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Macchine a controllo numerico computerizzato 4.0: cosa sono, come funzionano, quali vantaggi offrono

Ormai diffusissime nelle lavorazioni industriali, per la realizzazione di oggetti con estrema precisione da materiali molto diversi, grazie alle istruzioni impartite da un computer, le macchine CNC ora si sono evolute in Cyber-Physical Machine Tools

03 Feb 2020

Pierluigi Sandonnini

giornalista

Le macchine CNC (Computerized Numerical Control), o macchine a controllo numerico computerizzato, sono utensili i cui movimenti vengono controllati da un dispositivo digitale integrato nella macchina. Il grande vantaggio sta nel fatto che i movimenti e le funzioni sono prestabiliti, ovvero vengono preimpostati via specifici software. Questa caratteristica rende le macchine CNC ideali per svolgere lavorazioni ad alta precisione che richiedono lunghi tempi.

L’evoluzione della macchine CNC ha portato a nuovi sistemi realizzati secondo i dettami dell’Industria 4.0. Tali sistemi sono contraddistinti dall’essere smart, connessi, ampiamente accessibili, con maggiore capacità di adattamento e autonomia. Tuttavia, le macchine CNC non vanno confuse con i robot, realizzati mediante tecnologie più evolute e in grado di adattarsi e reagire alle variazioni dell’ambiente e agli ostacoli improvvisi. Queste macchine, inoltre, devono essere sempre controllate da un operatore, il quale ha il compito di impostare il programma, preparare i grezzi da lavorare e intervenire in caso di problemi o correzioni nella lavorazione.

Breve storia delle macchine CNC

Le prime macchine a controllo numerico furono sviluppate presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) nella seconda metà degli anni ‘40, a seguito di alcune attività di ricerca legate alla realizzazione dei componenti di un nuovo aeroplano progettato dalla Lockheed. Il primo passo fu l’adattamento delle macchine convenzionali di allora al controllo numerico. Le prime macchine CN vennero concepite per cicli di lavorazione fissi o manuali; i sistemi di controllo aggiunto servivano soltanto al posizionamento relativo tra utensile e componente in lavorazione. Sebbene venivano contenuti i tempi di lavorazione in maniera consistente, all’operatore spettava ancora la scelta relativa all’utensile, alle velocità e ai percorsi di lavorazione. La soluzione successiva consistette nel controllo continuo degli utensili secondo movimenti coordinati e contemporanei nei tre assi cartesiani (assi controllati).

Una tappa ulteriore nel loro progresso fu quella data dall’ottenimento della sottrazione del materiale in contemporanea al controllo degli spostamenti relativi utensile-componente in lavorazione. Tali macchine presentavano anche soluzioni di memorizzazione delle impostazioni su sistemi a nastro magnetico o a schede perforate, difficili da editare e con scarse capacità di memorizzazione. Nei decenni successivi allo sviluppo delle prime macchine CN presso il MIT, iniziarono a essere sviluppati i primi linguaggi di programmazione del controllo numerico. Tra questi, quello che divenne il più comunemente usato e che venne approvato come standard fu il G – Code. Nel 1980 il linguaggio G – Code divenne standard EIA RS-274-D; tale norma fu quasi interamente trascritta nello standard ISO 6983. Tale linguaggio viene attualmente usato anche nelle più avanzate macchine CNC, con poche differenze e aggiornamenti da parte dei produttori dei sistemi di controllo. L’avvento di un linguaggio ha  determinato, grazie anche ai progressi nei computer  negli anni Settanta, l’introduzione delle macchine utensili CNC.

Le lavorazioni dove queste macchine offrono particolari vantaggi sono: la realizzazione di pezzi di forma complessa, l’esecuzione di pezzi con tolleranza ristretta; le lavorazioni di leghe leggere con elevate velocità di taglio; le operazioni ripetitive e di breve durata; la realizzazione di pezzi simili ma non esattamente uguali; la realizzazione di pezzi in lotti periodici (creazione di archivio); la realizzazione di lavorazioni difficili anche con operatori non qualificati.

Le macchine a controllo numerico vengono principalmente utilizzate per asportare pezzi di materiale grezzo per creare oggetti di qualsiasi tipo, finanche componenti meccanici di alta precisione. A partire da un blocco di materiale grezzo, quindi, la macchina CNC (ad esempio una fresa), asporta materiale fino all’ottenimento dell’oggetto finito. Queste macchine sono molto diffuse nelle lavorazioni industriali per la loro capacità di lavorare un’ampia varietà di materiali: legno, ferro, plastica, poliuretani, polistirolo Eps e Xps, metalli leggeri e altro.

