Storia ed evoluzione, dalla fresa industriale al modello hobbistico

STF 3La lavorazione meccanica di fresatura è ben nota e considerata una normalissima operazione industriale, ossia una lavorazione meccanica a freddo, che funziona per asportazione di truciolo, proprio come la tornitura e la foratura, e che viene effettuata tramite l’azione di un utensile rotante sul proprio asse, la fresa, su un pezzo in moto di avanzamento, che viene “scolpito” fino alla forma desiderata.

Più difficile da stabilire è la storia travagliata della macchina fresatrice, probabilmente nata in maniera oscura in qualche bottega artigiana nei primi decenni del 1800 e lestamente sviluppatasi alla pratica comune che conosciamo oggi.

Siamo verso il 1750, e all’origine della fresatrice c’è il tornio, sovente, per limare i pezzi più rapidamente di quanto si potesse fare a mano, vi venivano montate delle lime rotanti.

Stiamo però parlando di una lavorazione molto semplice e grossolana.
Verso il 1760 troviamo invece le prime vere macchine fresatrici, ossia non torni con un utensile speciale, ma macchine con questo puro esatto scopo.
Nel 1814 negli Stati Uniti, nei due arsenali federali, si sviluppò un modello molto più progredito, per la fresatura dei bulloni esagonali, in ogni caso, ancora in questi decenni, la fresatura era vista come un modo di risparmiare tempo sulla sgrossatura per poi portare a termine a mano il lavoro di finitura.

STF 4Furono invenzioni successive, come il movimento sui tre assi integrato da Brown e Sharpe nel loro eccezionale modello del 1861, a rendere possibile un lavoro compiuto e aprire la strada a ulteriori innovazioni, che furono continue negli anni precedenti alla Prima Guerra Mondiale.

Uno dei primi brevetti di fresa è datato 1885,
E’ verso la fine della Prima Guerra Mondiale che la continua ricerca di esattezza nella lavorazione raggiunse una tappa capitale,  fu infatti in questi anni che venne approfondito il concetto di dimensionamento relativo, ossia di misurazioni condotte sul pezzo tutte a partire da un unico punto di riferimento, e che la precisione normale delle macchine raggiunse i centesimi di millimetro,  erano gli albori del controllo numerico delle macchine oggi dato per ovvio.

Con pantografiche permettevano di plasmare i movimenti della macchina tracciando le linee di un modello, fu possibile realizzare, già negli anni ’30, enormi fresatrici come la Cincinnati STF 5Hydro-Tel, a questo punto pressoché identiche a quelle odierne se si prescinde dal controllo computerizzato.

La tecnologia del dopoguerra fu segnata dal culminare dello sviluppo dei servomeccanismi, e dalla nascita delle tecnologie
digitali. Originata dagli investimenti di ricerca militari,

la tecnologia si diffuse più rapidamente precisamente nel settore industriale e meccanico, in questo come in tanti altri casi tipici degli anni ’40 e ’50 del secolo scorso.

STF 6Nei decenni successivi, il controllo numerico andò evolvendosi verso il controllo computerizzato dei macchinari, fino all’esplosione tecnologica degli anni ’80 che, con il personal computer, portò macchine a controllo digitale finanche nelle botteghe più piccole.

Nel XX secolo l’accelerazione tecnologica dovuta alla diffusione dell’informatica e della microelettronica ha permesso alle imprese di disporre di nuove tecnologie che, utilizzate in modo adeguato, consentono di soddisfare le esigenze di mercato e di ottimizzare la qualità minimizzando i costi.
Alla base del processo di informatizzazione del ciclo produttivo, per la produzione in piccola e media serie al minimo costo, è situata la macchina utensile a controllo numerico (MU/CN).


