Controle de Ferramentas de Corte Habilitadas por Sensores: Levando Máquinas-Ferramenta ao Mainstream

Um fator-chave de sucesso para iniciativas da Indústria 4.0 e IIoT (Internet Industrial das Coisas) é o surgimento de mais e melhores sensores em centros de usinagem, e até nas próprias ferramentas de corte. Esses sensores fornecem os dados e a conectividade que são a base para a "fábrica do futuro".

Mas, longe de ser futurista, existe uma gama de "sensores inteligentes" disponíveis hoje — coletando dados e mostrando aos operadores a saúde de suas máquinas e do processo de corte de metal. A evolução é alcançada através de medição cada vez mais precisa da posição da peça e da forma geométrica da peça acabada, bem como da configuração e controle das ferramentas usadas no processo.

A Manufacturing Engineering pediu a vários especialistas da indústria para avaliar o estado atual de sistemas de controle de corte baseados em sensores, e também olhar na bola de cristal para ajudar a identificar oportunidades futuras.

Agora e no Futuro

Na área de controle e otimização baseados em sensores, onde estamos no continuum da prancheta a produtos maduros? A resposta é: "Depende."

"Para medição básica e controle adaptativo, estamos bem avançados na curva de aprendizado", disse Frank Powell, gerente de produto para produtos de retífica na Marposs Corp. (Auburn Hills, MI). "Máquinas-ferramenta podem ser equipadas com uma variedade de sensores e transdutores in-process. No primeiro nível, esses sensores são utilizados para proteção da máquina, já que um sistema pode reagir 1000 vezes mais rápido que um operador a uma tensão de força inesperada ou colisão potencial. A tecnologia está avançando através de medição cada vez mais precisa da posição da peça e da forma geométrica da peça acabada, bem como da configuração e controle das ferramentas usadas no processo."

Em termos de Indústria 4.0, a tecnologia de manufatura digital de ferramentas de corte está muito mais próxima da prancheta que de um produto maduro, segundo Neil Munson, especialista técnico de vendas para Silent Tools na Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ). "Estamos no precipício de uma mudança de paradigma em nossa indústria. Na verdade, estamos dando o salto inicial em ferramentas de corte inteligentes baseadas em sensores em nossa empresa", disse.

Joe Volansky da BadAxe Tooling Solutions teve uma visão um pouco diferente. "Produtos são comprovados e bem avançados na curva de aprendizado, e podem ser aplicados de formas revolucionárias", disse Volansky. "No nosso caso, estamos introduzindo um produto para operações de fresamento baseado em ciência comprovada, que apresenta uma solução de forma completamente nova na borda da física da máquina." A BadAxe Tooling Solutions é uma aliança de três empresas dos EUA: Briney Tooling Systems (Bad Axe, MI), Fullerton Tool Co. (Saginaw, MI) e BlueSwarf LLC (State College, PA).

"Minha opinião é que estamos no meio da curva em termos de desenvolvimento", disse Wade Anderson, gerente de especialista de produto e gerente de Tech Centers da Okuma America Corp. (Charlotte, NC). "Para eficiência básica de equipamento e capacidade de comunicar com dispositivos periféricos, há várias soluções prontas para uso agora. No entanto, tecnologias de inteligência artificial (IA) e realidade aumentada (AR) estão mais por vir."

Com a vasta quantidade de dados agora sendo gerados por equipamentos no chão de fábrica, as tecnologias emergentes que Anderson menciona são essenciais, segundo Andy Henderson, vice-presidente de engenharia da Praemo (Kitchener, ON). "No mundo da automação, houve uma evolução muito 'física' desde os anos 1970", disse Henderson. "A próxima fronteira é a evolução 'mental' — adicionando inteligência aos dados usando IA e machine learning (ML). No continuum, essas tecnologias são maduras e usadas continuamente nos espaços pessoal e de consumo (Google, Amazon, Facebook, etc.). Aplicações dentro da indústria de manufatura ficaram para trás, mas softwares usando essas tecnologias, como o Razor, estão ajudando oficinas a realizar o valor de IA e ML." O Razor é um produto da Praemo que se conecta a fontes de dados, coleta informações e fornece insights e recomendações sugeridas para ajudar usuários a tomar ação preventiva para reduzir tempo de inatividade de equipamentos, otimizar processos de produção e gerenciar riscos.

