta.

O objetivo deste artigo é proporcionar uma visão geral sobre simulação de máquinas-ferramentas virtuais, mostrando os tipos de simulação e suas características principais e também demonstrar um caso prático de simulação virtual de uma máquina-ferramenta com seus respectivos resultados.

 

Máquinas-ferramenta

Com o advento de novas tecnologias e a crescente demanda por produtos ergonômicos, aerodinâmicos ou com formas inovadoras, as empresas têm sido obrigadas a produzir moldes, matrizes ou peças com formas e superfícies complexas. Para realizar esse tipo de usinagem, porém, são necessários vários planos de trabalho e máquinas com três ou mais eixos, o que implica, muitas vezes, em vários posicionamentos de fixação na mesa da máquina para a usinagem, o que ocasiona maior tempo de setup. Este chega, em alguns casos, a ultrapassar o tempo de usinagem[2]. Além disso, pode resultar em:

Devido aos fatores citados, há uma tendência de as empresas adquirirem máquinas multieixos, tais como centros de usinagem 5 eixos ou máquinas multitarefa para a usinagem de superfícies complexas e peças com vários planos de trabalho. Essas máquinas possuem algumas vantagens[2,5] como:

No entanto, a usinagem de peças em máquinas multieixos é complexa. Todo o processo de usinagem deve ser levado em consideração, desde o modelo geométrico CAD, que pode influenciar a geração da trajetória da ferramenta e a qualidade superficial da peça usinada, até a programação CAM, uma vez que a geração da trajetória da ferramenta ainda possui grande dependência do conhecimento e interação do programador[4]. É necessário que o programador tenha o pleno conhecimento da máquina-ferramenta a ser utilizada, como sua estrutura, dispositivos de fixação e limites de movimento[4,9,11] .

Com a complexidade de programação ocasionada por esses fatores citados anteriormente, o processo de usinagem multieixos requer maior cuidado com relação à verificação da trajetória da ferramenta, pois erros de programação podem ocasionar colisões entre peça, ferramenta, dispositivos de fixação e a própria máquina-ferramenta. Para diminuir os riscos de colisão, é necessário não apenas fazer a verificação gráfica da trajetória da ferramenta sobre a peça a ser usinada, mas também a simulação virtual da máquina-ferramenta e de seus movimentos.

Além de diminuir os riscos de colisão, a simulação virtual de máquinas-ferramentas é uma excelente ferramenta no auxílio da programação NC, pois permite melhor visualização espacial dos componentes da máquina-ferramenta e melhor entendimento dos seus movimentos. A simulação virtual de máquinas-ferramentas pode ser realizada em sistemas CAM comerciais ou desenvolvida em plataformas gráficas como o OpenGL demonstrado pelos autores Lee e Lin [7]. A figura 1 mostra exemplos de simulação em software CAM.


Figura 1 – Visualização gráfica entre peça e ferramenta (a) e simulação com máquina-ferramenta virtual (b)

 

Simulação de usinagem com máquina-ferramenta virtual

A usinagem de peças complexas com máquinas multieixos não é uma tarefa fácil e envolve as seguintes etapas:

Este ciclo se repete até que o programa NC esteja isento de problemas, em consequência, além do risco de colisão ser alto, o tempo de ajuste do programa é maior. Desse modo, o desenvolvimento e aplicação de uma máquina-ferramenta virtual se faz necessário, visando a melhoria deste processo de usinagem.

A simulação de usinagem com máquina-ferramenta virtual permite ao programador verificar a trajetória da ferramenta e analisar as possíveis falhas dentro da programação, além de analisar a transição entre métodos de usinagem e otimizar os processos de programação e usinagem.

A figura 2 mostra um fluxograma de programação CAM para máquinas multieixos.


Figura 2 – Etapas para programação NC em máquinas multieixos[6]

 

Tipos de simulação

A simulação de usinagem com máquina-ferramenta virtual pode ser de dois tipos: cinemática e dinâmica. Como o próprio nome diz, a cinemática simula os movimentos e limites reais dos eixos de uma máquina ferramenta, permitindo a visualização realística do posicionamento da peça em relação aos dispositivos de fixação e eixos, e análise, também de forma realística, do comportamento da máquina-ferramenta com relação ao programa NC gerado.

