MACCHINE A CONTROLLO NUMERICO

ISTITUTO PROFESSIONALE “M.CARRARA” Prof. Plano Alfonso

MACCHINE UTENSILI TRADIZIONALI Richiedono che tutte le informazioni siano trasmesse agli organi di movimentazione dall’operatore che agisce direttamente sui vari comandi. Per informazioni si intendono cambio utensili, bloccaggio del pezzo, predisposizione parametri di taglio, ecc.

MACCHINE A CONTROLLO NUMERICO (CN) Richiedono che tutte le informazioni vengono associate attraverso un codice alfanumerico, detto linguaggio di programmazione, a una serie di istruzioni che costituiscono il programma di lavoro.

Macchine tradizionali Macchine a controllo numerico

Spostamento utensile Volantino (manuale o automatico)

Servomotore

Spostamento contropunta

Volantino + leva Servomotore

Cambio velocità leva Variatore automatico

Scelta senso di rotazione mandrino

leva Comandi automatici M3-M4

Velocità massima rotazione

2500 giri/min 4500 giri/min

Potenza 5 Kw 25 Kw

Cambio utensili Manuale a macchine ferma automatico

Controllo dimensioni Manuale a macchine ferma automatico

Lavorazione A vista con schermo antiproiezione limitato alla

zona di taglio

Ambiente isolato dall’esterno con portali

mobili autobloccanti

I VANTAGGI

1. Eliminare le parti manuali di utilizzo della macchina per concentrare l’attenzione sulla tecnologia di produzione;

2. Ridurre o eliminare i tempi morti dovuti agli spostamenti manuali;

3. Annullare gli errori di posizionamento delle operazioni manuali;

4. Ridurre i tempi di lavorazione;

5. Costanza della qualità delle precisioni, ripetibilità dei pezzi.

Un’ altra caratteristica importante della macchine a CN è rappresentata dalla funzione di cambio utensili, in grado di ruotare una torretta portautensili e selezionare quello necessario alla lavorazione. L’operatore si limita a scrivere nel programma la posizione di quest’ultimo.

CAMBIO UTENSILI

L’operatore dovrà semplicemente comunicare il programma alla macchina, effettuare il montaggio del pezzo, avviare il ciclo e presiedere all’esecuzione della lavorazione che avviene tutta in automatico. Perché tutto questo si possa verificare è necessaria la presenza di una unità di governo. Tale unità interpreta le istruzioni del programma e le trasforma in segnali di comando che invia poi agli organi attuatori. Anche la macchina dovrà essere dotata di dispositivi elettronici, detti trasduttori, per dialogare con l’unità di governo.

OP

ERA

TOR

E

UNITà DI GOVERNO

MA

CC

HIN

A

PROGRAMMA

TRASDUTTORI

ATTUATORI

L’unità di governo rappresentata in figura risulta dotata di:

Microprocessore, per effettuare

calcoli geometrici e tecnologici

Tastiera alfanumerica, per

l’introduzione manuale del programma

Video display, per la comunicazione

visiva e la simulazione grafica del

percorso utensile prima della reale

esecuzione del pezzo con la macchina

Tasti funzione, di carattere

particolare come inizio programma,

stop, emergenza, ecc.

Le 3 categorie di unità di controllo dei movimenti degli assi: 1. PUNTO A PUNTO. Gli spostamenti avvengono senza controlli intermedi,

con il solo controllo della posizione iniziale e quella finale, senza nessun vicolo sulla traiettoria.

2. PARASSIALE. L’utensile si muove descrivendo traiettorie rettilinee e parallele agli assi della macchina.

3. CONTINUO. La traiettoria è controllata istante per istante descritta attraverso movimenti simultanei e coordinati fra gli assi.

1 2 3

L’unità di controllo di tipo “continuo” trova applicazione nei centri di lavoro e di tornitura. Possono a loro volta essere: • CNC nel piano (controllo di 2 assi X, Z ) • CNC due assi e mezzo (controllo di 2 assi X, Y e di un terzo per l’incremento di passata Z. • CNC nello spazio (controllo di 3 o più assi).

CONTROLLO AD ANELLO APERTO L’organo attuatore è costituito da motori passo-passo comandati da una serie di impulsi elettrici, generati dall’unità di governo. Ad ogni impulso corrisponde una precisa rotazione dell’albero motore e quindi un preciso spostamento delle slitte.