Tecnologie a confronto

Macchina tradizionaleMacchina CNC
Alta manualitàQualità sostanzialmente

svincolata dalle capacità

operative dell’uomo

Tempi di fermo macchina

consistenti

Tempi passivi ridotti

Possibilità di erroriErrori possibili solo in fase

di programmazione

Elevata dipendenza di

produttività e qualità

dall’abilità dell’operatore

Produttività molto elevata

Caratteristiche delle macchine CN

– un motore per ogni asse controllato

– organi in movimento dotati di trasduttori per individuarne continuamente la posizione

– moti rettilinei guidati da viti a ricircolo di sfere

– movimenti sincronizzati e simultanei

– potenze installate mediamente superiori rispetto alle macchine tradizionali

– velocità dei movimenti superiori rispetto alle macchine tradizionali

– meccanismi portautensili per set-up e il cambio veloci degli utensili

– dispositivi porta-pallet per la sostituzione rapida dei pezzi in lavorazione

– convogliatori tali da facilitare la raccolta e l’evacuazione dei trucioli

– barriere scorrevoli a delimitare l’area di lavoro per la sicurezza degli operatori

Esistono elementi di riferimento comuni a tutte le macchine CNC: il pezzo viene considerato sempre fermo, sono gli utensili a essere dotati di movimento. Il movimento è individuato attraverso un sistema di tre assi cartesiani X, Y, Z secondo la regola detta “della mano destra”.

Le rotazioni attorno a detti assi sono convenzionalmente indicate con A, B, C. Ulteriori assi di riferimento paralleli agli assi principali vengono detti U, V, W e quindi P, Q, R

Struttura meccanica delle macchine CNC

Date le velocità e le potenze in gioco, superiori rispetto alle macchine tradizionali, le macchine CNC devono avere strutture (bancali, teste, montanti, guide) e meccanismi (mandrini, cambi di velocità e di avanzamento) molto più robusti. I materiali utilizzati sono: acciaio (resistente) e ghisa  (smorzante), ma anche particolari in composti polimerici (o addirittura in calcestruzzo) laddove sussistono problemi di smorzamenti o di attrito. Per ovviare al problema delle guide in acciaio temperato soggette a elevati fenomeni di usura per attrito specie alle basse velocità (stick-slip) si utilizzano guide lineari rivestite con materiali polimerici.

La necessità di cambio automatico di utensili comporta l’utilizzo di portautensili, ovvero interfacce mandrino-utensili di tipo standardizzato. Le elevate velocità (fino a 20.000-40.000 giri/min) comportano sistemi di fissaggio assolutamente precisi.

Tutti gli utensili da impiegarsi per la lavorazione di un pezzo e di un set di pezzi devono essere posizionati nel magazzino portautensili della macchina utensile. Prima di esservi posizionati, off-line, sono controllati e ne viene eseguito il presetting (determinazione delle loro dimensioni rispetto a un punto di riferimento fisso). Si definiscono così i correttori delle dimensioni di ciascun utensile rispetto alle quote programmate. I correttori devono essere memorizzati nell’unità di governo in modo da poter eseguire correttamente le lavorazioni. La capacità dei magazzini utensili può arrivare a qualche centinaio di utensili presenti contemporaneamente.

Il dispositivo di cambio utensile (ATC – Automatic Tool Changer) deve evitare perdite di tempo durante i cambi, ragione per la quale è importante che possa posizionarsi vicino al mandrino quando necessario. I cambi utensile necessitano di qualche secondo (tempo truciolo-truciolo).

Il sistema di selezione utensili può utilizzare diversi sistemi di gestione:

  • a stazione codificata: con posti precisi assegnati a ciascun utensile
  • a utensile codificato: con lettura grazie a un chip magnetico
  • a utensile programmato: con disposizione iniziale e successiva gestione random

I Centri di lavoro sono macchine multiscopo altamente flessibili sulle quali è possibile effettuare un elevato numero di operazioni (alesatura, foratura, fresatura, filettatura).