STF 7Grazie ad essa è sta
to possibile ridurre notevolmente i tempi di preparazione della macchina per la lavorazione di pezzi diversi con la semplice sostituzione di un preciso programma elaborato da un programma CAM e trasferito via supporto magnetico (chiavetta USB),  o direttamente via cavo di rete, alla macchina operatrice, sostituendo cosi i preistorici nastri perforati utilizzati dalle prime macchine CNC.


Il linguaggio di programmazione e il CAM

Il codice ISO

STF 8Una qualsiasi macchina a controllo numerico, che sia una fresa, un tornio o una rettifica, ha bisogno di ricevere le “istruzioni” su come muovere i propri assi o meccanismi, tali istruzioni sono scritte in apposito formato detto anche codice ISO o codice macchina.

Il codice ISO è uno speciale e relativamente semplice linguaggio macchina che il CNC è in grado di comprendere ed eseguire.

Questo linguaggio in origine serviva per programmare le lavorazioni direttamente a bordo macchina, con una tastiera alfanumerica, senza l'uso di software CAM.

Si tratta di una sequenza di comandi semplici, che la macchina esegue nell'ordine, e di alcune altre istruzioni standard, quali il numero di giri del mandrino e le velocità di spostamento nelle varie situazioni (lavoro, risalita, discesa, rapido, ecc.).

STF 9Il linguaggio più comune è il Codice G o Codice ISO, un semplice linguaggio sviluppato per le prime macchine CNC negli anni settanta.

 

 

 

 Il CAM

 

 


La definizione di CAM è: Computer Aided Manufacturing,  si riferisce all'uso di vari pacchetti software per creare codice ISO e per il funzionamento di un CNC , basato su modello 3D (CAD) di dati.

STF 10Nel passato, quando la lavorazione era complessa, ci si è accorti che dover programmare a bordo macchina direttamente usando i codici ISO manualmente, diventava molto complesso, lungo e di difficile modifica.
È grazie ai programmi CAM che si è reso possibile convertire il disegno della lavorazione da eseguire (2D o 3D), direttamente in codice ISO, con la possibilità di simulare la lavorazione e controllandone l’esattezza del percorso utensile. È importante notare che in realtà non è il CAM a comandare direttamente la macchina, ma crea solo il codice del percorso da seguire.
La programmazione CAM, come la modellazione 3D, richiede conoscenze ed esperienza nella gestione del programma, lo sviluppo di strategie di lavorazione, STF 11conoscendo a fondo le funzioni e gli strumenti da utilizzare in ogni situazione possiamo ottenere i migliori risultati.
Di programmi CAM ne esistono centinaia di tipi, i più noti sono Mastercam, GibsCam, RhinoCam, alcuni sono specifici per tipologia di lavorazioni, vedi ArtCam nel settore oggettistica o CopperCam per la fresatura di circuiti stampati.

 

 

 

 

 Il PostProcessor

 

 Mentre il Codice ISO è di fatto un linguaggio “standard”, i costruttori di macchine sono liberi di personalizzarlo, per incorporarvi funzioni supplementari e specifiche di ogni macchina: per questo motivo il Codice G creato per una macchina può non essere adatto ad un'altra.
Alcuni costruttori hanno addirittura sviluppato propri linguaggi di programmazione, come Heidenhain, Mazak/Mazatrol.
Di conseguenza, per tradurre i percorsi utensile calcolati dal software CAM in un linguaggio specifico per la singola macchina, è necessario un ulteriore software “ponte”, chiamato Postprocessor, che, una volta correttamente configurato, si incarica di tradurre il codice generico in un linguaggio specifico per la macchina per la quale è stato compilato. 
Questo permette a qualsiasi CAM di calcolare percorsi per qualsiasi macchina.

Ciclo di Flusso

Quello che segue è il riassunto di come si trasforma un pezzo disegnato al CAD in pezzo finito.