CONTROLLO AD ANELLO CHIUSO Per evitare errori di posizionamento e quindi nelle lavorazioni, ogni asse viene dotata di un trasduttore di posizione. Questo comunica istante per istante all’unità di governo la posizione assunta dall’asse di riferimento. Sulla base di questi segnali l’unità di governo invia i comandi ai servomotori che mettono in moto o arrestano le slitte.

Unità di governo

Impulsi elettrici

Motori passo-passo

Unità di governo

Impulsi elettrici

Motori passo-passo

Trasduttori posizione

Il motore passo-passo è un motore elettrico sincrono in corrente continua pulsata con gestione elettronica senza spazzole. È considerato la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione. Un motore simile è il motore brushless, che si differenzia per uno statore che viene alimentato perennemente in tutte le sue parti e non a rotazione, questo conferisce maggiori velocità di rotazione e potenze, ma non permette un controllo altrettanto preciso della posizione del rotore.

MOTORI PASSO PASSO

I motori passo-passo sono motori che, a differenza di tutti gli altri, hanno come scopo quello di mantenere fermo l'albero in una posizione di equilibrio: se alimentati si limitano infatti a bloccarsi in una ben precisa posizione angolare. È così possibile far ruotare l'albero nella posizione e alla velocità voluta semplicemente contando gli impulsi ed impostando la loro frequenza, visto che le posizioni di equilibrio dell'albero sono determinate meccanicamente con estrema precisione.

TRASDUTTORI DI POSIZIONE

Sono dispositivi elettronici in grado di trasformare una grandezza fisica in un segnale elettrico. Il trasduttore segnala, istante per istante, all’unità di governo le posizioni assunte dalle tavole nei loro movimenti verso il punto in cui devono fermarsi. Sulla base di questi comandi che l’unità di governo invia i comandi ai servomotori che mettono in moto o arrestano le tavole nelle posizioni previste da programma. I trasduttori di posizione possono essere: assoluti, se tutte le coordinate sono misurate rispetto ad un origine fissa (inductosyn). incrementali, quando lo spostamento è misurato come variazione delle coordinate rispetto alla posizione precedente (encoder).

INDUCTOSYN

RIGA

CURSORE (slider)

È formato da 2 parti: la riga e il cursore. La riga è montata sul bancale della macchina è costituita da un materiale isolante sul quale è riportato un circuito di rame a forma di greca con passo 2 mm. Il cursore (slider) è costituito da 2 circuiti con le stesse caratteristiche di quello della riga ma sfalsati di un quarto di passo. Il suo funzionamento è basato sull’induzione magnetica. L’ampiezza della corrente alternata indotta dipende dalla posizione del conduttore mobile.

ENCODER

Gli encoder o generatori di impulsi fotoelettrici sono costituiti da un disco trasparente su una corona circolare nel quale sono ricavati alternativamente dei tratti opachi e dei tratti trasparenti di uguale lunghezza. In direzione perpendicolare dell’encoder troviamo una sorgente luminosa e un sensore ottico. La variazione di intensità luminosa viene trasformata in variazione di impulsi elettrici da un diodo fotoelettrico.

La figura a sinistra rappresenta l’intero processo di lavorazione, che prevede le varie fasi: 1. Progettazione e disegno dell’oggetto

2. Elaborazione del programma di lavoro mediante l’individuazione della successione delle fasi (ciclo di lavoro), degli utensili e parametri di taglio.

3. Registrazione del programma pezzo sull’unità di governo mediante digitalizzazione da tastiera o trasferimento da computer.

4. Esecuzione automatica della lavorazione mediante macchina a CN

La trasmissione delle informazioni e dei comandi dell’uomo alla macchina avviene secondo un codice definito dalla norma ISO 6983, detto comunemente linguaggio di programmazione ISO. Programmare un controllo numerico significa scrivere una lista (programma), con la quale l’unità di governo riesce a trasmettere alla macchina, una dopo l’altra, le informazioni necessarie per compiere le azioni di lavoro sul pezzo.

Le informazioni necessarie all’utilizzo delle macchine utensili CNC sono: GEOMETRICHE: fanno riferimento alla forma e alle dimensioni dell’oggetto che si vuole realizzare. TECNOLOGICHE: fanno riferimento ai parametri di taglio. AUSILIARIE: fanno riferimento a tutti i comandi di accensione e spegnimento degli apparati delle macchine (refrigerante, contropunta, ecc.).