Unità di governo delle macchine CNC

 L’unità di governo è l’hardware che controlla completamente il funzionamento della macchina e nella versione CNC è del tutto simile a un comune computer. Elementi dell’unità di governo sono: scheda microprocessore, che gestisce le interfacce con tutte le periferiche ammissibili; scheda master che smista i comandi ai diversi organi, motori, servomotori; gestisce gli interpolatori che controllano le traiettorie (velocità e accelerazioni) degli organi in movimento, controlla i comparatori che segnalano lo scostamento tra quota raggiunta e da raggiungere, effettua i controlli delle funzioni ausiliarie (fluido da taglio, cambio utensili). Inoltre, schede input-output quali servosistemi, trasduttori, microinterruttori. Prima di cominciare qualunque lavorazione è fondamentale individuare lo “zero” che costituirà l’origine di partenza di tutte le istruzioni di movimento

Prestazioni di un sistema CNC

  • funzionamento sia in automatico che in semiautomatico
  • caricamento programmi durante la lavorazione
  • numero di assi controllabili
  • funzione “look ahead” di pre-esame dinamico dei parametri di lavorazione
  • compensazione dinamica degli errori di inversione del moto
  • compensazione degli errori di misura dei trasduttori
  • compensazione degli errori di deformazione termica
  • gestione di vita dell’utensile

Oltre all’applicazione principale del controllo numerico nell’ambito dell’asportazione di truciolo, esistono altri ambiti applicativi, quali: robot, macchine di misura, centri per la lavorazione della lamiera, sistemi di taglio anche non convenzionali (laser, water jet).

L’insieme di più macchine a controllo numerico compongono i cosiddetti FMS – Flexible Manufacturing Systems, basati sul collegamento informatico delle singole unità con un pc centrale che gestisce lo smistamento dei lavori da svolgere tra le diverse macchine.

La programmazione delle macchine a controllo numerico

Grazie alla loro programmabilità, queste macchine possono adattarsi a produzioni molto variabili. Le unità di governo consentono di eseguire i programmi per la maggior parte delle lavorazioni con una grande semplicità. I linguaggi di programmazione seguono abbastanza fedelmente le raccomandazioni ISO. I linguaggi sono dunque praticamente standardizzati.

La programmazione può essere:

– manuale, quando l’operatore mediante il linguaggio della macchina scrive la sequenza delle operazioni dopo aver analizzato il disegno direttamente sull’interfaccia conversazionale della macchina stessa; tale programmazione è detta appunto anche conversazionale o interattiva in quanto è il software stesso che interroga l’operatore circa le sue esigenze e realizza successivamente il part program. Può peraltro essere eseguita off-line con l’ausilio di simulatori.

– automatica, quando l’operatore, scrivendo un programma in un linguaggio apposito (ad es. APT – Automatically Programmed Tools), descrive la sequenza delle operazioni. Il computer genera il CL- (Cutter Location) file che contiene le traiettorie degli utensili. Un post-processore traduce i dati generati nel programma per il controllo numerico specifico della macchina utensile

L’integrazione con i sistemi CAM e CAPP

 I sistemi CAD possono essere integrati con il relativo pacchetto CAM che permette di creare, a partire dal disegno, il part program con i percorsi utensile da passare direttamente alla macchina CNC per realizzare le operazioni di lavorazione. Le fasi della sessione di lavoro sono: richiamo di un modello di lavorazione contenente le informazioni geometriche del pezzo finito e del grezzo con i relativi sovrametalli; utilizzo di un database tecnologico con le macchine da utilizzare e le attrezzature necessarie; definire le macchine da utilizzare, la sequenza di lavorazione, la scelta degli utensili; simulazione a video della lavorazione e quindi delle scelte effettuate; memorizzazione del file così realizzato e traduzione in linguaggio macchina.

Tali sistemi non hanno comunque quelle caratteristiche di intelligenza tecnologica che consentono di prescindere dall’esperienza di un operatore esperto: solo i sistemi CAPP consentono di superare tale fase. Essi generano automaticamente i cicli di lavorazione sulla base delle informazioni ricavate dal disegno, delle indicazioni sui metodi di lavorazioni scelti e delle macchine utensili a disposizione. I sistemi CAPP operano tradizionalmente secondo due approcci:

Approccio variante

Generato un ciclo di lavorazione base che contenga tutte le lavorazioni possibili per un famiglia di pezzi. Si procede tenendolo sempre come riferimento e adattandolo di volta in volta con variazioni al pezzo da mettere in lavorazione. Si basa sul concetto che pezzi tecnologicamente simili comportano anche macchine, cicli, utensili simili. Di conseguenza gli aspetti fondamentali di tale approccio sono: la generazione di un database di varianti; l’individuazione di pezzi “simili”. A tal proposito diventa fondamentale la Group Technology, ovvero i metodi utilizzati per raggruppare in famiglie i pezzi in funzione delle loro similitudini geometriche e tecnologiche.

