Os Primórdios do controle numérico

Por Américo Luiz de Azevedo

Introdução

Um sistema de controle numérico comanda as ações de uma ou mais máquinas por interpretação automática de instruções expressas em números. A palavra "interpretação" refere-se a conversão de alguns ou todos os dados numéricos, como distancias, ângulos, temperaturas, concentrações, etc. Estas são quantidades mensuráveis cujas magnitudes podem ser expressa numericamente, assim como numero de pessoas ou quantia em dinheiro. Uma máquina numericamente controlada (mais conhecida como Máquinas CN/CNC *), recebe informações em forma digital. Números em códigos indicando dimensões de peças que podiam ser produzidos em cartões perfurados na década de 60 (sistemas de transmissões de dados deste tipo era possível ser encontrado até na década de 80), eletronicamente gravados em fita magnética, como é mais comum atualmente em disquetes ou até mesmo num banco de dados centralizado. Operações de manufatura têm sido usadas com auxilio do controle numérico com muito sucesso, e cada dia mais percebemos possibilidade mais generalizadas de sistemas alimentados com informações CNC (desde as máquinas de usinagem CNC até maquinas de costura ou de bordar), embora grande parcela das máquinas CNC está nas máquinas ferramenta (ou de usinagem) e é sobre esse tipo de máquinas CNC que trataremos aqui, citarei agora alguns outros usos do sistema CNC que não serão tratados aqui:-Prensas, máquinas de rebitagem, máquinas de corte a lazer ou a maçarico, dobradeiras de tubos, máquinas de teste de circuitos, máquinas de inspeções, máquinas de montagens eletrônicas, máquinas de traçagens, sistemas industriais em fabrica de papel, tecidos controles diversos em diversos tipos de industrias químicas, ou seja, um campo tão grande como a vastidão do uso do computador que a cada dia se descobre uma nova possibilidade de uso.Para demonstrarmos historicamente como surgiu a tecnologia CNC, é preciso falar sobre os acontecimentos importantes que permitiram o surgimento deste conceito que mudou os rumos da manufatura e que hoje nos permite produzir produtos de extrema complexidade.Foram três as tecnologias que ao se desenvolverem enunciaram a visionários o surgimento desta tecnologia que muitos estudiosos chamam de a nova era da industria, são elas:

  • Máquinas ferramenta,
  • Automação,
  • Informática.

Das máquinas ferramentas


James Watt e sua máquina

A revolução industrial pode ser dita que se iniciou com o escocês James Watt (projetando a máquina a vapor), deste modo ele também criou a necessidade pela indústria de máquinas ferramentas. Pois ficou bastante óbvio que sem uma máquina ferramenta que usinasse cilindros com razoável precisão ele não poderia construir motores, porque não havia meios de usinar cilindros nos seus primeiros empenhos.

O primeiro cilindro foi de fato feito com muita dificuldade como se faz hoje a funilaria de automóveis e com um funileiro muito bom, pois, a concordância da forma do cilindro e do pistão é extremamente importante para se conseguir o funcionamento do sistema. Porem mesmo assim o vazamento era tal que o vapor escapava e fazia a máquina extremamente ineficiente.Felizmente em tempo Watt se reuniu com o John Wilkinson (mestre ferreiro nascido na Inglaterra no inicio de 1700), que possuía a habilidade de produzir os tais cilindros que Watt requeria. Pois Wilkinson desenvolvera uma máquina onde era fixado a parte externa do cilindro, e uma barra rígida estendia-se na longitudinal da peça, num cabeçote de furação uma ferramenta muito simples desliza pela barra, removendo o metal e assim se produzia um furo de razoável precisão de forma. Esta máquina rudimentar de corte de metal executou o trabalho para Watt em 1775. A partir deste acontecimento e por exigência das novas necessidades iniciou-se um surgimento de pequenas oficinas, para implementar as novas industrias com máquinas e ferramentas que satisfizessem as necessidades emergentes. Sugiram muitos engenheiros natos e criativos na Europa e nos EUA, realmente se desencadeou uma época de ouro, o despertar das necessidades por parte das novas industrias e o gênio inventivo de certos homens permitiu todo este desenvolvimento.Com esses desenvolvimentos resultou em uma grande eficiência em termos do uso do trabalho humano, eles também requereram na época mais guindastes, fixações e máquinas especiais.Esse negócio progrediu largamente e houve uma necessidade continua por empresas desse tipo.

