Cosa sono le macchine CNC?

La storia delle macchine CNC
John T. Parsons (1913-2007) della Parsons Corporation a Traverse City, MI è considerato il pioniere del controllo numerico, il precursore della moderna macchina CNC.Per il suo lavoro, John Parsons è stato definito il padre della seconda rivoluzione industriale.Aveva bisogno di produrre pale complesse per elicotteri e si rese presto conto che il futuro della produzione era connettere le macchine ai computer.Oggi le parti prodotte con CNC possono essere trovate in quasi tutti i settori.Grazie alle macchine CNC, disponiamo di beni meno costosi, di una difesa nazionale più forte e di uno standard di vita più elevato di quello possibile in un mondo non industrializzato.In questo articolo esploreremo le origini della macchina CNC, i diversi tipi di macchine CNC, i programmi delle macchine CNC e le pratiche comuni delle officine meccaniche CNC.

Le macchine incontrano il computer
Nel 1946, la parola “computer” significava una macchina calcolatrice azionata da una scheda perforata.Anche se la Parsons Corporation aveva già realizzato una sola elica, John Parsons convinse la Sikorsky Helicopter che avrebbero potuto produrre modelli estremamente precisi per l'assemblaggio e la produzione dell'elica.Finì per inventare un metodo computerizzato basato su schede perforate per calcolare i punti sulla pala del rotore di un elicottero.Poi ha chiesto agli operatori di girare le ruote in quei punti su una fresatrice di Cincinnati.Indisse un concorso per il nome di questo nuovo processo e diede 50 dollari alla persona che coniò “Numerical Control” o NC.

Nel 1958 depositò un brevetto per collegare il computer alla macchina.La sua richiesta di brevetto arrivò tre mesi prima del MIT, che stava lavorando al concetto da lui avviato.Il MIT ha utilizzato i suoi concetti per realizzare l'apparecchiatura originale e il licenziatario di Mr. Parsons (Bendix) ha concesso in sublicenza a IBM, Fujitusu e GE, tra gli altri.Il concetto di NC ha tardato a prendere piede.Secondo Parsons, le persone che vendettero l'idea erano esperti di computer e non produttori.All'inizio degli anni '70, tuttavia, lo stesso esercito americano rese popolare l'uso dei computer NC costruendoli e noleggiandoli a numerosi produttori.Il controller CNC si è evoluto parallelamente al computer, portando sempre più produttività e automazione nei processi produttivi, in particolare nella lavorazione meccanica.

Cos'è la lavorazione CNC?
Le macchine CNC producono pezzi in tutto il mondo per quasi tutti i settori.Creano oggetti con plastica, metalli, alluminio, legno e molti altri materiali duri.La parola “CNC” sta per Computer Numerical Control, ma oggi tutti lo chiamano CNC.Quindi, come si definisce una macchina CNC?Tutte le macchine automatizzate per il controllo del movimento hanno tre componenti principali: una funzione di comando, un sistema di azionamento/movimento e un sistema di feedback.La lavorazione CNC è il processo di utilizzo di una macchina utensile computerizzata per produrre una parte da materiale solido in una forma diversa.

Il CNC dipende da istruzioni digitali solitamente eseguite su software Computer Aided Manufacturing (CAM) o Computer Aided Design (CAD) come SolidWorks o MasterCAM.Il software scrive il codice G che il controller della macchina CNC può leggere.Il programma per computer sul controller interpreta il disegno e sposta gli utensili da taglio e/o il pezzo su più assi per tagliare la forma desiderata dal pezzo.Il processo di taglio automatizzato è molto più veloce e preciso rispetto al movimento manuale di utensili e pezzi che viene eseguito con leve e ingranaggi su attrezzature meno recenti.Le moderne macchine CNC contengono più strumenti ed eseguono molti tipi di tagli.Il numero di piani di movimento (assi) e il numero e il tipo di utensili a cui la macchina può accedere automaticamente durante il processo di lavorazione determinano la complessità del pezzo che un CNC può realizzare.

Come utilizzare una macchina CNC?
I macchinisti CNC devono acquisire competenze sia nella programmazione che nella lavorazione dei metalli per sfruttare appieno la potenza di una macchina CNC.Le scuole professionali tecniche e i programmi di apprendistato spesso avviano gli studenti ai torni manuali per avere un'idea di come tagliare il metallo.Il macchinista dovrebbe essere in grado di immaginare tutte e tre le dimensioni.Oggi il software rende più semplice che mai la realizzazione di parti complesse, perché la forma della parte può essere disegnata virtualmente e quindi i percorsi utensile possono essere suggeriti dal software per realizzare tali parti.