O desenvolvimento das máquinas-ferramentas virtuais não é uma tarefa simples. Para a simulação cinemática realística das máquinas é necessário realizar a modelagem da máquina-ferramenta em um sistema CAD, desenvolver um controle numérico virtual (VNC - Virtual Numerical Control), e integrar ambos ao sistema CAM.

No mercado, há softwares que possuem módulos para a criação de pós-processadores e VNCs que integram os modelos geométricos de máquinas-ferramentas e controles numéricos virtuais aos sistemas CAM. No entanto, de acordo com alguns autores[3,12], é possível o desenvolvimento de simuladores virtuais baseados em algoritmos por meio de software de programação ou via internet.

Já a simulação dinâmica de máquinas-ferramentas virtuais consiste não só apenas na movimentação dos eixos, mas também nas forças e velocidades que atuam no processo de usinagem. Por meio desse tipo de simulação, é possível analisar, além dos possíveis problemas do programa NC, forças de corte atuantes no processo de usinagem, vibrações e estabilidade da máquina-ferramenta, o que possibilita a otimização do processo de usinagem[1] .

Para o desenvolvimento de máquinas-ferramentas virtuais que possuam simulações dinâmicas, são necessárias tanto a implementação dos movimentos e limites reais da máquina-ferramenta, como algoritmos de programação que simulem as forças de corte, a deflexão de ferramenta e máquina de acordo com o material usinado.

Segundo Pörnbacher[8], existem programas de computador específicos que possibilitam a otimização do processo de usinagem pela análise de força de corte e análise de elementos finitos, e que devem ser integrados à cadeia CAD/CAM. A simulação descrita pelo autor[8] não é dinâmica, pois o processo de análise é feito por etapas como: simulação cinemática da máquina-ferramenta virtual, que indica a ocorrência de colisão entre ferramenta, peça, e dispositivo de fixação; e a análise de forças de corte por meio de dispositivos de medição fixados na máquina-ferramenta real.

Os resultados são inseridos em um simulador de forças de corte, e a última etapa realizada é a análise por elementos finitos do dispositivo de fixação, feita por outro software. Segundo o autor, os resultados fornecem informações importantes para a segurança e otimização do processo de usinagem.

O trabalho de Tuysuz et al[10] demonstra que, para melhores resultados na usinagem de peças com geometrias complexas, também se faz necessária a simulação de forças de corte nos processos de usinagem com o método de elementos finitos.

 

Método para simulação cinemática e dinâmica

Conforme o objetivo deste artigo, para a demonstração de um caso prático de simulação cinemática, foi utilizado o software NX5 com seus respectivos módulos CAD, CAM, Machine Tool Builder e Post Builder. A máquina-ferramenta utilizada como base para realização da simulação virtual foi uma Hermle C600U com 5 eixos.

O modelo geométrico da máquina-ferramenta foi fornecido pelo Centro de Competência em Manufatura, localizado no Instituto Tecnológico da Aeronáutica, com todas as peças tais como eixos, dispositivos de fixação, sistemas de refrigeração com dimensões exatas da máquina real. Posteriormente, foi desenvolvimento o comando numérico virtual que, juntamente como o modelo geométrico CAD da máquina-ferramenta, foi integrado ao sistema CAM.

Para verificação da eficiência da máquina-ferramenta virtual, foi desenvolvida uma peça teste em um sistema CAD e, posteriormente, foi realizada a programação NC com duas operações: desbaste e acabamento. O método de desbaste proporcionou movimentos de 2 1⁄2 eixos e utilizou uma estratégia de corte zig-zag com passos longitudinais em relação à peça. O método de acabamento proporcionou movimentos com 4 eixos simultâneos, utilizou uma estratégia de corte zig-zag com passos transversais em relação à peça e posicionamento da ferramenta normal em relação à superfície complexa.

Para a demonstração do caso prático para a simulação dinâmica, foi utilizado o software Siemens Real NC 8.4, sistema Machine Configurator, e software Siemens NX 7.5. A máquina-ferramenta utilizada como base para realização da simulação virtual dinâmica foi uma Grob G-503, com 4 eixos. A peça para execução do estudo de caso possui 50 atividades envolvidas na usinagem, entre elas: operações de desbaste, furação, abertura de canal e passagem de óleo.