Sensores Mandam!

Nossos especialistas da indústria concordaram todos no papel chave que os sensores desempenham. Há um ditado antigo: "O que é medido é gerenciado." Embora seja incerto quem disse (alguns sugerem Lord Kelvin, outros Peter Drucker), ressalta o fato de que qualquer tentativa de controlar ou otimizar uma máquina deve ser baseada em dados rápidos, precisos e confiáveis no ponto-chave de contato — onde a ferramenta de corte encontra a peça.

Tecnicamente falando, tecnologia para coletar, distribuir e analisar dados com sucesso para controle adaptativo estava disponível muito antes do interesse atual em Indústria 4.0 e IIoT. Historicamente, equipamentos de medição in-process podem traçar suas raízes há mais de 60 anos (por exemplo, o medidor de Mario Possati para verificar peças durante retífica). No entanto, os grandes avanços em sensores ocorreram muito mais recentemente.

Tecnologia Recente

Um desses avanços é uma ferramenta de alargamento que compensa automaticamente o desgaste da aresta de corte. "Independentemente de quão sofisticada seja uma máquina-ferramenta CNC, ela não pode compensar automaticamente o desgaste da aresta de corte em uma ferramenta de alargamento", disse Anthony Bassett, presidente da Rigibore Inc. (Mukwonago, WI). "Nossa ferramenta ActiveEdge alimentada por bateria automatiza o dimensionamento in-process das arestas de corte de ferramentas de alargamento. Usa tecnologia sem fio para ajustar remotamente múltiplos diâmetros de arestas de corte em uma única ferramenta, otimizando desempenho do processo e eliminando a necessidade de intervenção do operador."

Avançando em novo território na área de fresamento está o conjunto de ferramenta inteligente e sistema de software BadAxe Smart Tool. A BadAxe substitui tentativa-e-erro por física para atingir imediatamente o "ponto ideal" de uma máquina na inicialização, segundo a empresa. Usando medições dos padrões de frequência de vibração residentes para uma combinação específica de máquina, fuso, porta-ferramenta e ferramenta, os algoritmos e analytics patenteados da empresa calculam a zona de estabilidade ótima para a máquina operar. O resultado é um porta-ferramenta e ferramenta pré-balanceados e montados off-the-shelf, mais uma interface de software otimizada para máquinas individuais.

"Todos sabem que vibração e chatter são fatores limitantes principais em usinagem de alta velocidade", disse Volansky da BadAxe. "Tipicamente, operadores usam tentativa-e-erro para encontrar o avanço, velocidade, largura e profundidade de corte certos. Em muitos casos, acham que atingiram o muro em termos de performance quando, na realidade, operação sem chatter seria encontrada em um setup contra-intuitivo onde taxas de remoção de metal muito maiores existem. Esse setup é definido por nosso produto imediatamente na inicialização, independentemente de step-over, fresamento de fenda completa ou cantos. A tecnologia subjacente foi comprovada para aumentar significativamente o ROI de um trabalho por organizações como Boeing Phantom Works, o Departamento de Defesa dos EUA e outras."

A BadAxe está construindo um grande banco de dados para diferentes combinações de máquina e montagem. Se a máquina de um cliente não estiver no banco de dados, um teste único pode ser feito para determinar sua dinâmica de setup.

Fazendo a mudança de sensores in-process para sensores in-tool está a Sandvik Coromant com a introdução de suas ferramentas de corte inteligentes SilentTools+. "SilentTools+ são soluções de ferramentas amortecidas para fornecer tremendo insight em processos de usinagem de longo balanço onde operadores tipicamente estão voando às cegas", disse Munson.

