INGENIERÍA EN MATERIALES

PROCESOS I

MONOGRAFÍA TECNOLÓGICA

CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO EN MECANIZADO

Abril de 2005

ÍNDICE

1. Introducción(1)	3
1.1. Conformado de piezas metálicas	3
1.1.1. Tornos 1.1.2. Maquinas taladradoras 1.1.3. Cepilladuras y limadoras 1.1.4. Fresadoras 1.1.5. Maquinas rectificadoras	4 5 6 7 8
1.2. Materiales para herramientas de corte	9
1.3. Lubricantes	11
1.3.1. Tipos de lubricantes 1.3.2. Selección de lubricantes	12 12
1.4. Origen del control numérico	13
1.4.1. Motivos para el reemplazo del hombre 1.4.2. Nace el control numérico 1.4.3. Evolución del control numérico 1.4.4. Del control numérico al control numérico computarizado 1.4.5. Movimientos posibles gracias al CNC	16 17 18 19 19
1.5. Automatización	20
1.5.1. Metas y usos de la automatización	21
2. Principios Básicos(2)	23
2.1. Control numérico	23
2.2. Control numérico computarizado	23
2.2.1. Tipos de circuitos de control 2.2.2. Tipos de sistemas de control 2.2.3. Precisión 2.2.4. Ventajas y limitaciones 2.2.5. Programación 2.2.6. Control adaptativo 2.2.6.1. Control adaptativo con optimización 2.2.6.2. Control adaptativo con restricción 2.2.6.2.1. Fundamentos de los sistemas con CAR 2.2.6.3. Control adaptativo geométrico 2.2.6.3.1. Fundamentos de los sistemas CAG 2.2.6.3.2. Sistema de CAG para torno 2.2.6.4. Tendencia de los CA	25 25 27 28 28 30 32 33 34 36 37 37 40
3. Máquinas y herramientas multioperaciones(1)	41
3.1. Sistemas multifunciónales	41
3.2. Centros de mecanizado	41
3.2.1. Tipos de centros de mecanizado y centros de torneado 3.2.2. Secuencia típica de operaciones de los centros de mecanizado 3.2.3. Intercambiadores de herramientas y ejes complementarios 3.2.4. Selección y aplicaciones 3.2.5. Ventajas de los centros de mecanizado 3.2.6. Desventajas de los centros de mecanizado 3.2.7. Secuencia de un proceso de mecanizado	43 45 46 50 50 52 52
4. Aplicaciones CAD/CAM(2)	55
4.1. Introducción	55
4.2. CAD/CAM en el proceso de fabricación	58
4.3. Beneficios de usar CAD/CAM para mecanizados	60
4.4. Componentes del CAD/CAM	61
5. Aspectos económicos(1)	65
Glosario	69
Agradecimientos	70
Bibliografía	71

Desarrollado por Sebastián Tarantino

Desarrollado por Matías Vigliano

1. Introducción

1.1. Conformado de piezas metálicas

En toda pieza componente o estructura es fundamental la obtención de propiedades acordes a las funciones que deberá cumplir en servicio dicha pieza, las mismas serán fundamentales para resistir todas las solicitaciones a que será sometida en servicio, sean mecánicas, físicas, químicas, etc. Sin embargo, no es menos importante la obtención de una forma adecuada en la pieza que le permita cumplir su funcionalidad.

La obtención de la forma en la pieza requiere por un lado de procesos adecuados que logren la geometría en forma eficiente, dichos procesos se denominan genéricamente procesos de conformado o procesos de manufactura; y por otro lado se requiere que el material sea apto para someterse a esos procesos, esto da lugar a las denominadas propiedades tecnológicas de los materiales.

Los procesos de conformado pueden clasificarse en primarios, secundarios, procesos de unión y procesos de terminación.

Los procesos primarios son aquellos que obtienen la forma directamente a partir del metal líquido, gaseoso, o a partir de partículas sólidas sin forma preestablecida, son los procesos donde se logra la cohesión original del material.

Los procesos secundarios dan forma a piezas previamente obtenidas mediante algún proceso primario y pueden ser con o sin arranque de viruta. Los procesos de conformado plástico se basan sobre la aplicación de deformaciones plásticas para lograr la forma sin necesidad de arranque de viruta. En cambio, los procesos de mecanizado dan forma al material mediante arranque de viruta.

Los procesos de mecanizado permiten aumentar la complejidad geométrica de una pieza previamente obtenida por algún proceso primario o bien por algún proceso de conformado plástico, lograr mejores terminaciones superficiales, y obtener tolerancias dimensionales y de forma más estrictas que en los otros procesos. Esta particularidad los hace imprescindibles en muchas aplicaciones.

Los procesos de mecanizado son generalmente costosos y se tienden a disminuir lo máximo posible, ya que estos son parte fundamental del costo de las piezas.

Existen numerosos procesos de mecanizado, cada uno apto o conveniente para obtener determinadas geometrías, rugosidades, tolerancias dimensionales, etc. Los procesos más usados son:

• Torneado (turning)

• Taladrado (drilling)

• Cepillado (planing)

• Fresado (milling)

• Rectificado (grinding)

1.1.1 Tornos

En su forma más sencilla y elemental es una máquina para sujetar y hacer girar una pieza contra una herramienta de corte de un solo extremo. Haciendo avanzar la herramienta de corte dentro de la pieza y a lo largo de su eje de rotación, se puede producir cualquier contorno cilíndrico deseado. El contorno cilíndrico puede generarse en el exterior de la pieza o en el interior. El roscado, taladrado, frenteado, escariado, pulido y el moleteado, son otras de las funciones primarias de los tornos.