Do principio dos controles (automação)

Durante a revolução industrial houve outro desenvolvimento necessário para a introdução das ferramentas controladas por números, o desenvolvimento de controles automáticos.
O controle do som, um dos esforços iniciais no controle automático ocorreu em torno de 1650 na Holanda quando tambores rotativos foram equipados com pinos para tocar carrilhões automáticos. Estes foram mais tarde miniaturizados e aperfeiçoados nas populares caixinhas de musica. O primeiro tocador automático de piano, patenteado por M. Fourneaux em 1863 utilizava um grande rolo de papel com 12 polegadas de largura, perfurado de modo que o ar pudesse passar pelos furos para ativar teclas apropriadamente. Este piano podia produzir apenas notas de intensidade uniforme, em 1930, porém, eles estavam tão desenvolvidos que podiam simular controles de pedais, variações amplificadas, e deste modo produzir músicas que certamente podia se perceber as diferenças das tendências dos autores pianistas. Um dos últimos produzido continha oito furos extras de cada lado de modo a regular 82 canais das teclas. Estes canais extras possibilitaram o controle da intensidade do som, o tom da atuação dos pedais, velocidade da fita e muitas outras variáveis. Isto sem dúvida foi muito importante para o desenvolvimento das máquinas CNC pois o sistema de fita perfurada com passagem de ar pelos furos foi largamente usado e até a década de 80 podia se encontrar máquinas CNC com sistema semelhante. Manufatura de tecidos. No inicio de 1700, M. falcon inventou uma máquina de tricotar controlada por cartões perfurados. Cada um dos muitos cartões era sincronizado em uma seqüência para atuar na máquina de tricotar. Cada furo em um dado cartão atuava um acoplamento mecânico o qual impulsionava uma agulha associada com uma coluna particular no cartão para puxar uma linha colorida através do tecido naquele certa posição.

A invenção de Falcon era, porém limitada à baixa produção.



  Máquina de Jaquard a qual foi inserido
o cartão de controle

Em 1807, J. M. Jaquard inventou um cartão de controle melhorado para máquinas de tricotar e permitiu a máquina de tecer uma alta produtividade e baixo custo por unidade, o qual ainda é usado em produções modernas.Para alto volume de produção as máquinas de tricotar usavam discos de engrenagens com padrão de dentes periféricos, tais máquinas são análogas a máquinas automáticas de parafusos ou máquinas de traçagem nas indústrias de corte de metais.


Dos computadores.


No final de 1800, Charles Babage (o pai dos computadores) projetou o primeiro computador digital sofisticado, que foi desenvolvido, porém nunca foi concluído. Mais rápido, mais preciso, e mais flexível o computador apareceu em 1945 quando o ENIAC foi desenvolvido pelo departamento de ordenação do exercito dos EUA. Esta era uma máquina bastante lenta e não possuía programas armazenados em memória. e as informações seqüenciais precisavam ser inseridas por meios externos.

Nos primórdios de 1900 Hermam Hollerith desenvolveu um sistema armazenamento de dados para cartões perfurados para o departamento de recenseamento dos EUA. Durante a segunda guerra mundial, John Von Neumann projetou o computador de programas armazenados digitalmente o qual se tornou uma peça essencial para o comercio e industria complexa.


Máquina de cartões perfurados de Herman Hollerith

Do aparecimento e desenvolvimento do controle numérico

No curso da revolução industrial, tinham sido achados meios para reduzir o esforço físico exigido para se desenvolver o processo industrial. Computadores para fácil acumulação, armazenagem, e processamento de dados poderiam aliviar as memórias dos homens e ajudar no exercício do poder da lógica. Reconhecidamente foi inevitável o desejo de prover uma ligação entre estes dois desenvolvimentos. Deste modo o que por alguns foi chamado de segunda revolução industrial, tinha começado. Em 1912, Scheyer solicitou a patente da máquina de cortar algodão aos E.U.A. o qual tinha como objetivo "prover os meios para ou controlar movimento em qualquer direção ou espaço em um ou vários planos para movimentos angulares por meio de uma gravação preparada previamente em uma folha perfurada de papel ou outro material". Em 1949, a força aérea dos E.U.A. estava certa que máquinas ferramentas convencionais manuais não poderiam ser confiáveis para manter lado a lado as freqüentes mudanças e ao mesmo tempo prover adequada produção de componentes de aviões em uma emergência. Baseado na experiência de uma pequena empresa fabricante hélices e rotores de helicópteros na época a "Parsons Corporation" (Hoje, porém uma grandiosa empresa atuante em muitos ramos tecnológicos), que em 1947 havia experimentado colocar uma forma rudimentar de controle por números em uma máquina de usinagem convencional, ligando esta máquina a um computador que era alimentado por informações via cartões perfurados.A FAA 'Força Aérea Americana' então ao reconhecer um possível grande avanço na fabricação de aviões e material bélico, contratou a Parsons e patrocinou estudos e desenvolvimento do controle numérico, e assim planejaram e executaram as adaptações de controle numérico para uma máquina ferramenta convencional da Cincinnati (fabricante na época de máquinas ferramenta convencionais e atualmente um dos maiores fabricantes de Máquinas CNC ), e deste modo criaram o protótipo de uma máquina CN que foi demonstrado em 1953 no 'MIT'instituto de tecnologia de Massachusetts. Estes estudos foram estendidos para incluir o desenvolvimento de sofisticadas rotinas de computadores por fitas perfuradas e os estudos da evolução do controle numérico. Os resultados foram excepcionais e demonstraram uma mudança revolucionária nas industrias de transformação. O ímpeto dado pela força aérea americana permitiu um rápido desenvolvimento de uma variedade de controle de máquinas e sistema de armazenamento de dados. Muitos formatos diferentes foram aplicados, fita magnética, cartão perfurado, fita perfurada, e mais atualmente disquetes e sistemas de dados centralizados.

