André Gradil, Bruno Martins e João Quintas IPN – Instituto Pedro Nunes
especial sobre Tecnologia 4.0 para Máquinas e Ferramentas no Futuro 54 robótica
Maquinagem assistida por ferramentas inteligentes INTRODUÇÃO A Indústria 4.0 vem trazer um novo paradigma no que diz respeito à produtividade e sustentabilidade dos processos produtivos. Sendo assim, a sintonia na comunicação entre máquinas, a aquisição e tratamento de dados gerados, tem de ser perfeita para a otimização dos processos produtivos. Portanto, a conectividade, a Inteligência Artificial e a sensorização de componentes são pilares fundamentais da tão aclamada Industrial Internet of Things (IIoT). Considerando os processos de corte por arranque de apara, nomeadamente o torneamento ou fresagem, o conhecimento e monitorização in-situ do estado da ferramenta de corte alicerça toda esta sintonia de comunicação; desde a transmissão do estado da ferramenta até à aglomeração e tratamento desses dados, de forma a serem interpretados ativamente para existir uma resposta dinâmica nos parâmetros de corte introduzidos na máquina CNC. No processo de fresagem, a maior parte de energia mecânica para proceder ao corte dos materiais é convertida em calor, que é maioritariamente concentrado na ferramenta devido ao processo termomecânico de deformação plástica, que sucede entre aresta de corte da ferramenta e apara do material a maquinar. Em ligas de difícil maquinabilidade, como por exemplo, ligas de titânio, tal torna o processo de corte mais complexo devido às suas propriedades mecânicas, mas especialmente, à sua baixa condutividade térmica; o calor gerado durante o processo concentra-se essencialmente na ferramenta de corte. Assim, a temperatura é o parâmetro mais interessante a ser estudado para contribuir para o aumento do tempo de vida útil da ferramenta, a redução de peças não-conformes, e a proteção dos principais componentes das máquinas CNC De forma a responder a essa necessidade, no âmbito do projeto Sm@rtEdge – Desenvolvimento de Ferramentas Inteligentes, foi desenvolvida uma ferramenta de corte para fresagem com características inovadoras no que concerne à sensorização e transmissão de sinal em trabalho, e em ambiente industrial, sem comprometer o layout da zona de trabalho, quer do operador, quer da máquina CNC. Esta ferramenta permite medir a temperatura de corte da in-situ ao mesmo tempo que transmite os valores de temperatura de forma sem fios para um computador.
O sistema de aquisição e comunicação encapsulado em torno da ferramenta utiliza um ADC de 24 bits, de modo a garantir a cobertura de uma gama vasta de temperaturas com o grau de precisão necessário, e envia os dados com recurso a tecnologia wireless Bluetooth 4.1. No caso do protótipo de fresagem foi necessário desenvolver uma PCB circular de forma a equilibrar o corpo e não introduzir vibrações “parasitas”; uma vez que esta irá ser submetida à mesma velocidade que a ferramenta. Para evitar abrir o protótipo e manter a sua estanquecidade, foi incorporado um sistema bipolar on/off magnético, em que o sistema liga na presença de um polo magnético e desliga na presença do polo oposto, visto na Figura 1.
Figura 1. Sistema On/Off Magnético.
Os dados enviados são captados pelo recetor no PC, onde são tratados e visualizados num software criado para o efeito, e onde pode ser feita a seleção da ferramenta e material a maquinar, Figura 2.
Figura 2. Software de configuração e visualização de dados.
EQUIPAMENTOS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS Para a realização de testes semi-industriais foi desenvolvido um equipamento com base no cone convencional BT-40. O equipamento permite a fixação da ferramenta de corte com o sensor de temperatura – da forma tradicional pelo operador – e incorpora no seu interior todo o sistema de comunicação e transmissão de dados, completamente protegido do ambiente severo durante este tipo de operações, como por exemplo, a libertação de apara e fluidos de corte a alta pressão.
Este cone de fixação, com valências extraordinárias, foi desenvolvido pelo Instituto Pedro Nunes através da colaboração entre os seus laboratórios de investigação em materiais e eletrónica (LED&MAT e LAS). A ferramenta de corte 332.120.00 foi projetada e fabricada pela INOVATOOLS Portugal e o revestimento protetor foi concebido pelo Instituto Pedro Nunes conjuntamente com a TEandM e a Universidade Nova de Lisboa. O cone e ferramenta de corte podem ser visualizados na Figura 3.