Per questa ragione è stato necessario attribuire un nome a ciascuna direzione di movimento delle slitte (assi). Il sistema ISO associa, normalmente, la lettera Z all’asse principale del mandrino, la lettera X all’asse trasversale. Nel primo caso il segno è positivo quando mi allontano dal mandrino, nel caso dell’asse X il segno è positivo quando mi allontano dall’asse mandrino (operatore in posizione di lavoro).

Z-

X+

X-

Z+

SISTEMI DI COORDINATE

La geometria del pezzo viene definita con una serie di punti identificati con coordinate X e Z rispetto ad una origine scelta in un punto definito dal pezzo. Le coordinate possono essere definite con valori assoluti o incrementali.

SISTEMA INCREMENTALE SISTEMA ASSOLUTO

SISTEMA INCREMENTALE CON IL TORNIO

A X0 Z0

B X-15 Z-20

C X8 Z0

D X0 Z-8

E X4 Z0

F X0 Z-22

G X-6 Z0

H X0 Z-8

A X9 Z58

SISTEMA ASSOLUTO CON IL TORNIO

A X30 Z20

B X0 Z0

C X16 Z0

D X16 Z-8

E X24 Z-8

F X24 Z-30

G X12 Z-30

H X12 Z-38

A X30 Z20

ATTENZIONE!!! Per convenzione la macchina legge le corrette coordinate di X solo se si considerano i diametri.

Tutte le quote partono da un punto fisso. Tale punto che chiameremo punto di riferimento, lo scegliamo lungo l’asse del pezzo. Conviene sempre che sia un punto sulla faccia esterna. In questo caso coinciderà col punto B e sarà sempre indicato con questo simbolo:

ESERCIZIO: Descrivere il pezzo sotto disegnato secondo il sistema assoluto in funzione del diametro.

A X.. Z..

B X.. Z..

C X.. Z..

D X.. Z..

E X.. Z..

F X.. Z..

G X.. Z..

H X.. Z..

A X.. Z..

ESERCIZIO: SOLUZIONE Descrivere il pezzo sotto disegnato secondo il sistema assoluto in funzione del diametro.

A X60 Z40

B X0 Z0

C X20 Z0

D X20 Z-28

E X30 Z-28

F X30 Z-67

G X42 Z-67

H X42 Z-110

A X60 Z40

PUNTI DI RIFERIMENTO

Prima di iniziare la vera e propria programmazione è necessario stabilire alcuni punti fondamentali:

•M punto zero macchina

•R punto di riferimento

•T punto di riferimento alloggiamento utensile

•P zero pezzo

R punto di riferimento: al momento dell’accensione, il CNC non conosce l’esatta posizione dell’utensile. Per poter definire un punto da cui iniziare il conteggio bisogna spostare l’utensile al cosiddetto punto di riferimento; solo successivamente si avrà la possibilità di effettuare la lavorazione. Tutti i moderni CNC possiedono sistemi di sicurezza tali da impedire il funzionamento della macchina qualora non sia stata fatta tale registrazione. M zero macchina: è posto sulla superficie frontale della flangia di montaggio mandrino in coincidenza dell’asse di rotazione. T alloggiamento utensile: si trova in corrispondenza della faccia frontale della torretta portautensili.

P punto zero pezzo: la definizione dell’origine del pezzo varia in funzione della quotatura, dall’esigenza del programmatore, dall’individuazione del punto più importante caratteristico dl pezzo ecc.. Tale punto può essere definito di volta in volta in una zona qualunque del campo operativo della macchina utensile. La scelta accurata del punto dove definire lo zero pezzo semplifica notevolmente il calcolo dei punti da programmare.

LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE ISO

Il codice abitualmente utilizzato per la programmazione delle macchine a controllo numerico, viene comunemente chiamato "codice ISO". I vari linguaggi utilizzati, infatti, fanno per lo più riferimento allo standard ISO 6983 che definisce gli elementi fondamentali di un linguaggio generico, adatto alla programmazione dei vari tipi di macchina utensile. Lo standard di linguaggio ISO 6983 non costituisce, comunque, un obbligo all'utilizzo da parte dei costruttori di CNC, che nella pratica adottano i codici principali dello standard, integrandoli con loro codici proprietari.

PROGRAMMA: Si può definire un programma come una sequenza ordinata di blocchi. L'ordine è quello di esecuzione. Il controllo leggerà tutto il programma e lo interpreterà un blocco alla volta, dal blocco di inizio fino al blocco di fine programma. A meno di specifiche istruzioni di salto o di interruzione, la lettura dei blocchi procede in successione.

