Oggi parliamo di uno dei punti cardine della meccanica moderna e dell’automazione industriale. Parliamo del controllo numerico o meglio conosciuto come CNC. Un controllo numerico computerizzato (computerized Numerical Control), abbreviato CNC, designa una tecnologia meccanotronica di misurazione e controllo applicata alla macchina utensile, che prende il nome di macchina a controllo numerico.:
- La meccatronica è la disciplina che studia il modo di far interagire tre sottodiscipline, la meccanica, l’elettronica e l’informatica al fine di automatizzare i sistemi di produzione, semplificando e sostituendo il lavoro umano.
- Nelle scienze matematiche, fisiche e naturali la misurazione è l’assegnazione di un intervallo di valori (misura) ad una particolare proprietà fisica o proprietà chimica chiamata misurando, definita attraverso una grandezza fisica o chimica. La misurazione è dunque il processo svolto per assegnare una misura, anche se nel linguaggio comune si è soliti usare il termine misura in luogo di misurazione e presuppone l’esistenza di un sistema di misura.
- Una macchina utensile è una macchina atta a trasformare forma e dimensione di oggetti di qualsiasi materiale, mediante asportazione selettiva di sovramateriale in varie forme, tramite appositi utensili.
LE MACCHINE A CONTROLLO NUMERICO
Il termine “macchina utensile” è solitamente usato per definire macchine che utilizzano una fonte di moto e quindi di energia diversa dal movimento umano, sebbene a volte necessitino di un operatore per il loro funzionamento.
Le macchine a controllo numerico (MCN), in lingua inglese computerized numerical control machine, sono macchine utensili che utilizzano un controllo numerico computerizzato. Fino agli anni ottanta erano usate solo per lavorazioni ad alta precisione, sono oggi molto diffuse e impiegate in quasi ogni campo della meccanica. La tecnologia delle macchine CNC ha coperto un po’ tutti i rami della meccanica e non solo; le macchine a CNC più comuni sono presse piegatrici, punzonatrici, torni, fresatrici, saldatrici e macchine di taglio lamiera (laser, ossitaglio, plasma, a getto d’acqua, ecc.). Esse rappresentano l’evoluzione delle macchine CN, perché permettono il controllo numerico diretto da un computer esterno (CNC). Vista l’estrema versatilità e precisione, le applicazioni delle tecnologie CNC sono state adottate anche in molti altri settori produttivi: falegnameria, sartoria, veleria, tappezzeria, confezionamento, movimentazione merci; esistono macchine CNC per marcare, tagliare, saldare, modellare, cucire, posizionare, misurare.
LA STORIA DEL CONTROLLO NUMERICO
Il controllo numerico fu sviluppato a partire dagli anni ’40 del XX secolo, dove a delle macchine utensili classiche motorizzate vennero implementati controlli a nastro perforato. Il nastro perforato è un sottile nastro di carta (raramente di altri materiali) flessibile utilizzato per memorizzare informazioni sotto forma di perforazioni (fori) praticate longitudinalmente in posizioni predeterminate (piste) ad intervalli regolari.
- Nel lontano1947 John T. Parsons progettò un sistema di controllo che misurava differenti punti in successione.
- Nel 1951 il MIT di Boston completò con un computer il sistema ideato da John T. Parsons.
- Nel 1957 vengono costruite negli USA le prime macchine a Controllo Numerico dalla IBM.
- Nel 1959 Olivetti progetta costruisce e installa le prime macchine a Controllo Numerico in Italia.
Il controllo numerico rappresenta un’evoluzione del sistema a schede perforate dei telai Jaquard, le quali dovevano essere preparate singolarmente e poi agganciate le une alle altre nella sequenza corretta. Con l’aggiunta di servomeccanismi sempre più complessi a controllo di elettronica analogica e successivamente digitale. L’avvento del calcolo numerico computerizzato determinò la nascita del CNC negli anni ’60. Il controllo di una macchina CNC segue quanto elaborato dal computer, le posizioni, gli angoli e i sensori di stato vari che dopo un calcolo di interpolazione rispetto allo stato impostato dal programma CNC comandano motori e altri attuatori. L’interpolazione avviene in millisecondi, permettendo alta precisione abbinata ad alta velocità di esecuzione.
Un attuatore è un meccanismo attraverso cui un agente agisce su un ambiente; inoltre, l’agente può essere o un agente intelligente artificiale o un qualsiasi altro essere autonomo (umano, animale). In senso lato, un attuatore è talvolta definito come un qualsiasi dispositivo che converte dell’energia da una forma a un’altra, in modo che questa agisca nell’ambiente fisico al posto dell’uomo. Anche un meccanismo che mette qualcosa in azione automaticamente è detto attuatore
LA TECNOLOGIA E I VANTAGGI DEL CNC
Il Controllo Numerico Computerizzato o più brevemente CNC è un sistema di controllo che coordina i movimenti di una macchina utensile in maniera tale da far seguire all’utensile traiettorie predefinite su specifici assi escludendo l’intervento dell’operatore.