Figura 1.1. Torno paralelo monopolea. Componentes básicos.

El torno es una máquina extremadamente versátil y de uso muy amplio. Existen pocos productos que no requieran de un torno para su fabricación. Existe una familia completa de máquinas estándar empleando todas ellas el principio del torno: tornos mecánicos, tornos rápidos de mano, tornos revólver, tornos verticales, tornos automáticos.

Figura 1.2. Torno universal moderno.

1.1.2. Máquinas taladradoras (agujereadoras)

Todas estas máquinas se caracterizan por algún medio de rotación de la herramienta de corte y el avance de la misma a lo largo de su propio eje, dentro de una pieza estacionaria. De las dos funciones, el avance de la herramienta de corte a lo largo de su eje es el más crítico y el de mayor consideración en el diseño. Las grandes fuerzas necesarias para el avance durante el taladrado se aplican en forma tal que tienen tendencia a separar las partes de la máquina taladradora.

Existen distintos tipos de máquinas: la pieza se puede montar sobre el piso o sobre la mesa; el eje de rotación de la herramienta de corte puede ser horizontal, vertical o ajustable; se pueden accionar una o muchas brocas simultáneamente o en forma separada, etc. Además con estas máquinas se pueden ejecutar otras operaciones como alesado, escariado, roscado y frenteado de agujeros. Dichas máquinas pueden dividirse en cinco grandes grupos: de columna, radiales, horizontales, de torreta y de husillos múltiples.

(a)	(b)
Figura 1.3. (a) Elementos principales de una taladradora. (b) Taladro de pie moderno

1.1.3. Cepilladoras y limadoras

Los cepillos quitan el metal en una serie de cortes rectos. Se caracterizan por el movimiento alternativo ya sea tanto de la herramienta o de la pieza mientras se produce el avance de la pieza o de la herramienta respectivamente. Es capaz de generar superficies planas como: ranuras, chaveteros y acanaladuras. El herramental que utiliza posee punta sencilla.

Figura 1.4. Cepilladora de dos montantes y un sólo carro porta-herramientas.

1.1.4. Fresadoras

Comparándolas con las otras máquinas básicas, son relativamente avanzadas y complicadas mecánicamente tanto en métodos de operación como de ejecución. Se caracterizan por el uso de herramientas rotatorias complejas de dientes múltiples, además aplican movimientos de corte compuesto, tanto rotatorios como alternativos. Las piezas generalmente se sujetan sobre una mesa movible y avanzan en ángulo recto con el eje de las fresas o cortadores para producir superficies planas, encastres, o de contorno.

También, con dispositivos y movimientos específicos, permiten operaciones de alesado, taladrado, tallado de engranajes y dientes de rueda para cadena o para el fresado de filetes de rosca y de espirales. Existen dos tipos de cortes: fresado frontal y el fresado periférico.

Figura 1.5. Fresadora tipo cilíndrica. Elementos principales.

Estas máquinas poseen una gran versatilidad, por lo que se pueden dividir en cuatro grupos principales de maquinas estándar: máquinas de gran velocidad y transmisión del husillo por medio de correas planas, máquinas de montante y ménsula con cabezal engranado, máquinas de bancada fija y máquinas tipo cepillo de mesa y de trabajo pesado.

Figura 1.6. Fresadora moderna con control CNC.

1.1.5. Máquinas rectificadoras

Todas estas máquinas se distinguen por una herramienta (muela) abrasiva rotatoria o una banda también abrasiva en contacto con la pieza para quitar el metal. Éstas poseen limitaciones en su velocidad y en la cantidad de material que pueden quitar. Se las utiliza tanto para desbastar como para el acabado de las piezas.

Figura 1.7. Rectificadora de bandera

Existen muchos tipos de maquinas rectificadoras de tipo estándar. Algunas de las principales son: las rectificadoras cilíndricas, de mandril y de interiores, universales, sin centros, de superficies, tipo de discos, etc.

1.2. Materiales para herramientas de corte

Los materiales para las herramientas de corte y su apropiada selección son uno de los factores más importante en las operaciones de mecanizado. Las herramientas se encuentran sujetas a altas temperaturas, tensiones de contacto, y rozamiento con la superficie de la pieza, así como por la viruta que trepa por la cara de la herramienta.

Consecuentemente, una herramienta de corte debe tener las siguientes características en orden de producir piezas de buena calidad a bajo costo:

• Dureza

• Tenacidad

• Resistencia al desgaste

• Resistencia en caliente

• Estabilidad química

La dureza es necesaria con el objeto de que el filo pueda penetrar en el material. Cuando falta tenacidad se quiebra la cuchilla por acción de la presión del corte. Es necesario que exista una cierta resistencia en caliente, con objeto de que la dureza se mantenga incluso cuando el filo se caliente en virtud del rozamiento que se produce en el arranque de viruta. La resistencia al desgaste tiene por objeto impedir un rápido desgaste del filo. Por ultimo el material de la herramienta no debe reaccionar con el material de la pieza a mecanizar, por esto debe poseer una buena estabilidad química.