 

Caso prático

Com base em um centro de usinagem 5 eixos com movimentos lineares X, Y, Z em seu cabeçote e de rotação A e B em sua mesa, a máquina virtual desenvolvida tem o intuito de apenas simular sua cinemática para posterior análise de colisão e estratégia de corte. Iniciou-se o desenvolvimento da máquina virtual por meio do modelo geométrico CAD, que contém todas as peças modeladas de acordo com as medidas da máquina-ferramenta real. Todas as peças da máquina ferramenta virtual foram montadas em um único arquivo, de forma que as posições dos eixos da máquina estivessem no ponto zero ou posição de troca de ferramenta, como mostra a figura 3.


Figura 3 – Montagem final da máquina virtual (posição zero máquina)
 

Por meio do módulo Machine Tool Builder, foram adicionados os sentidos de giro e translação, positivo e negativo de cada eixo com seus respectivos limites, de acordo com as características da máquina-ferramenta real. As junções entre eixos, peça e dispositivo de fixação e ferramenta e cabeçote também foram simuladas, como mostra a figura 4.


Figura 4 – Exemplo de adição de movimento, sentido e limite do eixo
 

Após a máquina-ferramenta virtual montada, a mesma foi adicionada na biblioteca de máquinas-ferramenta do NX5.

O VNC (Virtual Numerical Control) foi desenvolvido com o módulo Post Builder do NX5, que permitiu a realização do mapeamento de todos os eixos e junções da máquina virtual, e tornou possível a simulação cinemática idêntica à real. Uma peça teste foi modelada para testar os movimentos da máquina virtual e seu programa NC foi gerado pelo módulo CAM, no qual estão contidos os métodos de desbaste (2 1⁄2 eixos) e acabamento (4 eixos).

 

Simulação dinâmica

Para a simulação dinâmica, o mesmo procedimento de montagem de uma máquina virtual é válido, ou seja, há a necessidade de modelar e impor tar para o sistema real NC os componentes da máquina-ferramenta. Alguns fatores devem ser considerados, entre eles, o tipo e a quantidade de juntas, a hierarquia entre os eixos da máquina (ou dependência de movimentação), o que é crucial na definição da cinemática. Também é muito importante saber a origem e direções do sistema de coordenadas (zero máquina) e a origem dos arquivos geométricos.

A diferença está na criação do controle numérico virtual. Neste caso, o CSE (Common Simulation Engine) é usado para permitir a utilização dos controladores específi cos mais comuns (Sinumerik, Fanuc e Rexroth) e proporciona maior precisão durante a simulação.

Para se definir um controlador CSE, deve-se alterar o tipo de controlador que vem predefinido como Anycontroller para controlador CSE. Depois, deve ser criado um arquivo MCF (Machine Configurator File), no qual serão inseridos os parâmetros dinâmicos da máquina, tais como eixos, comando numérico específico da máquina, pós processador que gera a linguagem NC e comandos específicos de máquinas-ferramentas especiais. A figura 5 mostra um exemplo de inserção de parâmetros dinâmicos para cada eixo da máquina-ferramenta virtual.


Figura 5 – Definição de parâmetros dinâmicos dos eixos
 

A figura 6 mostra um fluxograma contendo todas as etapas para a realização de simulação cinemática e dinâmica de máquina-ferramenta virtual.


Figura 6 – Fluxograma para simulação cinemática e dinâmica
 

Primeiramente, para a construção do modelo de máquina-ferramenta virtual as built (modelo virtual com geometria e parâmetros cinemáticos/dinâmicos iguais aos da máquina real) é necessária a construção da simulação cinemática para o estudo das movimentações, detecção de colisões e melhoria nas estratégias de corte.

Na simulação cinemática, as etapas consistem na obtenção ou construção do modelo geométrico do centro de usinagem no sistema CAD. As peças são selecionadas para a formação de conjuntos, ou seja, peças que fazem parte da montagem de um determinado eixo da máquina ou estrutura, que realizarão a movimentação ou farão parte da estrutura da máquina.