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Fisicamente  il programma CAM può essere presente in un computer vicino alla fresa CNC, è l’operatore che utilizza la fresa ad utilizzare il CAM, poiché è a conoscenza di tutte le caratteristiche del materiale da lavorare e dei vari utensili fresa presenti nella macchina.
STF 13In altre situazioni le stazioni CAD e CAM sono situate in un ufficio tecnico, e da qui il percorso utensile viene inviato alla macchina tramite un collegamento di rete o supporti di memorizzazione tipo chiavette USB.
Nelle frese CNC di ultima generazione, grazie a console macchina sempre più sofisticate, è possibile disegnare e fare l’elaborazione CAM direttamente a bordo macchina, questo richiede una elevata specializzazione dell’operatore.

 

Evoluzione “fisica” della fresa

 

Straordinaria è stata la trasformazione della meccanica della macchina.
STF 14Le prime frese manuali erano un orgoglio della tecnologia meccanica, nel loro interno erano presenti decine di pezzi meccanici che le componevano; ingranaggi, alberi, scatola del cambio, guide, cinematismi, camme, ecc. ecc.

Ogni movimento era meccanico e solo grazie alla cinematica era possibile eseguire determinate movimentazioni sia degli assi che degli avanzamenti automatici.

La stessa variazione di velocità del mandrino era possibile grazie ad un sistema di cinghie o a una scatola cambio ad ingranaggi.
Tutti questi organi meccanici avevano diversi lati negativi: necessitavano di lubrificazione, erano soggetti ad usura e giochi di funzionamento, rotture e manutenzioni periodiche, oltre che ad un costo elevato della macchina stessa.

Con l’evoluzione tecnologica dell’elettronica e dei servomeccanismi, molte di queste parti meccaniche sono state completamente rimpiazzate e con maggiori funzionalità.

STF 15Ora un semplice motore elettrico trifase comandato da inverter permette di avere un range di velocità del mandrino illimitato.

Servomotori controllati da appositi driver consentono movimenti interpolati con precisioni millesimali.

La macchina diventa quindi molto più semplice meccanicamente, ma altamente più complessa elettronicamente.
Si è passati quindi da problemi meccanici dovuti a vibrazioni di organi in movimento o giochi dei cinematismi a problemi derivati da interferenze elettroniche, “bug” di programmi o rottura di schede elettroniche.


STF 16Se prima una fresa meccanica manuale aveva praticamente una durata illimitata vincolata solo alla sostituzione di parti meccaniche facilmente ricostruibili, ora le moderne frese CNC hanno il loro ciclo di vita vincolato al reperimento delle schede elettroniche che le compongono, e queste non rimangono in produzione per lungo tempo.
Di fatto però le odierne frese CNC permettono lavorazioni di gran lunga più complesse e veloci rispetto alle vecchie frese meccaniche manuali.

 

 

 

 

 

 COMPONENTI DI UNA MACCHINA UTENSILE A CONTROLLO NUMERICO

 I principali organi che costituiscono una macchina utensile a controllo numerico sono: unità di governo, guide, servomeccanismi e trasduttori.

 

L’unità di governo:

 L’unità di governo  è il sistema che riceve e/o crea i percorsi utensile, elaborandoli poi in segnali che andranno a comandare i servomeccanismi che fisicamente muoveranno gli assi della macchina.
L’evoluzione di questa unità è stata notevole nel corso degli ultimi anni, permettendo il controllo fino a 7 assi interpolati con la gestione di complesse lavorazioni.
STF 17Il numero degli assi in una fresa CNC varia normalmente da 3 a 7 assi, la gestione di una fresa a 3 assi è relativamente semplice in termini di programmazione dei percorsi utensile, da 4 assi in su, si ha la necessità di utilizzare un CAM più complesso e specializzato, che permetta il controllo delle collisioni tra assi e pezzo.
Una errata programmazione del percorso può provocare seri e costosi danni alla macchina.
Nel mercato oggi i controlli più diffusi sono: Fanuc, Siemens, Selca  e  Heidenhain, anche nel  mondo hobbistico sono nati semplici controlli, che però hanno funzionalità di tutto rispetto.
Un controllo industriale è sostanzialmente composto da una consolle costituita da un monitor LCD dove è possibile vedere il codice ISO, la lavorazione, la posizione degli assi, velocita di lavorazioni e tutti i controlli attivi della macchina.