Tipo di software comunemente utilizzato nel processo di lavorazione CNC
Disegno assistito da computer (CAD)
Il software CAD è il punto di partenza per la maggior parte dei progetti CNC.Esistono molti pacchetti software CAD diversi, ma tutti vengono utilizzati per creare progetti.I programmi CAD più diffusi includono AutoCAD, SolidWorks e Rhino3D.Esistono anche soluzioni CAD basate su cloud e alcune offrono funzionalità CAM o si integrano con il software CAM meglio di altre.

Produzione assistita da computer (CAM)
Le macchine CNC utilizzano spesso programmi creati dal software CAM.CAM consente agli utenti di impostare un "albero di lavoro" per organizzare il flusso di lavoro, impostare percorsi utensile ed eseguire simulazioni di taglio prima che la macchina esegua qualsiasi taglio reale.Spesso i programmi CAM funzionano come componenti aggiuntivi del software CAD e generano codice G che indica agli strumenti CNC e alle parti mobili del pezzo dove andare.Le procedure guidate nel software CAM rendono più semplice che mai la programmazione di una macchina CNC.I popolari software CAM includono Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks e Solidcam.Secondo un rapporto del 2015, Mastercam ed Edgecam rappresentano quasi il 50% della quota di mercato CAM di fascia alta.

Cos'è un controllo numerico distribuito?
Controllo Numerico Diretto divenuto Controllo Numerico Distribuito (DNC)
I controlli numerici diretti venivano utilizzati per gestire i programmi NC e i parametri macchina.Permetteva ai programmi di spostarsi su una rete da un computer centrale a computer di bordo noti come unità di controllo della macchina (MCU).Originariamente chiamato “Direct Numeric Control”, bypassava la necessità del nastro di carta, ma quando il computer si fermò, tutte le sue macchine si fermarono.

Il controllo numerico distribuito utilizza una rete di computer per coordinare il funzionamento di più macchine alimentando un programma al CNC.La memoria del CNC contiene il programma e l'operatore può raccogliere, modificare e restituire il programma.

I moderni programmi DNC possono fare quanto segue:
● Modifica: può eseguire un programma NC mentre gli altri vengono modificati.
● Confronta – Confronta i programmi NC originali e modificati fianco a fianco e visualizza le modifiche.
● Riavvio: quando uno strumento si rompe, il programma può essere interrotto e riavviato da dove era stato interrotto.
● Tracciamento dei lavori – Gli operatori possono registrare i lavori e tenere traccia, ad esempio, dell'impostazione e del tempo di esecuzione.
● Visualizzazione dei disegni: mostra foto, disegni CAD di strumenti, attrezzature e parti di finitura.
● Interfacce schermo avanzate – Lavorazione one touch.
● Gestione avanzata del database: organizza e conserva i dati dove possono essere recuperati facilmente.

Raccolta dati di produzione (MDC)
Il software MDC può includere tutte le funzioni del software DNC oltre a raccogliere dati aggiuntivi e analizzarli per l'efficacia complessiva dell'apparecchiatura (OEE).L'efficacia complessiva dell'attrezzatura dipende da quanto segue: Qualità – il numero di prodotti che soddisfano gli standard di qualità tra tutti i prodotti prodotti Disponibilità – percentuale del tempo pianificato in cui l'attrezzatura specifica funziona o produce parti Prestazioni – velocità di funzionamento effettiva rispetto al funzionamento pianificato o ideale tariffa dell'attrezzatura.

OEE = Qualità x Disponibilità x Prestazioni
L'OEE è un parametro chiave delle prestazioni (KPI) per molte officine meccaniche.

Soluzioni per il monitoraggio delle macchine
Il software di monitoraggio della macchina può essere integrato nel software DNC o MDC o acquistato separatamente.Con le soluzioni di monitoraggio delle macchine, i dati della macchina come impostazione, tempo di esecuzione e tempi di inattività vengono raccolti automaticamente e combinati con dati umani come i codici motivo per fornire una comprensione sia storica che in tempo reale di come vengono eseguiti i lavori.Le moderne macchine CNC raccolgono fino a 200 tipi di dati e il software di monitoraggio della macchina può rendere tali dati utili a tutti, dall'officina al piano superiore.Aziende come Memex offrono software (Tempus) che prende i dati da qualsiasi tipo di macchina CNC e li inserisce in un formato di database standardizzato che può essere visualizzato in tabelle e grafici significativi.Uno standard di dati utilizzato dalla maggior parte delle soluzioni di monitoraggio delle macchine che ha guadagnato terreno negli Stati Uniti si chiama MTConnect.Oggi molte nuove macchine utensili CNC sono attrezzate per fornire dati in questo formato.Le macchine più vecchie possono ancora fornire informazioni preziose con gli adattatori.Il monitoraggio delle macchine CNC è diventato mainstream solo negli ultimi anni e nuove soluzioni software sono sempre in fase di sviluppo.