Prima di parlare di linguaggio macchina occorre fare alcune precisazioni:

•CARATTERE: carattere alfanumerico (numero, lettera o simbolo) utilizzato per

esprimere una informazione (ES.: 1…G… %....)

•INDIRIZZO: è rappresentato da una lettera che identifica la tipologia di istruzione

(es.: G… X… Z… F…)

•PAROLA: è costituita da un indirizzo seguito da un valore numerico (es.: G00 X50

Z-35 F0.2)

•BLOCCO: è un insieme di parole che identificano le operazioni da eseguire

% /N120 G00 X50 Z-20

CARATTERE INDIRIZZO

PAROLA

BLOCCO

FUNZIONI

Numero di sequenza N _ _ _ _ Il numero di sequenza o blocco è identificato dall’indirizzo N seguito da un massimo di 4 cifre N0000, N9999. In pratica conviene scrivere i blocchi di 10 in 10, per esempio N0000, N0010, N0020, ecc. piuttosto che N1, N2, N3, perché nel primo modo si tengono a disposizione tutti i numeri intermedi per poter eventualmente inserire tra i blocchi di operazione già scritti, altri blocchi di operazioni. Es. N0060 G00 X100 Z-50 N0070 G01 X0 Z0 S150

Funzioni preparatorie G__ Fanno riferimento alle informazioni geometriche. Definiscono le modalità di esecuzione della lavorazione. Sono suddivise in gruppi e in un blocco può essere programmata una sola funzione per gruppo. Sono funzioni modali: se non si programma alcuna funzione resta valida l’ultima programmata. GRUPPO 0: G00, G01, G02, G03, G04 G00: posizionamento rapido interpolazione lineare alla massima velocità. Il movimento avviene simultaneamente su tutti gli assi, quindi bisogna essere sicuri di evitare possibili collisioni tra utensile e pezzo. Viene utilizzata per avvicinare o allontanare l’utensile nel minor tempo possibile. G01: interpolazione lineare, fornisce i punti iniziali e finali del segmento definendo la traiettoria dell’utensile. L’avanzamento è programmato mediante la funzione F. Anche il valore di avanzamento F è modale.

G02, G03: interpolazione circolare. Consente al CNC di eseguire tratti di circonferenza (archi). G02 interpolazione circolare oraria; G03 interpolazione circolare antioraria. Nel tornio si devono introdurre le coordinate del punto finale X..Y.. e del centro dell’arco I..K..(I parametro in X, K parametro in Z)

G04: l’esecuzione del programma si può interrompere per un determinato periodo di tempo. L’utensile rimane fermo nella posizione raggiunta per il tempo programmato. L’intervallo di tempo è programmato in decimi di secondo da 1 a 10000 con l’indirizzo D4.

GRUPPO 1: G96, G97 G96: velocità di taglio costante. Mantenendo la Vt [m/min] costante al diminuire del diametro aumenta il numero di giri e viceversa. Il valore va indicato con la lettera S.

ES. G96 S200

G97: programmazione diretta del numero di giri. Il valore va indicato con la lettera S.

ES. G97 S1200

GRUPPO 2: G94, G95 G94: indicazione avanzamento in mm/min

ES. G94 F50

G95: indicazione avanzamento in micron al giro

ES. G95 F0.25

GRUPPO 3: G53, G54, G55 G53: disattivazione spostamenti G54: richiamo spostamenti registro 1 G55: richiamo spostamenti registro 2 L’introduzione dei valori in questi registri si fa prima dell’esecuzione del programma tramite il pannello di comando nella tabella P.S.O.

GRUPPO 4: G92 G92: limitazione numero di giri. Quando si lavora a velocità di taglio costanti, bisogna accertarsi che l’aumento di velocità non sia troppo elevato quando si lavorano piccoli diametri.

ES. G92 S3000

GRUPPO 7: G70, G71 G70: misure in pollici G71: misure in millimetri

GRUPPO 8: G40, G41, G42 G40: disattivazione della compensazione utensile G41: compensazione utensile sinistra G42: compensazione utensile destra Durante le lavorazioni coniche o circolari l’utensile esegue un profilo uguale a quello programmato solo se ha una punta a spigolo vivo. Normalmente si utilizzano inserti a punti raggiata, di conseguenza si genera un profilo del pezzo spostato parallelamente rispetto al profilo programmato, di una quantità che varia in funzione del raggio dell’inserto. Si genera un profilo maggiorato durante il percorso in salita dell’utensile e un profilo ridotto durante il percorso in discesa. Risulta opportuno quindi apportare alcune modifiche al programma da realizzare.