 

STF 18Nella consolle troviamo anche una tastiera per l’immissione ed elaborazione dei dati, una serie di pulsanti agevola il controllo più immediato dei comandi macchina, per lo spostamento manuale degli assi si usa invece un joystick a volantino, sul quale, un apposito selettore, permette di selezionare ogni singolo asse e la risoluzione dello spostamento.
La consolle è gestita nel suo interno da un computer industriale, con sistema operativo che può essere anche Windows.

 

 

 

STF 20La consolle si interfaccia quindi con il quadro elettronico del controller, qui risiedono i driver di potenza per ogni singolo asse.
Il driver è una scheda elettronica che comanda elettricamente un servomotore.
Oltre ai driver è presente l’inverter che regola la velocità di rotazione dell’elettromandrino,  tutta una serie di relais di comando per i dispositivi ausiliari della macchina, quali elettrovalvole, gruppo cambio utensile, refrigerante e sistemi di sicurezza.
Tutto il quadro elettronico è gestito da uno o più PLC che dialoga con la consolle di comando.
Il quadro elettronico è posto normalmente nella parte posteriore della macchina, protetto da polvere e olio, spesso viene refrigerato da un piccolo condizionatore che ne regola al suo interno l’umidità e la temperatura.

 

Le guide:

Le guide sono gli organi su cui scorrono le slitte, sono la parte più importante che condiziona la precisione della macchina utensile.
Le tipologie di guide maggiormente utilizzate sono:
STF 21Del tipo ghisa su ghisa (o a coda di rondine), è uno dei primi sistemi usati sia nelle frese meccaniche che nei torni.
Di facile realizzazione, costo contenuto e con possibilità di regolazione.
E’ un sistema ancora usato su macchine manuali di basso costo
Possono essere rivestite di materiale composito, per ridurre l’attrito.
Guide prismatiche a ricircolo di sfere, grazie alla riduzione di costi per la loro produzione, sono il sistema più usato nelle odierne macchine utensili.

STF 22Hanno una precisione inferiore al centesimo di millimetro, basso coefficiente di attrito, possibilità di registrazione del gioco, lunga durata di funzionamento grazie al continuo ricircolo delle sfere durante gli spostamenti.

 

I servomeccanismi:

 

Il servomeccanismo è il dispositivo che permette di trasformare un segnale elettrico in un movimento meccanico, è l’organo che permette la maggior parte dei movimenti della macchina, quali gli spostamenti degli assi e il cambio utensile, il servomeccanismo riceve i segnali dall’ unità di controllo.

 

 Composizione di un servomeccanismo:

STF 24Un amplificatore, è una scheda elettronica che riceve i segnali provenienti da una unità di controllo, li amplifica e li trasforma in determinate forme d’onda. Controlla inoltre che tutti i segnali di movimento siano eseguiti dall’organo di comando (sistema ad anello chiuso). 
Una unità di potenza, questa unità riceve i segnali precedentemente amplificati e modulati e manda in uscita la corrente e tensione necessaria per azionare l’organo di controllo. Amplificatore e unità di potenza sono normalmente integrati in un'unica scheda chiamata anche “Driver di controllo servomotore”
L’organo di comando, è la parte finale che trasforma l’energia elettrica in movimento meccanico, è generalmente un motore elettrico abbinato ad un trasduttore (encoder), è STF 25chiamato generalmente “Servomotore”.
Normalmente, i servomotori  funzionano in base al principio di retroazione, dove la grandezza di controllo all'ingresso viene comparata alla grandezza in uscita, misurata con qualche genere di trasduttori. Qualsiasi differenza tra il valore attuale e quello voluto, viene amplificato ed impiegato per azionare il sistema nella direzione necessaria per ridurre od eliminare l'errore.