Quali sono i diversi tipi di macchine CNC?
Oggi esistono innumerevoli tipi diversi di macchine CNC.Le macchine CNC sono macchine utensili che tagliano o spostano il materiale come programmato sul controller, come descritto sopra.Il tipo di taglio può variare dal taglio al plasma al taglio laser, fresatura, fresatura e tornio.Le macchine CNC possono persino prelevare e spostare oggetti su una catena di montaggio.

Di seguito sono riportati i tipi base di macchine CNC:
Torni:Questo tipo di CNC gira il pezzo e sposta l'utensile da taglio sul pezzo.Un tornio base è a 2 assi, ma è possibile aggiungerne molti di più per aumentare la complessità del taglio possibile.Il materiale ruota su un mandrino e viene premuto contro uno strumento di molatura o di intaglio che dà la forma desiderata.I torni vengono utilizzati per realizzare oggetti simmetrici come sfere, coni o cilindri.Molte macchine CNC sono multifunzione e combinano tutti i tipi di taglio.

Router:I router CNC vengono solitamente utilizzati per tagliare grandi dimensioni in legno, metallo, fogli e plastica.Le fresatrici standard operano su coordinate a 3 assi, quindi possono tagliare in tre dimensioni.È però possibile acquistare anche macchine a 4,5 e 6 assi per modelli prototipi e forme complesse.

Fresatura:Le fresatrici manuali utilizzano volantini e viti di comando per articolare un utensile da taglio su un pezzo in lavorazione.In una fresatrice CNC, il CNC sposta invece le viti a ricircolo di sfere ad alta precisione alle coordinate esatte programmate.Le fresatrici CNC sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni e tipologie e possono funzionare su più assi.

Taglierine al plasma:La taglierina al plasma CNC utilizza un potente laser per tagliare.La maggior parte dei tagliatori al plasma tagliano forme programmate da fogli o piastre.

stampante 3d:Una stampante 3D utilizza il programma per dirle dove posizionare piccoli pezzi di materiale per costruire la forma desiderata.Le parti 3D vengono costruite strato dopo strato con un laser per solidificare il liquido o alimentarlo man mano che gli strati crescono.

Macchina Pick and Place:Una macchina CNC “pick and place” funziona in modo simile a un router CNC, ma invece di tagliare il materiale, la macchina ha molti piccoli ugelli che raccolgono i componenti utilizzando il vuoto, li spostano nella posizione desiderata e li depositano.Questi vengono utilizzati per realizzare tavoli, schede madri di computer e altri assemblaggi elettrici (tra le altre cose).

Le macchine CNC possono fare molte cose.Oggi la tecnologia informatica può essere installata su macchine quasi immaginabili.Il CNC sostituisce l'interfaccia umana necessaria per spostare le parti della macchina per ottenere il risultato desiderato.I CNC di oggi sono in grado di iniziare con una materia prima, come un blocco di acciaio, e realizzare una parte molto complessa con tolleranze precise e sorprendente ripetibilità.

Mettere tutto insieme: come le officine meccaniche CNC producono i pezzi
Il funzionamento di un CNC coinvolge sia il computer (controller) che una configurazione fisica.Un tipico processo di officina meccanica è simile al seguente:

Un ingegnere progettista crea il progetto nel programma CAD e lo invia a un programmatore CNC.Il programmatore apre il file nel programma CAM per decidere gli utensili necessari e per creare il programma NC per il CNC.Lui o lei invia il programma NC alla macchina CNC e fornisce un elenco della corretta configurazione degli utensili a un operatore.Un operatore di configurazione carica gli strumenti come indicato e carica la materia prima (o il pezzo).Lui o lei esegue quindi pezzi campione e li misura con strumenti di garanzia della qualità per verificare che la macchina CNC stia realizzando parti secondo le specifiche.In genere, l'operatore di installazione fornisce un primo pezzo di articolo al reparto qualità che verifica tutte le dimensioni e approva l'installazione.La macchina CNC o le macchine associate vengono caricate con materia prima sufficiente per realizzare il numero di pezzi desiderato e un operatore della macchina resta a disposizione per garantire che la macchina continui a funzionare, realizzando pezzi secondo le specifiche.e ha materia prima.A seconda del lavoro, è spesso possibile far funzionare le macchine CNC “a luci spente” senza la presenza di un operatore.Le parti finite vengono spostate automaticamente in un'area designata.

I produttori di oggi possono automatizzare quasi tutti i processi se hanno abbastanza tempo, risorse e immaginazione.La materia prima può entrare in una macchina e le parti completate possono uscire imballate e pronte per l'uso.I produttori dipendono da un’ampia gamma di macchine CNC per realizzare le cose in modo rapido, preciso ed economico.