Em seguida é feita uma montagem completa do modelo da máquina-ferramenta. Com o modelo CAD preparado, é feita a configuração da cinemática, quando são definidos, por meio dos conjuntos (conjunto de peças) referentes a cada eixo, os tipos (rotativo ou linear), sentido de movimentação, limites de deslocamento e zero máquina. Essas informações podem ser adquiridas diretamente na máquina real ou por catálogos da fabricante.

Realizada toda a configuração e inserção de parâmetros, é verificada a acurácia da cinemática dos eixos para a construção do modelo de máquina virtual com simulação dinâmica. Para a inserção da dinâmica, é necessária a aquisição dos parâmetros reais de velocidades, acelerações, jerk e K v do centro de usinagem real. Esses devem ser adquiridos diretamente no centro de usinagem, pois pode existir uma variação entre o especificado pela fabricante e o real.

Com os parâmetros dinâmicos inseridos na máquina ferramenta virtual, deve ser realizada uma simulação com a leitura do programa NC da usinagem para que o modelo possa ser considerado como a máquina virtual as built. Para que o sistema de simulação possa realizar a interpretação do programa NC, deve ser criado um programa de inicialização da máquina com o controlador igual ao real. Este irá chamar todos os programas e subprogramas para que o controlador realize a interpretação dos códigos NC e faça com que a máquina vir tual funcione corretamente.

Construído o modelo dinâmico com um controlador numérico, é feita a análise da movimentação e dos tempos de usinagem. Caso não esteja equivalente ao da máquina real, é necessário calibrar os parâmetros na máquina-ferramenta virtual. Se este alcançar os mesmos tempos da real, será considerado um modelo virtual as built.

 

Resultados e discussão

Ao verificar a trajetória da ferramenta pela visualização gráfica entre peça e ferramenta, como mostra a figura 7, foi detectado um erro de programação NC: a invasão da ferramenta na geometria da peça teste. Portanto, foi necessário corrigir o erro apresentado.


Figura 7 – Ocorrência de invasão da geometria (visualização gráfica)
 

Corrigido o erro, em uma verificação tradicional, após o pós-processamento do arquivo CL gerado pelo módulo CAM, o programador teria que verificar novamente a trajetória da ferramenta pela usinagem em vazio ou em resina. Posteriormente, teria que analisar os possíveis erros de programação com relação à inclinação da ferramenta, o que atribui um grande risco de colisão ou invasão da ferramenta na geometria da peça e maior tempo de ajuste do programa.

No caso da peça teste, após a geração da trajetória da ferramenta e verificação gráfica entre peça e ferramenta, esta foi submetida à simulação com a máquina-ferramenta virtual, como mostra a figura 8.


Figura 8 – Análise de colisão (simulação de máquina virtual)
 

Com a simulação da máquina-ferramenta virtual, foi possível detectar uma outra ocorrência de erro na programação NC: colisão entre cabeçote e dispositivo de fixação. A utilização da máquina-ferramenta virtual permitiu a correção do programa NC sem que houvesse a necessidade da presença da máquina-ferramenta real para o ajuste e correção do programa.

Com a simulação da máquina-ferramenta virtual, também foi possível otimizar as estratégias de corte, analisando os limites e possibilidades de inclinação da fer ramenta sem que houvesse colisões e invasões da ferramenta na geometria da peça.

No estudo de caso utilizando simulação dinâmica, foi realizada uma análise da movimentação dos eixos e dos tempos de usinagem da máquina-ferramenta real visando a calibração da máquina-ferramenta virtual para, deste modo, considerar os tempos para simulação as built. Quando os tempos não correspondem ao da máquina real, é necessário retornar à etapa de configuração de dinâmica da máquina-ferramenta virtual, e verificar os parâmetros Kv e jerk.

Com os tempos de simulação da máquina iguais aos reais, foi possível a realização de otimizações de trajetória de ferramenta e de processo, o que permitiu o estudo de propostas ou alterações de processo de usinagem. A simulação dinâmica é essencial para tomadas de decisões e, neste trabalho, foram realizadas propostas diferentes de otimização para dois processos diferentes de usinagem.

