Um sistema de geração de trajetórias de ferramentas em 3 eixos

Abstract

A fabricação de peças mecânicas por usinagem tornou-se mais versátil com o uso de máquinas-ferramentas com Comando Numérico Computadorizado. Este recurso permitiu a obtenção de superfícies de geometria mais complexa, extremamente difíceis de se fabricar com máquinas convencionais. A tarefa de escrever os programas CNC para usinar tal geometria também não é fácil, sendo necessário recursos auxiliares para alcançar este objetivo. O embasamento para utilização desta tecnologia passa inicialmente pelos conceitos e fundamentos de máquinas-ferramentas com CNC, programação CNC e modelagem geométrica de superfícies. Na elaboração deste estudo foram analisados vários relatos sobre sistemas de geração de programas CNC, tipos de trajetórias de ferramentas, otimização de programas CNC, reconhecimento de forma e sistemas de simulação e verificação. Desta análise foi estruturada uma estratégia para realização deste trabalho, que trata da implementação de um sistema de geração de programas CNC para máquinas de 3 eixos, destinado a superfícies de forma livre. O software admite modelos de superfícies criadas em um modelador na forma paramétrica Bézier e gera segmentos de programa CNC para usiná-las em duas etapas: desbaste e acabamento. Do modelo paramétrico são geradas duas poligonalizações para estas duas etapas. A primeira, de menor resolução, é usada para a operação de desbaste, para seleção de ferramentas e para determinação das inclinações da superfície, dados necessários para a operação posterior. A segunda, de maior resolução, oferece melhores condições de aproximação da superfície paramétrica e permite a geração da trajetória usada no acabamento. A etapa de desbaste, destinada à remoção do excesso de material da peça, é realizada com uma ferramenta de extremidade cilíndrica trabalhando em vários planos de corte. Cada plano é usinado através de movimentos em ziguezague, e posteriormente faz-se uma trajetória equidistante ao contorno das cavidades ou protrusões existentes. Já a etapa de acabamento, que visa conferir a forma e dimens5o desejadas à peça, é realizada com uma ferramenta de extremidade esférica trabalhando em ziguezague por toda a superfície. Nesta etapa, são determinados espaçamentos diferenciados entre os movimentos da ferramenta, segundo as inclinações da superfície. Desta forma, consegue-se uma redução no número de comandos, sem perder em qualidade. Três casos são apresentados, sendo o primeiro, uma superfície formada por toda cavidade e uma protrusão, o segundo, uma cavidade e o terceiro uma protrusão. O primeiro caso apresenta todos os passos executados nestas etapas consideradas. Os demais apresentam os resultados obtidos. Para verificar o programa CNC gerado foi implementado um simulador que confere o resultado obtido com a superfície modelada na forma paramétrica. Este simulador também tem um funcionamento diferenciado para cada etapa de usinagem e confere uma boa precisão a peça acabada. Os resultados demonstram a eficiência do sistema quanto à sua rapidez e também quanto à forma da peça. Em função das resoluções consideradas nos sistemas de geração e de simulação, encontrou-se um erro entre a superfície paramétrica e a superfície simulada. Conclui-se que a utilização de maior resolução para a geração da trajetória da ferramenta na etapa de acabamento é decisiva para a redução do erro encontrado comparando o modelo paramétrico com a superfície simulada.

Manufacturing of mechanical pieces by machining became more versatile with the use of tool machines equipped with Computerized Numerical Control. This resource allows more complex geometry surfaces, which are very difficult of manufacture with conventional machines. Writing of CNC programs for machining such geometry is also not easy, demanding further resources to fulfill this goal. Basics of using this tecnology includes concepts and fundamentals of CNC tool machines, CNC programming and geometrical modeling of surfaces. In this dissertation, it were analysed several reports of CNC tool path generation systems, tool path types, CNC program optimization, form recognition and simulation and verification systems. From this analysis, it was designed a strategy to prepare this dissertation, whose main purpose was to implement a CNC program generation system for 3 axis machines for free-form surfaces. The software admits surface models designed in a modeler using Bezier parametric form and generates segments of CNC programs for machining in two stages: rough and finishing. From the parametric model, two poligonalizations are generated for these stages. The first, of lower resolution, is used for a rough operation, for tools selection and for determination of surface inclinations, which ares necessary data for later operations. The second poligonalization, of greater resolution, offers better conditions of aproximation to the parametric surface and allows the generation of the tool path used in finishing. The rough stage, used to remove excess of material in this piece, is realized with a cylindrical end cutter working in several cutting planes. Every plane is machined in zigzag movements and later is done a tool path with constant offset with the existent cavity or protrusions. The finishing stage, whose goal is to give the desirable form and dimension to the piece, is done with a ball-end cutter, working in zigzag upon the whole surface. In this stage, no equal distances are determined betwen the tool movements according to surface inclinations. Thus, a reduction in the number of commands is obtained without loss of quality. Three cases are presented, where the first one is a surface formed by a cavity and a protrusion, the second one is a cavity, and the third one is a protrusion The first case is completely presented with all the steps. In the others cases, results are given. In order to evaluate the generated CNC program, it was implemented a simulator that checks the results with the modeled surface. This simulator uses different approaches in each stage of machining and gives a good precision to piece finishing. The results demonstrate the system eficiency as to speed, performance and also to form. On account of resolutions considered in the generation system and in simulation, errors were found between the parametric and the simulated surfaces. Comparing the parametric model with the simulated surface, it is clear that the use of greater resolution during the generation of the tool path in the finishing stage is decisive to reduce the errors.