L’implementazione si basa su due fasi:

– preparatoria: è quella più onerosa nella quale i pezzi vengono classificati e raggruppati in famiglie. Per ogni famiglia, rappresentabile dal “pezzo complesso” si prepara il ciclo tipo. Si lasciano le dimensioni geometriche in forma parametrica.

– operativa: per ogni pezzo da lavorare si estraggono le informazioni archiviate per la lavorazione. Si operano quindi manualmente pochi ritocchi specifici. Tale sistema è adatto quando si tratta di poche famiglie composte da molti pezzi simili

Approccio generativo

Le informazioni sono tratte dal disegno del pezzo da lavorare. Ne viene generato il ciclo di lavorazione in funzione di algoritmi decisionali che tengono conto di tutte le caratteristiche geometriche del pezzo e dei processi di lavorazione disponibili. Il ciclo di lavorazione viene generato automaticamente per ogni nuovo pezzo basandosi sulle conoscenze tecnologiche proprie dell’azienda informatizzate e gestite per mezzo di software appositi.

Vi sono due sistemi di logica decisionale per operare le scelte: la “Tecnica degli alberi decisionali” e il “sistema Knowledge Based”.

Tecnica degli alberi decisionali

La tecnica prevede come riferimento una struttura ad albero fisso organizzata in modo tale che le varie alternative si scelga sulla base dei criteri effettivamente adottati in ambito aziendale. Consente di procedere in modo spedito e sicuro per casi semplici. In casi complessi i software per l’implementazione sono molto articolati e costosi.

Sistema Knowledge Based

Il sistema opera delle scelte sulla base di regole del tipo IF-THEN (“se…, allora…”) sempre secondo le conoscenze e le esperienze dei tecnici. Il software per l’implementazione deve essere tale da poter integrare facilmente su di una base le conoscenze che via via vi si vogliano aggiungere. Si presenta quindi decisamente più flessibile rispetto alla tecnica degli alberi decisionali. In generale un sistema generativo è conveniente quando si tratta di un numero elevato di famiglie composte da molti pezzi.

Sistemi semigenerativi

Sono nati dall’esperienza realizzata con gli altri due sistemi. Prevedono le tecniche generative ma applicate a famiglie di prodotti con un’ampia possibilità di introduzione di modifiche. Sono meno flessibili e veloci ma certamente più capaci di adattarsi effettivamente alle specifiche realtà.

Le macchine CNC 4.0

Le macchine utensili ciberfisiche (Cyber-Physical Machine Tools, CPMT) costituiscono un elemento essenziale dei CPPS (Sistemi Ciberfisici di Produzione) e comprendono macchinari smart, sistemi di stoccaggio e impianti di produzione che dispongono di integrazioni end-to-end basate su tecnologie ICT.

Le CPMT sono costituite dall’integrazione di una macchina utensile, dei processi di lavorazione, dei sistemi di calcolo e di collegamento in rete; i computer integrati e i collegamenti in rete consentono di monitorare e controllare i processi di lavorazione, con circuiti di feedback grazie ai quali i processi di lavorazione possono influenzare i calcoli e viceversa.

Le CPMT dispongono inoltre di propri modelli cibernetici, che fanno sì che le macchine utensili fisiche siano dotate di astrazioni e interfacce cibernetiche.

A livello delle attività di progettazione delle relative catene cinematiche, la realizzazione di componenti critici quali, ad esempio, mandrini e guide di scorrimento, dovrà essere tale che, una volta ottenuti i dati dai sensori  a essi collegati, il modello cibernetico di ciascun componente analizzi i dati in modo da fornire funzioni avanzate come l’auto-diagnosi e l’auto-previsione.

I dati di controllo della macchine (come, ad esempio, il percorso utensile ricavato dal sistema di attuazione) possono essere aggregati alle informazioni sui componenti in modo da monitorare lo stato di funzionamento tramite il modello cibernetico della macchina stessa.

È evidente come la criticità fondamentale sia data dai requisiti di connettività tra la macchina utensile e il suo modello cibernetico.

Conclusioni

Le macchine CNC offrono un buon compromesso tra produttività e flessibilità, i due parametri fondamentali e qualificanti di qualsiasi sistema produttivo, in quanto garantiscono tempi ridotti di esecuzione (produttività) e tempi passivi minimi (flessibilità). La produttività si estrinseca nella capacità di lavorare una quantità elevata di pezzi in un tempo assegnato rispettando livelli prefissati di qualità e di costo; la flessibilità nella capacità di adattarsi velocemente a lavorare un gran numero di pezzi dalle caratteristiche diverse.

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