A padronização.

O trabalho de padronização foi feito principalmente pela Associação das industrias eletrônicas (EIA Standards), com o auxilio de ativistas nas máquinas ferramentas, controles eletrônicos e usuários das industrias de máquinas ferramentas. Este trabalho judou a reduzir o numero médio de armazenamento de programas e acessórios para CNC. Os mais ativos desenvolvedores de controle numérico nos E.U.A. estão hoje usando informações gravadas em disquetes ou em bancos de dados que são transmitidos até as máquinas através de protocolos especiais como o FTP (File Transfer Protocol, o mesmo usado pela internet) ou em caso de redes especificas através dos DNC (Direct Numerical Control).A EIA Standards definiu um conjunto de códigos de caracteres usados na perfuração de fitas de uma polegada de largura. Para que os usuários de máquinas numericamente controlados pudessem se unificar nos equipamentos de preparação de fita. Para aliviar a tarefa do engenheiro de processo, o formato da fita ou arranjo dos caracteres na fita também foram unificados para certos tipos de máquina.Atualmente a ISO (International Organization for Standardization), entidade de padronização de maior aceitação mundial, regulariza o maior e mais aceito conjunto de normas para se usar na tecnologia CNC .

Comentários e conclusões:

O culminar das três tecnologias (Máquinas ferramenta, Automação, Informática), e a ansiedade evolutiva humana trouxeram nos hoje as possibilidades de construir peças e insumos de extrema complexidade e precisão, é possível, por exemplo, perceber a evolução nos design dos automóveis que há vinte anos tinham formas rudimentares que de certo modo nos dava a impressão de sobra de materiais. Hoje quando nos colocamos no interior de um bom automóvel parece que tudo é muito justo, as formas são bonitas, tem se a impressão nítida de mais conforto, mais espaço, a ergonomia dos acentos, pedais e manoplas são impecáveis. Sem quase percebemos em tudo isso esta implícita a evolução do CNC e as ferramentas afins, como os CAD/CAMs e máquinas ferramentas.O CNC continua em sua mais franca evolução, nunca foi usada tanto esta tecnologia no mundo e no Brasil, é um mercado muito atraente tanto para a industria e comercio, como para profissionais que desejam se aprimorar ou ingressar em uma carreira promissora.
Novos conceitos estão surgindo em todos os ramos tecnológicos que se findam na tecnologia CNC , desde o concepção nos CADs de ultima geração até a finalização do produto nas mais sofisticadas máquinas CNC , tais como:

  • Modelamento de sólidos 3D em CADs de ultima geração;
  • Rotinas ultra-automáticas nos novos CAMs;
  • NURBS suportados desde o CADCAM até a mais nova geração de controles;
  • HSM (higth speed machines);
  • Ferramentas de altíssima velocidade de corte.


Tudo isso e muito mais, estão contribuindo para o desenvolvimento muito rápido desta tecnologia, que abre um leque muito grande de oportunidades para novas empresas e profissionais que se aventurem neste tão recente ramo da engenharia.


* CN em português do NC em inglês (numerical control) e CNC (Computerized Numerical Control)

Bibliografia:
Handbook of manufacturing automation and integration (Edição 1980, USA)
Numerical control in manufacturing-Frank W. Wilson (USA), Mc-Graw Hill Book Company


Webgrafia:
http://www.chez.com/vaste/technique.htm                     (Historia das máquinas)
http://www.top-biography.com/navigation%20menu         (Biografia de pessoas famosas)
http://www.iron.oakengates.com                                   (Historia do aço)
http://www.histoire-informatique.org                               (Historia da informática)
http://www.cinmach.com/tech/tech_set.htm                   (Site oficial da Cincinnati)
http://www.utm.edu/departments/engin/lemaster/ Auto%20Prod%20Sys/Notes%2022.pdf   (Breve historia do CNC)


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