Trasmissione del moto:

 

Per la trasmissione del moto, nelle macchine utensili, vengono utilizzate le viti a ricircolo di sfere, perché esse trasformano con il massimo rendimento un movimento di rotazione in un movimento di traslazione.
STF 26Le sfere circolano nella pista di rotolamento e sono riportate al loro punto di partenza per mezzo di tubi (condotti) di ritorno, che possono essere interni oppure esterni.
Rispetto alla vite trapezoidale, l’attrito è considerevolmente ridotto e corrispondentemente è ridotta l’energia per azionare la vite (o la chiocciola).
Dato l’attrito assai ridotto, è possibile ottenere un rendimento meccanico del 90% con conseguente minor usura, lunga durata ed un’ ottima affidabilità nella precisione di posizionamento.

 

SISTEMI DI CONTROLLO

Nelle macchine utensili a CN, si hanno due sistemi fondamentali:

  • OPEN LOOP (ad anello aperto)
  • CLOSED LOOP (ad anello chiuso)

 Controllo ad anello aperto

 

STF 34E’ una tecnica di controllo contrapposta al controllo in retroazione. Si distingue da esso per l'assenza di una misura diretta della grandezza da controllare, poiché l'ingresso del sistema da controllare è calcolato sulla base delle caratteristiche note di tale sistema e sull'eventuale misura dei disturbi agenti su esso. I segnali dall’unità di governo vengono trasformati direttamente in movimenti e quindi posizionamenti, privi di controllo rispetto alla posizione da raggiungere.

 

Vantaggi 

 

  • L'assenza di una misura diretta della grandezza da controllare ha un impatto positivo su costi e tempi di implementazione del controllore, oltre che sul peso.
  • La possibilità di eliminare sensori per la misura della grandezza da controllare comporta anche un vantaggio in termini di affidabilità, in quanto il corretto funzionamento del sistema di controllo non dipenderà dal funzionamento del sensore o dal sistema di acquisizione dei dati letti dal sensore.
  • L'assenza di ritardi nella lettura dell'uscita misurata (dovuti alle dinamiche del sistema o dei sensori) garantisce una migliore prontezza di risposta.

 Svantaggi 

  • La necessità di sviluppare un modello matematico accurato, si traduce in prove sperimentali sul sistema con conseguente aumento dei costi di sviluppo.
  • Scarsa robustezza alle variazioni parametriche nel modello, dovute all'invecchiamento dei componenti.
  • Scarsa robustezza alla presenza di disturbi agenti sul sistema.

Questo sistema è usato normalmente su frese CNC per uso hobbistico per il basso costo e la facile reperibilità dei driver di controllo.
I servomotori usati sono motori passo-passo, la loro precisione è comunque ottima, considerando che sono attualmente utilizzati su tutte le stampanti.

Controllo ad anello chiuso

 

STF 35In un sistema di controllo ad anello chiuso la funzione di ingresso è determinata sulla base del comportamento del sistema, come espresso dall'andamento delle sue uscite. Questo tipo di controllo si dice controllo in retroazione in quanto le uscite sono riportate all'ingresso. In questo tipo di sistema esistono uno o due anelli di retroazione che rilevano costantemente lo scarto fra la posizione istantanea e quella da raggiungere, sia per gli spostamenti, sia per le velocità.

 

 

 

 

 

Vantaggi 

  • Precisione degli spostamenti con possibilità di impostazione del margine di errore.
  • Arresto immediato del sistema in caso di errore dovuto a problemi meccanici o elettrici
  • Elevate possibilità di impostazioni delle velocità di accelerazione/decelerazioni delle unità di moto

Svantaggi 

  • Costo elevato del sistema.
  • Maggiore attenzione nei cablaggi dei servomotori per evitare interferenze elettriche.

 

 

 

 

   
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