INFORMAZIONI TECNOLOGICHE FONDAMENTALI F= avanzamento (feed) Esempio: G94 F 100 (avanzamento di 100 mm/min) G95 F 0.25 (avanzamento di 0.25 mm/giro) S= numero di giri (speed) Esempio: G96 S 200 (metri/min) G97 S 3200 (giri/min) T= cambio utensile (tool) la funzione T serve per attivare il cambio utensile al tornio CNC. Le prime 2 cifre indicano la posizione dell’utensile sulla torretta portautensili, la terza e quarta cifra indicano il numero del correttore geometria e usura dell’utensile. Esempio…. T 01.01.

CICLI FISSI Mediante i cicli fissi introdotte con opportune funzioni preparatorie si possono ottenere parecchie semplificazioni nella programmazione dei pezzi. Rappresentano delle macro istruzioni che sono strutturate in varie modalità a seconda dei vari costruttori cnc, anche se una certa standardizzazione è presente nella definizione della maggioranza dei cicli fissi. G84 CICLO DI TORNITURA FRONTALE E LONGITUDINALE Prima che un pezzo in lavorazione sia terminato con una passata di finitura, generalmente si effettuano più passate di sgrossatura. Queste possono essere programmate passo dopo passo , con una serie di blocchi di informazione con istruzioni G00 e G01. Per rendere più corto il programma il controllo offre la possibilità di programmare cicli di tornitura frontale e longitudinale con la funzione G84. L’utensile deve essere posizionato al punto di partenza prima di richiamare nel programma il ciclo. Oltre alle coordinate del punto finale della tornitura, col parametro D3 si specifica la profondità di passata così che il controllo possa calcolare da solo il numero di passate.

Esempio: G84 X22 Z-30 D3=500 F50 l’istruzione Può ESSERE INTERPRETATA come ciclo di tornitura frontale o longitudinale la differenza sta nella sequenza di immissione delle coordinate del punto finale di tornitura (ZX o XZ).

CONICITA’ Con il ciclo di tornitura longitudinale e frontale G84 si possono eseguire anche pezzi conici. In aggiunta ai valori delle profondità di passata e dell’avanzamento, per una completa descrizione del ciclo è necessario il punto dell’angolo (le sue coordinate) ed i parametri P0 e P2. Le dimensioni di P0 (direzioni X) e P2 (direzione Z) devono essere programmate con dimensioni incrementali considerato i segni operazionali + e – con riferimento al punto dell’angolo di contorno. Con l’aiuto di questo parametri il controllo calcola le lunghezze dei movimenti di ogni passate con la relativa passata obliqua dello spallamento conico. G85 FILETTATURA Nel ciclo di filettatura G85 si devono specificare le coordinate del punto finale di filettatura. Il valore in X determina il diametro di nocciolo per le filettature esterne o il diametro nominale nel caso delle filettature interne. La lunghezza si determina con il valore in Z. Con il parametro P2 si determina il valore dello scarico o uscita del filetto e con D3 la profondità della prima passata. D6 l’altezza del filetto. Le profondità delle altre passate sono calcolate dal controllo. Il passo della filettatura si programma con F in micron, l’angolo al vertice della filettatura con D5 (per le metriche vale 60)

FUNZIONI AUSILIARIE O MISCELLANEE M. Sono tutte quelle funzioni che non gestiscono movimenti della macchina utensili (funzioni G). Esse fungono da interruttore che attiva una apparecchiatura o la disattiva. Sono esempi il refrigerante, rotazione mandrino, ecc.. M00: arresto esecuzione programma intermedio. Si arrestano le slitte, mandrino e refrigerante vengono disattivati M03: rotazione mandrino oraria M04: rotazione antioraria mandrino M05: arresto rotazione mandrino M08: refrigerante ON M09: refrigerante OFF M17: fine del sottoprogramma M20: arretramento canotto contropunta M21: avanzamento canotto contropunta M30: fine del programma e ritorno all’inizio dello stesso. Contemporaneamente l’immissione refrigerante e la rotazione del mandrino vengono disattivate.