"Usinagem de longo balanço em uma instalação de alta tecnologia é desafiadora porque [operadores] querem ter controle do processo até a ponta de corte", disse. "Embutimos sensores dentro de nossos SilentTools que comunicam via Bluetooth com uma interface gráfica para que um operador tenha olhos e ouvidos dentro da máquina fechada e fundo dentro de um furo. Além disso, tem um recurso que permite setup rápido e fácil determinando quando a ponta de corte está no centro."

Usando o sistema SilentTools+, deflexão da ferramenta, chatter, forças de corte, carga da ferramenta e temperatura são monitorados em tempo real. "Devido ao insight em todas essas áreas, achamos que taxas de sucata serão reduzidas e ganhos de produtividade serão realizados, gerando economia real", adicionou Munson.

Informação, Por Favor!

Enquanto algumas saídas de sensores são apenas para informação, o valor agregado é quando sinais de sensores são processados e usados para controlar qualidade da peça e condição da ferramenta. Fabricantes podem minimizar trajetórias de ferramenta e tempo de usinagem, melhorar acabamento superficial, maximizar vida da máquina, e usinar eficientemente peças mais desafiadoras, como aquelas com geometrias complexas, paredes finas, cilindros ocos e eixos esbeltos.

Disse Anderson, "O Sistema de Monitoramento Okuma é um bom primeiro passo. Permite até 64 entradas diferentes que podem ser customizadas para necessidades específicas do processo. Temos clientes que conseguiram medir tempo de inatividade da máquina e analisar dados de OEE [eficácia geral do equipamento] para determinar que uma coisa simples estava desligando a máquina quando um operador estava ocupado em outro lugar. Usando o sistema de monitoramento, o operador [pode ser alertado] que há um problema potencial vindo que ação preventiva pode evitar."

Henderson da Praemo acredita que o caminho para o sucesso na manufatura passa pela montanha de dados que ferramentas estão gerando em aplicações de corte de metal. "Esses dados são 'matéria-prima' valiosa para otimização", disse. "Os algoritmos para analisar dados em nosso software Razor podem peneirar vastas quantidades de dados para encontrar inter-relações e padrões que um humano com planilha nunca descobriria. Tecnologias de IA e ML são usadas para desenvolver modelos que ajudam operadores e gerentes a chegar a conclusões claras muito rápido — e tomar ação baseada em conclusões data-driven. Embora a inteligência seja artificial, ela imita muito de perto como humanos no mundo da manufatura abordam as coisas. A única diferença é que não fica sobrecarregada por quantidades massivas de dados. Quanto mais tempo os dados são coletados, e mais dados coletados, mais o Razor aprende."

Capacidade Comprovada

Os sistemas de hoje provaram sua capacidade de manter o processo de corte, antecipando quando algo não está certo e notificando um operador ou a máquina para tomar ação corretiva, segundo Powell da Marposs. "A decisão de apenas notificar, ou tomar ações automáticas, é ditada pelo cliente", disse. "Tecnicamente, temos muitas capacidades para controle automático que em alguns casos não estão sendo utilizadas."

Um novo sistema da Marposs chamado BLÚ é resultado de mais de 50 anos de experiência em máquinas de retífica e outras máquinas-ferramenta. Combina todas as aplicações de monitoramento de máquina-ferramenta e controle de processo em um único sistema para monitoramento de ferramenta e processo em tempo real, controle adaptativo e mitigação de colisão com tempo de processamento e amostragem rápido. Disse Powell, "BLÚ é desenhado para integrar quase perfeitamente com a máquina-ferramenta para auxiliar o operador em qualquer modo: setup, manual ou automático."

O coração do sistema é um nó mestre alojado dentro do gabinete da máquina. Tem uma estrutura de barramento para plugar outros nós para medições on-machine, monitoramento de emissão acústica, balanceamento de rebolo (retífica), retração de ferramenta e outras funções.