Varios materiales para herramientas de corte que poseen un rango de propiedades amplio se encuentran disponibles. Los materiales de las herramientas se dividen usualmente en las siguientes categorías genéricas, los cuales se listan en el orden cronológico en cual fueron desarrolladas e implementadas:

Aceros rápidos: Son aceros de alto carbono, alta aleación, y alta calidad que poseen una resistencia al desgaste moderada comparados con el resto de los materiales para herramientas, pero muy alta tenacidad y un menor costo. Solo pueden utilizarse para velocidades bajas (30-60 m.min-1) por la limitación en su máxima temperatura de trabajo (500-600 °C). Pueden ser reafiladas varias veces y su performance mejora si se recubren con capas delgadas de materiales intermetálicos como TiC, TiN, etc.

Carburos (metal duro): Consisten en una matriz metálica y una abundante cantidad de partículas de carburo de gran dureza. Son los materiales mas usados en el mercado de las herramientas de corte. Se pueden usar hasta velocidades de unos 150 m.min-1, pero si se los recubre con una delgada película de TiC o TiN pueden usarse hasta 280 m.min-1. Por lo general no se afilan.

Cermets: Igual que los carburos son materiales compuestos pero la matriz metálica es una aleación de Ni en cambio de Co. No son tan tenaces como los carburos pero resisten mejor al desgaste y la alta temperatura. Se pueden utilizar hasta velocidades de unos 370 m.min-1.

Cerámicos: Los principales cerámicos usados son AlO, AlO-TiC, un material compuesto de matriz de AlO whiskers de SiC y el Si N. Son muy frágiles y caros, tienen baja conductividad térmica y la resistencia al shock térmico es muy pobre. No son soldables. Se pueden alcanzar velocidades de 1200 m.min-1.

Diamante: Se usa sólo para el mecanizado a gran velocidad de metales no ferrosos y materiales compuestos. De todos los materiales es el más duro y menos tenaz, lo que limita su uso. Se pueden llegar hasta velocidades de 4500 m.min-1.

Existen herramientas que son monolíticas, de una sola pieza, en ellas tanto la zona de filo de corte como el resto de la herramienta es del mismo material. Este tipo de herramienta es muy común en el caso de los aceros rápidos.

Figura 1.8. Herramienta de corte para torno. (a) Monolítica hecha de acero rápido. (b) Parte cortante de acero rápido soldada a tope. (c) Placa de acero rápido sobrepuesta mediante soldadura. (d) Diamante con pieza porta-diamante.

Las solicitaciones mecánicas, térmicas y de desgaste a que esta sometida la zona de corte son muy diferentes respecto de las que ocurren en el resto de la herramienta. Las partes de la herramienta que no participan realmente en el corte sirven de soporte para las zonas que cortan y están usualmente solicitadas a menores tensiones, menor temperatura y además no hay desgaste. Por estas razones, es más frecuente que las herramientas consten de una pieza soporte en la que se encuentran los llamados insertos que son los que realmente cortan el material a trabajar. Esto permite usar los materiales para herramientas sólo en las partes activas de la herramienta, mientras que el resto del herramental es de materiales de menor calidad, de menor costo y de mayor tenacidad. Los insertos se fabrican con varios filos de corte; cuando uno de ellos pierde el filo, el inserto es rotado y se pone a cortar un nuevo filo. El reafilado de los mismos no es conveniente económicamente, por lo que al llegar al fin de la vida del último filo del inserto este se descarta y es reemplazado por uno nuevo, mientras que el resto de la herramienta se sigue utilizando.

Los insertos pueden ser soldados por brazing al resto de la herramienta, pero actualmente es mucho más común el uso de diferentes medios de anclaje mecánico para que la rotación y el reemplazo del inserto sea más rápido y fácil.

Figura 1.6. Herramientas de corte (insertos).

Cuando las herramientas, especialmente las de aceros rápidos, se gastan, se les realiza un reacondicionamiento para poder continuar utilizándolas, lo cual puede realizarse manualmente o a través del uso de un control por computadora. Una alta precisión en el reacondicionamiento es de gran importancia. El reacondicionamiento y reciclado de las herramientas es una decisión que debe basarse sobre los estudios de los costos relativos que envuelve.

1.3. Lubricantes

También llamados fluidos de corte y líquidos refrigerantes, estos son usados ampliamente en las operaciones de mecanizado para:

• Reducir la fricción y desgaste, mejorando la vida de la herramienta y la terminación superficial.

• Reducir las fuerzas y el consumo de energía.

• Enfriar la zona de corte, reduciendo la temperatura de la pieza, la distorsión y mejorando la vida de la herramienta.

• Arrastrar lejos la viruta de la zona de corte.

• Proteger la reciente superficie mecanizada de la corrosión ambiental.

La efectividad de un lubricante depende de varios factores, como el método de aplicación, temperatura, velocidad de corte y tipo de operación entre otras. Por lo que ya se sabe la temperatura aumenta al aumentar la velocidad de corte, por lo que en la zona de corte se necesita un mayor enfriamiento a mayor velocidad de corte. El agua es un excelente refrigerante, pero es poco lubricante.

La severidad es definida como la magnitud de las temperaturas y fuerzas encontradas, la tendencia y la facilidad con que la viruta se deposita en la zona de corte. A mayor severidad se deberá tener una mayor efectividad del lubricante.