Na primeira operação foi alcançada uma redução de tempo de 4,14% na trajetória da ferramenta e de 12,18% no tempo de processo. Na segunda, houve uma redução de tempo de usinagem na ordem de 4,22% pela otimização da trajetória da ferramenta e de 1,73% pela otimização de processo.

De acordo com tempo de troca de ferramentas, este também é contabilizado, permitindo um resultado dinâmico muito próximo do real. Isso possibilitou estudar esta troca de acordo com o posicionamento de ferramentas no magazine, e permitiu uma otimização deste para uma troca mais rápida.

 

Conclusão

Apesar da verificação gráfica entre peça e ferramenta de corte ser amplamente utilizada no ambiente CAD/CAM para a usinagem de super fícies complexas com fresamento 3 eixos, sua aplicação no processo de usinagem com fresamento de 3+2 eixos possui diversas restrições. Isso representa, inclusive, uma limitação no fresamento com 5 eixos simultâneos.

Conforme se observa nesse artigo, a simulação do processo de usinagem com o uso de máquinas-fer ramentas vir tuais é uma solução para a usinagem de superfícies complexas no fresamento com 4 e 5 eixos simultâneos. Esse tipo de simulação para a verificação da trajetória da ferramenta se mostra uma importante ferramenta para análise, correções e otimizações de programas NC gerados por sistemas CAM.

Com essa tecnologia, é possível diminuir o tempo de ajustes do programa NC, além de não necessitar da máquina-ferramenta real para esta tarefa, o que diminui e até elimina o tempo de máquina parada. A simulação virtual também evita o grande risco de colisões e invasões da fer ramenta na geometria da peça. A implantação dessa tecnologia, porém, envolve etapas desde o desenvolvimento do modelo geométrico da máquina-fer ramenta em um sistema CAD até o desenvolvimento do comando numérico virtual e a integração de ambos dentro do sistema CAM.

 

Referências

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  2. Beckman, L.: 5 Advantages of 5-axis machining, production machining, 2012. Disponível em: <http://www.productionmachining.com/articles/5-advantages-of-5-axis-machining >. Acesso em: 15 dez. 2014.
  3. Boz, Y.; Lazoglu, I.: A postprocessor for table-tilting type five-axis machine tool based on generalized kinematics with variable federate implementation. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 66, p. 1.285-1.293, 2013.
  4. Gomes, J. O.; Silva, A. S. A.; Souza, G. O.: Desenvolvimentos necessários para o fresamento em 5 eixos simultâneos. 3o Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes, São Paulo, SP, 10 a 12 de agosto de 2005.
  5. Jaje, J.: Challenges to five-axis machining for moldmaking. MoldMaking Technology, 2007. Disponível em: <http://www.moldmakingtechnology.com/articles/challenges-to-five-axis-machining-for-moldmaking>, Acesso em: 18 set. 2014.
  6. Lauwers, B.; Dejongle, P.; Kruth, J. P.: Optimal and collision free tool posture in five-axis machining through the tight integration of tool path and machine simulation. Computer Aided Design 35, p. 421-432, 2003.
  7. Lee, R. S.; Lin, Y. H.: Development of universal environment for constructing 5-axis virtual machine tool based on modified D–H notation and OpenGL. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 26, p. 253-262, 2010.
  8. Pörnbacher, C. et al: Integração de processos de simulação otimiza cadeia CAD/CAM. Máquinas e Metais, Editora Aranda, no 507, p. 38-49, 2008.
  9. Silva, A. S. A.: Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para turbina a gás. Dissertação de Mestrado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, 133 p., São José dos Campos, SP, 2006.
  10. Tuysuz, O.; Altintas, Y.; Feng, H.: Prediction of cutting forces in three and five-axis ball-end milling with tool indentation effect. International Journal of Machine Tools & Manufacture 66, p. 66-81, 2013.
  11. Wang, Q. H.; Li, J. R.; Zhou, R. R.: Graphics-assisted approach to rapid collision detection for multi-axis machining. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 30, p. 853-863, 2006.
  12. Zhu, X.; Wang, Y.; Fu, H.: A 3-D simulation system for milling machining based on STEP-NC. Proceedings of the 6th World Congress on Inteligent Control and Automation, Dalian, China, 21 a 23 de junho, 2006.

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