O sistema Zenith é um sistema automático de malha fechada para operações de alargamento, segundo Bassett da Rigibore. "Sistemas tradicionais são puramente mecânicos sem feedback contínuo para a máquina de alargamento", disse. "Zenith fornece feedback para o controle da máquina para confirmar que a ferramenta ajustou pela quantidade desejada. Esse feedback de sensor de posição previne que uma peça ruim seja usinada."

Até Onde Essa Tecnologia Pode Nos Levar?

"Não necessariamente vejo um fim de jogo para soluções digitais ou de ferramentas de corte baseadas em sensores", disse Munson da Sandvik Coromant. "Em oficinas modernas e instalações de manufatura, sensores e o uso de IIoT em ferramentas de corte se tornarão mais ubíquos nos próximos 5 a 10 anos, seguindo o caminho de aplicações de [produtos] de consumo. Para nós, a progressão natural é a integração de nossos SilentTools+ nos controles de máquinas CNC. Hoje, é um sistema stand-alone com visualização de processo ao vivo. Estamos trabalhando com fabricantes de máquinas-ferramenta e parceiros de software CAM para mover de um sistema stand-alone para integração de controle de máquina e processo."

Anderson da Okuma concordou. "Tecnologia e, mais importante, a implementação de tecnologia, gerará novas tecnologias", disse. "Pensei muitos anos atrás que um espelho retrovisor auto-escurecedor em veículo era ridículo. Agora, não compraria um veículo sem um. De forma similar, em nossa indústria novas tecnologias ajudarão a desenvolver novos mercados para avanços alternativos."

Powell da Marposs concordou que nunca deve haver fim de jogo. "Acho que a tecnologia está em vigor para monitorar todos os parâmetros e variáveis-chave", disse. "Certamente, há áreas que podem ser melhoradas, e estamos trabalhando diariamente para desenvolver sensores mais rápidos e sensíveis, e software que possa processar dados de sensores mais rápida e inteligentemente. Dentro de 10 anos, tenho certeza que haverá pelo menos um game-changer, um breakthrough técnico que torne uma oficina mais eficiente, mais produtiva. Quando o jogo mudar, mudaremos com ele."

Volansky da BadAxe acha que sua empresa tem um game-changer agora. "O ritmo de desenvolvimento está aumentando", disse. "Clientes não querem esperar 5 ou 10 anos. Temos um produto que redefine eficiência e ajuda máquinas-ferramenta a operar nos limites da física. O próximo passo para nós, porém, será remover nossa montagem de ferramentas da equação embutindo nossa detecção de vibração proprietária e análise de dados direto na máquina e sua lógica." Dessa forma, a máquina só operará em seu estado mais otimizado, sem tentativa-e-erro do operador, adicionou.

Como disse Bassett da Rigibore, "Alguns alvos de desenvolvimento para nós são pedido automático de ferramentas de metal duro usando o controle CNC, mudança para menos intervenção de operadores, ajustes feitos de um local central, e entrada de um modelo sólido na máquina CNC enquanto outro processo está em operação. Os principais limites que enfrentamos hoje são a incompatibilidade e falta de padrões entre diferentes fabricantes de máquinas CNC e fabricantes de controladores de máquina." No final, uma abordagem proprietária limitará crescimento e será ultimamente mais cara para um cliente que quer adicionar novas funcionalidades facilmente, concluiu Bassett.

Segundo Henderson da Praemo, alguns definem manufatura lights-out, sem intervenção humana, como fim de jogo. "Pessoalmente, penso em lights-out como similar à busca pela paz mundial", disse. "Para a indústria de manufatura, é um conceito atraente para buscar, mas não será atingível em muitas situações. Sensores embutidos em ferramentas e redes de ferramentas; software que coleta, organiza e analisa dados perfeitamente; e máquinas-ferramenta em rede em uma fonte de inteligência de fábrica nos aproximam muito dessa fábrica lights-out. Isso não significa que máquinas substituem pessoas. Libera-as para fazer trabalho menos servil, mais satisfatório, e definitivamente mais produtivo. É similar ao advento do CNC, que automatizou o controle manual de centros de usinagem. Permitiu que pessoas trabalhassem de forma mais segura e produtiva."