Desenvolvimento de uma fresadora CNC aderente à norma STEP-NC baseado no controlador de máquina avançado (EMC2)

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de uma arquitetura de um controlador numérico computadorizado (CNC) aderente à norma STEP-NC por médio de um adaptador de STEP-NC a Código G. O CNC está associado ao processo de fresamento. O controlador STEP-NC desenvolvido é baseado no controlador de código aberto EMC (Enhanced Machine Controller) aderente à norma RS-274, que originalmente trabalha com programa NC (Numerical Control) usando códigos G e M. Para validação da arquitetura do controlador foi desenvolvida uma máquina-ferramenta controlada numericamente com topologia tipo Router (fresadora com estrutura em portal) com três graus de liberdade tendo como controlador o EMC em plataforma x86 (computador pessoal) usando o sistema operacional Ubuntu/Linux. O controlador EMC foi integrado com o modelo de dados STEP-NC Parte 21 utilizando um adaptador do arquivo físico p21 a código G, permitindo que o EMC receba como entrada um programa de comando numérico em formato STEP-NC Part-21. O formato se baseia no conceito de workingsteps, features de usinagem e operações de usinagem, entre outras entidades descritas pela norma; ou seja, o programa STEP-NC foca-se em uma descrição de alto nível baseada em features de usinagem e em um modelo de dados mais sofisticado, mas não na movimentação dos eixos da máquina. O comando numérico com código STEP-NC é gerado pelo sistema integrado de projeto, planejamento de processo e manufatura auxiliado por computador (CAD/CAPP/CAM) denominado STEP Modeler (http://www.grima.ufsc.br/stepnc_project/), desenvolvido pelo GRIMA/UFSC, que permite a modelagem de uma peça prismática via Web baseada em features de usinagem, tendo um modelo de dados aderente ao projeto STEP, viabilizando a integração do ciclo de vida de uma peça, do projeto à fabricação, via Web. O controlador EMC com o adaptador STEP-NC utiliza o código gerado pelo STEP Modeler e o executa de forma transparente para o operador da Router CNC, especialmente desenvolvida para validação da arquitetura idealizada. Este desenvolvimento permitiu a validação do conceito de integração do ciclo de vida do projeto à fabricação baseado no modelo de dados STEP-NC, utilizando os conceitos de features de projeto e usinagem. A arquitetura é apresentada usando modelos IDEF0 (Integration Definition for Function Modeling) e UML (Unified Modeling Language), mostrando a especificação do sistema integrado CAD/CAPP/CAM, em especial a etapa associada ao CAM Execução, ou seja, o controlador/adaptador STEP-NC desenvolvido baseado no EMC. O projeto detalhado da Router é apresentado de forma resumida. Os resultados obtidos são mostrados através de estudo de caso com a fabricação de peças exemplos, contemplando sua medição e análise. O ambiente STEP-NC foi concebido para um contexto Web sendo também usado em disciplinas de Automação da Manufatura de graduação e pós-graduação da UnB e da UFSC, visando à apresentação dos conceitos e modelos de dados baseados em STEP, que será o futuro da Automação da Manufatura, estando a cada ano mais madura. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This document describes the development and validation of the architecture of a numerical computer controller that is adherent to the standard STEP-NC by means of an adapter of STEP-NC to G-Code. The CNC is associated with the milling process. The STEP-NC controller development is based on the open source driver EMC (Enhanced Machine Controller) adherent to the standard RS-274 that originally works with the NC program using G/M codes. In order to validate the controller architecture, the NC machine-tool topology type Router (portal structure) was developed with three degrees of freedom to have the EMC controller in x86 platform (personal computer) using the operating system Ubuntu/Linux. The EMC controller was integrated using an adapter to the Data Model STEP-NC Part- 11, allowing the EMC to receive as an input a numerical control program in a format STEP-NC Part-21 also called STEP. The format is based on the concept of workingsteps, machining features and machining operations, among others that are described by the standard, i.e., the STEP program focuses on a high-level description based on machining features and a more sophisticated data model but not the movement of the machine axes. This numerical control program with STEP-NC code is generated by the integrated design, process planning and computer-aided manufacturing (CAD / CAPP / CAM) called STEP Modeler (http://www.grima.ufsc.br/stepnc_project/), developed by GRIMA/UFSC, that allows the modeling of a prismatic part web-based machining features, having a data model adhering to the STEP project, enabling the integration of the life cycle of a piece, from design to manufacturing, via Web. The EMC controller with STEP-NC adapter uses codes generated by STEP Modeler and runs transparently to the operator of specially developed CNC Router to validate the architecture conceived. This development allows the validation of the concept of integration lifecycle from design to manufacturing based on the data model of STEP-NC, using the concepts of design and machining features. The architecture is presented to use models IDEF0 (Integration Definition for Function Modeling) and UML (Unified Modeling Language), showing the specification of integrated system CAD / CAPP / CAM, particularly the stage associated with CAM Execution, i.e., the controller/adapter STEP-NC developed based on EMC. The detailed project of the Router CNC is presented in a summarized way. The results are shown through study of cases, process planning and manufacturing parts examples, with measurement and analysis. The environment STEP-NC has been designed for Web context being also used in the disciplines of the Manufacturing Automation of graduate and postgraduate of UNB and UFSC, aiming at presentation of concepts and data models based on STEP, which will be the future of Automation Manufacturing, maturing through time and technological improvements.