A cura di Massimo Reboldi a cura di Massimo Reboldi ! La macchina utensile è la madre di tutto ciò che tocchiamo, mangiamo, vestiamo … sogniamo! 2 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi In base ai gradi di flessibilità e produttività si distingue: ! Sistema flessibile di produzione; flessibilità ! Cella di produzione; produttività ! Centri di lavoro; ! Linea transfer; 13 a cura di Massimo Reboldi Centro di lavoro ! Tante tipologie di pezzi, poche quantità; ! Unico CNC con PLC integrato; ! Dispone di gestione utensili e cambio pallet; 14 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 19 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 22 a cura di Massimo Reboldi Vantaggi ! ELEVATA AUTOMAZIONE E FLESSIBILITA’ ! MIGLIORE QUALITA’ DEL PRODOTTO Svantaggi ! NECESSITA’ DELLA NUOVA FIGURA DEL PROGAMMATORE ! RIDUZIONE DEGLI SCARTI ! ELEVATO COSTO DI ACQUISTO ! RIDUZIONE ELLA MANODOPERA IN OFFICINA ! ELEVATO COSTO DI ! RIDUZIONE DELNUMERO DELLE MACCHINE (machining center) MANUTENZIONE ! POSSIBILITA’ DI REALIZZARE SUPERFICI PARTICOLARMENTE COMPLESSE 23 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! Il CNC è fornito di: ! memoria flessibile e ampliabile; ! Programmabile scrivendo un codice; ! Il programma del CNC è modificabile dall’operatore 25 a cura di Massimo Reboldi Struttura di un Centro di Lavoro 26 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi ! I segnali sono dati al servomotore dal processore; ! L’accuratezza dei movimenti e della posizione finale della tavola portapezzo non è verificata 37 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 41 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi ! 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 52 a cura di Massimo Reboldi 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 a cura di Massimo Reboldi 54 a cura di Massimo Reboldi ENCODER ASSOLUTO ! È costituito da una serie di piste che lette in modo ottico formano un codice digitale corrispondente alla posizione angolare 55 a cura di Massimo Reboldi ! 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