Existen situaciones en las que el uso de lubricantes es indispensable. En procesos ininterrumpidos como el fresado, el enfriamiento producido por el lubricante incrementa la duración del ciclo térmico que esta sometida la herramienta. Esta condición puede llevar a la fatiga térmica del herramental.

1.3.1. Tipos de lubricantes

Existen generalmente cuatro tipos de lubricantes comúnmente utilizados en las operaciones de mecanizado:

• Aceites

• Emulsiones

• Semisintéticos

• Sintéticos.

1.3.2. Selección de lubricantes

Para la selección de lubricantes para un proceso en particular y para un material de una pieza es necesaria la consideración de varios factores:

• El proceso de fabricación en particular

• Compatibilidad del lubricante con la pieza y herramientas

• Requerimientos para la preparación de la superficie

• Método de aplicación del lubricante

• Remoción del lubricante luego del proceso

• Contaminación del lubricante por otros lubricantes, como aquellos utilizados para lubricar la maquinaria

• Tratamiento del lubricante de desecho

• Almacenamiento y mantenimiento del lubricante

• Consideraciones biológicas y ecológicas

• Costos de todos estos aspectos

Las diferentes funciones de los fluidos, sean principalmente para lubricación o refrigeración, debe ser tenido en cuenta. Los fluidos de base acuosa son muy efectivos refrigerantes, pero como lubricantes son mucho más efectivos los aceites.

Los fluidos no deben manchar o corroer las piezas o los equipos. Deben ser chequeados periódicamente para observar el deterioro que sufren a causa del crecimiento de bacterias, acumulación de óxidos, viruta, etc.

1.4. Origen del control numérico

Las máquinas primitivas, en sus comienzos, dependían enteramente del control manual de cada función. Con frecuencia, se dependía de los músculos del hombre para hacer funcionar el mecanismo de movimiento así como para hacer avanzar la herramienta. En la Figura 1.6. se muestra una máquina completamente manual, es uno de los primeros modelos de tornos que utilizaban un pedal para el suministro de la fuerza, dejando libres las manos del operario para hacer funcionar, detener y operar los avances longitudinales y transversales, y otras funciones.

Los controles de las máquinas se dividen en cuatro categorías:

Control manual completo

Control cíclico, tanto automático como semiautomático

Control seguidor o duplicador

Control por mando preprogramado

Para la primera categoría, la secuencia de una máquina típica accionada manualmente debe ser como sigue:

Poner en marcha el husillo

Conectar el refrigerante

Posicionar la herramienta

Hacer avanzar la herramienta a la profundidad de corte

Poner en marcha la carrera de corte transversal

Detener esta ultima al completar el corte

Retirar la herramienta

Desconectar el refrigerante

Parar el husillo

Figura 1.6. Torno histórico con operación completamente manual. La fuerza la proporciona el operario por medio de un pedal y controlaba a mano las funciones de corte.

En este caso el operario realmente controla cada función y toma todas las decisiones en cuanto a velocidades, avances, profundidad y longitud del corte, y tiempo de la secuencia.

En la segunda categoría se diseñaron los controles de las máquinas de manera que se pueda colocar un ciclo de corte predeterminado por medio de levas, topes mecánicos o interruptores eléctricos de límite. En este caso el operario pone en funcionamiento el ciclo y la máquina posiciona la herramienta, hace el avance a la profundidad preparada, recorre la carrera de corte, retira la herramienta, regresa a la posición inicial y detiene el funcionamiento.

La tercera categoría proporciona controles para contornos complejos, tanto en dos como en tres dimensiones, se los nombra controles seguidores o duplicadores. Es necesario poseer un patrón.

La cuarta categoría de controles cubre las máquinas que han sido diseñadas para ser controladas por medio de señales o mandatos de una fuente preprogramada. La información para las órdenes de mando se coloca en las máquinas en muchas formas, por ejemplo:

• Tarjetas perforadas

• Cintas magnéticas

• Cintas de papel perforado

Figura 1.7. Teclado perforador y perforador de cinta manual.

Figura 1.8. Colocación de la cinta en la unidad lectora de la máquina-herramienta.

1.4.1. Motivos para el reemplazo del hombre

Todas las informaciones necesarias para la construcción de una pieza están indicadas en el plano, pero estas no se encuentran en un lenguaje comprensible para la máquina. Por lo que es necesaria la intervención del hombre (operador) para leer el plano, interpretarlo, memorizarlo y transmitirlo a la máquina, convirtiéndose el operador en un “convertidor de informaciones”. Creándose así el siguiente flujo:

PLANO OPERADOR MÁQUINA

Este flujo de información es discontinuo ya que el hombre debe siempre relevar del plano las informaciones antes de comunicarlas a la máquina. Al ser mayor el número y dificultosa la información, más discontinuo es el proceso, lo cual también trae la posibilidad de que el operador se confunda. Para ello se pensó en la utilización de dispositivos programadores que memorizaran todas las informaciones necesarias.

Con el objeto de relevar al operador de la tarea de “traductor” de informaciones, se estudiaron los sistemas de programación. Con ellos se pueden construir máquinas especiales con una o varias estaciones de trabajo, son muy eficientes y operan automáticamente bajo simple supervisión del operario, pero presentan dos graves inconvenientes: son costosas y rígidas. Una máquina especial es proyectada y construida en función de una cierta pieza que debería construirse de esa forma durante un tiempo prolongado. Si la pieza es modificada, se deberá aportar costosas modificaciones a la máquina o parte de ella, corriendo el riesgo de inutilizarla. Por este motivo son utilizadas solamente en las muy grandes series de piezas que no tendrán cambios en sus diseños.