La tecnologia CNC permette lavorazioni automatiche con più assi in uso contemporaneamente. Si può classificare un CNC secondo il numero di assi interpolabili contemporaneamente. Gli acronimi indicanti un sistema a Controllo Numerico sono: NC, Numerical Control, che in italiano assume la forma CN, Controllo Numerico; CNC, Computer Numerical Control, l’eauivalente in italiano significa Controllo Numerico Computerizzato.
I vantaggi sono molteplici e possono essere elencati sommariamente nel modo seguente: Velocità, Precisione, Ripetibilità, Adattabilità, Flessibilità, Agilità.
I vantaggi delle macchine CNC su quelle manuali sono i tempi di lavoro molto ridotti e la precisa ripetibilità della lavorazione, che permette di abbassare molto i costi unitari e ottenere una qualità superiore e uniforme. Se adeguatamente installate e attrezzate, le migliori macchine CNC per lavorazioni metalliche possono produrre pezzi identici entro un millesimo di millimetro di tolleranza (un micron, lo spessore di circa 4000 atomi di ferro); una macchina CNC di media qualità può fare lo stesso tenendosi entro un centesimo di millimetro.
Questi vantaggi vengono amplificati nel caso di parti con grandi superfici curve complesse, come giranti idrauliche o di compressori, palette di turbine, scarichi idrodinamici, o magari copia di sculture artistiche: in questo caso il guadagno di velocità e precisione rispetto alla produzione manuale è veramente incolmabile. Lavorazioni realizzate su queste macchine possono anche arrivare ad essere indistinguibili ad un occhio non espertissimo rispetto a oggetti d’arte realizzati a mano. L’utilizzo di queste macchine consente di ottenere superfici estremamente lisce, di altissima precisione, in modo rapido, automatizzato e ad un costo estremamente contenuto. Le migliori macchine CNC arrivano a una precisione di un decimillesimo di millimetro (100 nanometri).
LE MACCHINE A CNC
La maggior parte delle macchine utensili moderne sono controllate da CNC rendendole in grado di realizzare lavorazioni di elevatissima precisione. Le moderne e migliori macchine a CNC possono arrivare ad una precisione di un decimillesimo di millimetro (100 nanometri). Praticamente un risultato impossibile da percepire per l’occhio umano.
Le moderne macchine CNC più avanzate come per esempio i centri di avoro a 5 assi possono essere dotate di testate orientabili (nella fattispecie assi inclinabili) in grado di ruotare giroscopicamente lungo due assi. Questo sistema consente di poter inclinare l’utensile rispetto a tutti i piani di lavoro rendendo possibile la realizzazione di figure complesse difficilmente ottenibili tramite la lavorazione manuale. Le teste inclinabili permettono anche di ottimizzare la lavorazione permettendo di lavorare con l’utensile inclinato rispetto al piano di avanzamento, escludendo la possibilità di utilizzare la parte dell’utensile a velocità zero (centro di rotazione della fresa).
Tutte le moderne macchine a controllo sono “a circuito chiuso”: ogni asse è dotato di encoder (encoder rotativi oppure righe ottiche) permettendo al controllo di conoscere in ogni istante la posizione della testa di lavorazione rispetto al pezzo. L’utilizzo di righe ottiche permette di recuperare completamente i giochi della trasmissione misurando direttamente e non mediante i cinematismi la posizione dell’asse, garantendo, quindi, una maggiore precisione di lavoro.
I CONTROLLI NUMERICI PIU’ RECENTI
Con i controlli numerici più recenti si iniziano ad implementare funzioni di lavorazione avanzata delle superfici, permettendo di lavorare superfici 3D NURBS in modo nativo, senza bisogno di programmi CAM intermedi. Lo sfruttamento ottimale delle caratteristiche di queste macchine può avvenire attraverso appositi accessori per copiatura e stampi oppure via computer, attraverso una catena di programmi: prima si crea con il CAD un oggetto, che poi viene passato al CAM che si incarica di creare il programma per la realizzazione su una data macchina, e infine il programma viene eseguito dalla macchina creando l’oggetto materiale.
Praticamente tutte le macchine CNC moderne sono “a circuito chiuso” (a catena chiusa o retroazionato): ogni asse è dotato di encoder (encoder rotativi oppure righe ottiche) che permettono al controllo di conoscere in ogni istante la posizione della testa di lavorazione rispetto al pezzo. L’uso di righe ottiche permette il recupero completo dei giochi della trasmissione misurando direttamente e non attraverso i cinematismi la posizione dell’asse e quindi una maggiore precisione di lavoro.
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