El avance de la industria electrónica debilitó al sistema hombre-traductor por los siguientes factores del operario:

• Extenso tiempo de entrenamiento

• Se distrae con facilidad

• La ejecución del trabajo depende de la condición física y mental

• La eficiencia es inversamente proporcional al tiempo de ocupación del operario

• Velocidad de operatividad limitada

La máquina-herramienta juega un rol fundamental en el desarrollo tecnológico del mundo hasta el punto que no es una exageración decir que la tasa del desarrollo de máquinas-herramientas gobierna directamente la tasa del desarrollo industrial.

Maquinarias de todo tipo se logró concebir y realizar mediante la utilización de las máquinas-herramientas, pero no podían ser comercializadas por no existir los medios adecuados para su construcción industrial. Para lo que era necesario realizar operaciones de fresado, alesado y perforado, lo cual se obtendría una gran eficiencia si estas máquinas-herramientas se encontraran agrupadas, y mayor aún seria la eficiencia si todas estas operaciones se podrían realizar en una sola máquina.

Todas estas necesidades, mejoras introducidas por la aparición de las máquinas-herramientas y los nuevos requisitos que se sumaban día a día forzaron al reemplazo del operador-hombre. Así se comenzó con la introducción del control numérico en los procesos de fabricación, impuesto por varias razones:

• Necesidad de fabricar productos que no se podían conseguir en cantidad y calidad suficientes sin recurrir a la automatización del proceso de fabricación

• Necesidad de obtener productos hasta entonces imposibles o muy difíciles de fabricar por ser excesivamente complejos para ser controlados por un operador humano

• Necesidad de fabricar productos a precios suficientemente bajos

El factor inicial predominante que condicionó toda automatización fue el aumento de productividad. Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de la industria aparecieron otros factores no menos importantes como la precisión, la rapidez y la flexibilidad. Finalmente, se redujeron los costos de desarrollo, adaptación, puesta en marcha, formación, documentación y mantenimiento.

Las máquinas-herramientas de control numérico configuran una tecnología de fabricación que de la mano de la microelectrónica, la automatización y la informática industrial ha experimentado en los últimos años un desarrollo acelerado y una plena incorporación a los procesos productivos, desplazando progresivamente primero al hombre y luego a las máquinas convencionales, su capacidad de trabajo automático y de integración de los distintos equipos entre sí y con los sistemas de control, planificación y gestión de formación, hacen del control numérico (CN) la base de apoyo a unas tecnologías de fabricación: el COM, fabricación flexible y el CIM, fabricación integrado por computadora.

1.4.2. Nace el control numérico

La industria metalmecánica cambió drásticamente durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Los ambiciosos proyectos misilísticos y la industria aérea (de la Fuerza Aérea norteamericana) comenzaron a requerir la manufactura de piezas complicadas y exactas.

Bajo contrato con la Fuerza Aérea norteamericana la Parsons Corporation se hizo cargo del desarrollo de un sistema de manufactura flexible diseñado para maximizar la productividad y alcanzar las exactitudes deseadas para pequeñas y medianas producciones. La Parsons Corporation a su vez subcontrató el desarrollo del sistema de control al Laboratorio de Servomecanismos del MIT. En 1952 la máquina mecanizadora Cincinnati Hydrotel de tres ejes controlada con tecnología digital fue desarrollada. Esta tecnología digital es la que se conoce como control numérico (CN).

1.4.3. Evolución del control numérico

(1725)	Máquinas de tejer construidas en Inglaterra, controladas por tarjetas perforadas.
(1863)	M. Forneaux. Primer piano que toco automáticamente.
(1870-1890)	Eli Whitney. Desarrollo de plantillas y dispositivos. “Sistema norteamericano de manufactura de partes intercambiables”.
(1880)	Introducción de una variedad de herramientas para el maquinado de metales. Comienzo del énfasis en la producción a gran escala.
(1940)	Comienzo de la investigación y desarrollo del control numérico. Comienzo de los experimentos de producción a gran escala con control numérico.
(1955)	Las herramientas automatizadas comenzaron a aparecer en las plantas de producción para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
(1956)	Hay concentración en la investigación y desarrollo del control numérico.
(1960) Hasta la actualidad:	Se crean varios nuevos sistemas de control numérico. Se perfeccionaron las aplicaciones a la producción de una gama más grande de procedimientos de maquinado de metales. Se idearon aplicaciones a otras actividades diferentes del maquinado de metales. Se utilizaron insumos computarizados de control numérico. Se utilizaron documentos computarizados de planeación gráficos por control numérico. Se desarrollaron procedimientos computarizados de trazo de curvas de nivel por control numérico, a bajo costo. Se establecieron centros de maquinado para utilización general.

1.4.4. Del control numérico al control numérico computarizado

Los primeros controladores numéricos en los 50 usaban tubos al vacío y eran extremadamente grandes. Llegando a la década del 60 se comenzó a usar transistores en los circuitos lógicos y lazos de control numérico. La tercera generación usaba circuitos integrados y consecuentemente se volvieron menos costosas y más pequeñas. Algunas siguen hoy en día en operación. La información que requieren las máquinas es mantenida en cintas perforadas e insertada a los controladores en lectores de cintas.

Cerca de los 70 se comenzaron a usar computadoras en vez de las unidades controladoras en los sistemas de CN. Esto produjo la aparición del Control numérico Computarizado (CNC) y del Control numérico Directo (CND). El CNC es un medio contenedor del sistema de CN para una máquina-herramienta simple incluyendo una computadora controlada por instrucciones almacenadas para mejorar algunas o todas las funciones básicas del CN. El CND es directamente controlado por una computadora central, pero el CNC se convirtió mucho más usado para sistemas de manufactura, principalmente por su flexibilidad y el bajo requerimiento de inversión. La preferencia al CNC en vez del CND se incrementó como resultado de la disponibilidad y reducción de los costos de los minicomputadores y microcomputadores.

Uno de los objetivos del CNC es el reemplazo de lo que se pueda del hardware convencional de los CN como sea posible con software y simplificar el hardware remanente.

Una nueva rama de las máquinas-herramientas a CN son los llamados “centros de mecanizado” y “centros de torneado”, los cuales incorporan en una sola máquina funciones de varias otras máquinas. Un centro de mecanizado puede tener múltiples herramientas para realizar varias operaciones como taladrado, fresado, etc. Otras máquinas con CN incluyen máquinas soldadoras, dobladoras de tubos, máquinas de inspección, máquinas de cableado, etc.

1.4.5. Movimientos posibles gracias al CNC

Hoy en día sofisticadas mecanizadoras a CN mantienen control sobre seis ejes de movimiento y pueden literalmente esculpir complejas superficies. Una computadora controla la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas tridimensionales. Las máquinas CNC son capaces de mover la herramienta al mismo tiempo en los tres ejes para ejecutar trayectorias tridimensionales como las que se requieren para el maquinado de complejos moldes y troqueles como se muestra en la imagen.

En una máquina CNC una computadora controla el movimiento de la mesa, el carro y el husillo. Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que el operador esté manejándola. Esto permite aprovechar mejor el tiempo del personal para que sea más productivo.

1.5. Automatización

En un principio la opinión del público en general se encontraba dividida en dos grandes grupos. Para algunos era la respuesta a todos los problemas industriales y para otros era una cosa diabólica que traería el desempleo en masa y otras desgracias. Pero realmente, no fue ni una cosa ni la otra. La automatización es una técnica industrial que sencillamente proporciona una extensión y un refinamiento de métodos anteriores que han estado en uso por largo tiempo. Generalmente debe incorporar tres funciones básicas:

• Control automático de la máquina

• Algún sistema de autorregulación o de realimentación

• Un manejo coordinado del material

La historia de la automatización industrial esta caracterizada por periodos de constantes innovaciones tecnológicas. Lo que se debe a que los procesos de automatización se encuentran estrechamente ligados a los sucesos económicos mundiales. Existen tres clases muy amplias de automatización industrial:

• Automatización fija: Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto y se justifica económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas.

• Automatización programable: Se utiliza cuando el volumen de producción es de medio a bajo y existe una diversidad de productos a obtener. En este caso el equipo es diseñado para adaptarse a las variaciones de configuración del producto, la cual se realiza a través de un programa (software).

• Automatización flexible: Es la más adecuada en la utilización de un rango de producción medio. Estos poseen características de los dos anteriores.

Existen cinco formas de automatización en la industria moderna:

• Control automático de procesos: Se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios (químicos, físicos), como por ejemplo en la industria de refinación del petróleo.

• Procesamiento electrónico de datos: Frecuentemente relacionado con los sistemas de información, centros de cómputos, etc.

• Automatización fija: Asociada al empleo de sistemas lógicos, como los sistemas de relevadores y compuertas lógicas, los cuales se fueron flexibilizando con la introducción del PLC o controladores lógicos programables.

• Control numérico computarizado: Éstas poseen un mayor nivel de flexibilidad, este tipo de control se aplicó con éxito a las máquinas herramientas de control numérico (MHNC), entre las cuales se pueden mencionar: Fresadoras, mecanizadoras, tornos, máquinas de electroerosionado, máquinas de corte por hilo, etc.

Metas y usos de la automatización

La automatización tiene varias metas principales:

• Integrar varios aspectos de las operaciones de fabricación para mejorar la calidad y uniformidad de los productos, minimizar tiempos del ciclo y duraciones, y reducir los costos.

• Mejorar la productividad reduciendo los costos de manufacturación mejorando el control de la producción. Las partes son cargadas, alimentadas y descargadas en las máquinas más eficientemente. Las máquinas son usadas más efectivamente y la producción organizada más eficientemente.

• Mejorar la calidad empleando procesos repetibles.

• Reducir inconvenientes de operarios, aburrimiento y posibilidades de errores humanos.

• Reducir el daño de piezas causado por el manejo manual de las partes.

• Aumentar el nivel de seguridad para el personal, especialmente para los que trabajan bajo condiciones peligrosas.

• Economizar en espacio físico en la planta de manufactura por el arreglo de las máquinas, movimiento del material y relacionar el equipamiento más eficientemente.

2. Principios básicos

2.1. Control numérico

Control numérico (CN) es un método de control de movimientos de los componentes de una máquina que se realiza insertando instrucciones alfanuméricas en el sistema. El sistema automáticamente interpreta esas instrucciones y las convierte en señales de salida. Esas señales controlan varios componentes de la máquina, que hacen, por ejemplo, mover la pieza o la herramienta a determinados lugares, cambiar las herramientas, etc.

En el CN, las instrucciones incumben todos los aspectos operativos de la máquina, como lugares, velocidades, alimentación, etc., y son guardadas en cintas magnéticas, casetes, diskettes o discos rígidos, o papel o plástico. El concepto de CN es que esa información puede ser relevada desde esos dispositivos al panel de control de la máquina.

2.2. Control numérico computarizado

En este nuevo concepto, el control del hardware montado en la máquina con CN lo hace una computadora local con un software. Hay dos tipos de sistemas computarizados: el Control Numérico Directo (CND) y el Control Numérico Computarizado (CNC).

En el CND, varias máquinas son directamente controladas por una computadora central. El operador tiene acceso a dicha computadora a través de una terminal remota. Entonces, se elimina el manejo de cintas o la necesidad de tener una computadora para cada máquina, y el estado de todas las máquinas puede ser monitoreado desde la computadora central. Sin embargo, la principal desventaja es que si deja de funcionar esa computadora central, todas las máquinas dejan de operar. Más tarde se implementó el uso de un servidor con varios terminales (uno para cada máquina). Esto le daba más memoria y capacidad, pero seguía teniendo el mismo problema.

El CNC es un sistema en el cual una microcomputadora es una parte integral del control de una máquina. El programa puede ser preparado desde un lugar remoto, y puede incorporar información obtenida de software de diseño y de simulaciones de maquinado. Pero también el operador puede fácilmente programar en forma manual desde la computadora que contiene la máquina, además de poder modificar los programas anteriores y guardarlos. Como esas computadoras son de pequeño tamaño y con una gran memoria, el CNC es hoy en día usado ampliamente.

Las ventajas son las siguientes:

• Mayor flexibilidad. La máquina puede producir una cierta pieza, seguido por otras piezas con diferentes formas, a reducido costo.

• Gran precisión

• Mayor versatilidad. Editar y depurar programas, reprogramar, dibujar e imprimir es más simple.

Los elementos funcionales son los siguientes:

• Data input. La información numérica es leída y guardada en una cinta o memoria.

• Data processing. Los programas son leídos en la unidad de control para su procesamiento.

• Data output. La información es transformada a comandos, típicamente pulsos para el motor. Dicho motor mueve la pieza a determinados lugares, mediante movimientos lineales o de rotación.

Los elementos básicos y operacionales se observan en la Figura 2.1.

Figura 2.1. Elementos básicos y operacionales de una máquina CNC.

2.2.1. Tipos de circuitos de control

Una máquina con CNC puede ser controlado a través de dos tipos de circuitos, lazo abierto (open loop) o lazo cerrado (closed loop), que se puede apreciar en la Figura 2.2. En el sistema de lazo abierto, las señales son dadas al motor por el procesador, pero los movimientos y destinos finales de la herramienta no son chequeados para una mejor precisión. El sistema de lazo cerrado es equipado con varios transductores, sensores y contadores que miden exactamente la posición de la herramienta. A través del control feedback, la posición de la herramienta es comparada con la señal de salida de la computadora. Este sistema es más complicado y más costoso.

Figura 2.2. Ilustración esquemática de los componentes de un sistema de controla de (a) lazo cerrado y (b) lazo abierto

Las mediciones de la posición pueden ser hechas por métodos directos o indirectos, como se observa en la Figura 2.3. En los sistemas de medición directos un dispositivo sensible lee una escala graduada en la mesa de trabajo para movimientos lineales. Este sistema es el más preciso porque la escala está colocada en la máquina, y el juego en los mecanismos es insignificante. En los sistemas de medición indirectos, un elemento rotativo convierte un movimiento circular en un movimiento lineal. En este sistema, el juego puede afectar significativamente la precisión de la medición.

2.2.2. Tipos de sistemas de control

Básicamente hay dos tipos de sistemas de control en CNC: punto a punto y de contorno, como se ve en la Figura 2.4. En el sistema punto a punto, o también llamado de posicionamiento, cada eje de la máquina es manejado separadamente por guías y, dependiendo del tipo de operación, a diferentes velocidades. La máquina se mueve inicialmente a máxima velocidad, para reducir los tiempos muertos, pero desacelera cuando la herramienta alcanza una posición definida. Entonces en una operación como agujerear, el posicionamiento y corte toma lugar secuencialmente. Luego de que se realizó el agujero, la herramienta se retrae, se mueve rápidamente a otra posición, y repite la operación. El camino realizado desde una posición a otra es importante en un aspecto: el tiempo requerido debería ser minimizado para aumentar la eficiencia. Este sistema es utilizado para agujerear y para fresar en una dirección.

Figura 2.3. (a) Medición por método directo de un desplazamiento lineal de la mesa de trabajo. (b) y (c) medición por método indirecto

En el sistema de contorno, o también conocido como camino continuo, operaciones de corte y posicionamiento toman lugar al mismo tiempo a lo largo de controlados caminos pero a diferentes velocidades. Es por eso que el control de la precisión y sincronización de velocidades y movimientos son importantes. El sistema de contorno es usado en tornos, fresadoras, rectificadoras y centros de mecanizado.

Figura 2.4. Sistemas de control. (a) punto a punto. (b) de contorno (continuo)

Esos movimientos a lo largo de los caminos, o interpolación, ocurre por uno de varios métodos básicos: lineal, camino continuo aproximado por incremento de líneas rectas, circular, parabólica o cúbica, algunos ilustrados en la Figura 2.5.

En la interpolación lineal, le herramienta se mueve a lo largo de líneas rectas desde que empieza hasta que termina, en dos o tres ejes. Teóricamente, todos los tipos de perfiles pueden ser producidos por este método, pero es necesario procesar una gran cantidad de datos. En la interpolación circular, los datos de entrada requeridos son las coordenadas de los puntos finales, las coordenadas de los centros de los círculos y la dirección de la herramienta a lo largo del arco. En la interpolación parabólica o cúbica, el camino es aproximado por curvas usando ecuaciones matemáticas de alto grado. Este método es efectivo en máquinas de cinco ejes, y son usadas para los movimientos de robots industriales.

Figura 2.5. Algunos tipos de interpolación. (a) Lineal, (b) camino continuo aproximado por incremento de líneas rectas, y (c) circular

2.2.3. Precisión

Precisión en el posicionamiento de la herramienta está definido según cuán exacta sea la máquina en posicionarse en una determinada coordenada. Usualmente una máquina CNC tiene una precisión de posicionamiento de aproximadamente ± 3 ðm. Repetitividad es la diferencia entre los resultados de movimientos iguales de la herramienta, bajo las mismas condiciones de operación, que ronda en los 8 ðm. Resolución está definido como el movimiento más pequeño de los componentes de la máquina, que se aproxima a los 2,5 ðm. El juego en guías y engranajes cumple un rol importante en el tema precisión.

2.2.4. Ventajas y limitaciones

• Se aprovecha la flexibilidad de operación, que es la habilidad de producir formas complejas con buena precisión dimensional, repetitividad, reducidas pérdidas, altas velocidades de producción, productividad y calidad.

• Los costos de las herramientas son reducidos.

• Los ajustes de la máquina son fáciles de hacer con microcomputadoras.

• Más operaciones pueden ser hechas con cada programación, y menos tiempo es necesario para maquinar comparado con los métodos convencionales.

• Los programas pueden ser preparados más rápidamente y pueden ser rellamados en cualquier tiempo utilizando microprocesadores.

• Menor requerimiento de habilidad del operador, en comparación con un oficial tornero o similar, y el operador tiene más tiempo para atender otras tareas en el área de trabajo.

La mayor limitación es el costo inicial relativo del equipamiento, la necesidad y costo de programación, y el especial mantenimiento que requiere entrenamiento del personal. Como las máquinas CNC son sistemas complejos, las fallas o roturas son muy costosas, es por eso que el mantenimiento preventivo es esencial. Sin embargo, esas limitaciones son superadas por las ventajas económicas en la producción.

2.2.5. Programación

Por programación se entiende al conjunto de operaciones preventivas que hacen luego efectuar a la máquina un ciclo determinado. Es, por lo tanto, la operación de preparar las informaciones o instrucciones que serán proporcionadas a la herramienta y condicionan su modo de trabajo. En general, dicha información necesaria para la ejecución de una pieza en CNC puede ser de tipo geométrica o de tipo tecnológica.

La información geométrica es la que contiene los datos referentes a las superficies de referencia, origen de los movimientos, etc. Son las dimensiones de la pieza, terminación superficial, tolerancias, dimensiones de la herramienta, longitud de las carreras, etc.

La información tecnológica describe los datos referentes a las condiciones de mecanizado, los materiales, el modo de funcionamiento de la máquina, etc. En definitiva, todos aquellos que no tienen que ver con la geometría de la pieza. Son la velocidad de avance, velocidad de rotación, características del material de la pieza, características de la herramienta, clase de refrigerante, modo de funcionamiento de la máquina, etc.

La preparación de esta información de forma inteligible para el control numérico se denomina programación. Así, para la realización del programa, es necesario conocer o establecer la capacidad y características de la máquina-herramienta: potencia, velocidades, esfuerzos admisibles, etc., las características del control numérico: tipo de control, número de ejes, formato bloque, lista de funciones codificadas, etc., el plano de la pieza, número de piezas y tamaño de la serie, el dimensionado de la pieza antes de su montaje en la máquina herramienta, los mecanizados a realizar: tipos, situación, dimensiones, etc., la situación de los puntos y superficies de referencia de la pieza, los tipos de herramientas disponibles en el taller para la máquina-herramienta, así como sus condiciones de utilización y dimensiones.

A partir de toda esta información, se deben seguir los siguientes pasos:

• Definir el orden cronológico de las fases de la operación, elaborando un croquis con la situación de los puntos y superficies de trabajo. En general y con objeto de reducir el tiempo de la operación, se intenta minimizar de forma aproximada el número de trayectorias de la herramienta, la longitud de estas trayectorias, los cambios de herramienta, y las pasadas de la máquina.

• Determinar las herramientas y el utillaje necesario, así como sus condiciones de trabajo. Para ello, el programador suele disponer de un fichero numerado con las características geométricas y de uso de cada una de las herramientas. En la hoja de instrucciones se apuntan los códigos de fichero de las herramientas elegidas, indicando su tipo y características, así como la nueva numeración asignada para el programa.

• Realizar los cálculos necesarios para la definición de las trayectorias de las herramientas, calculando las coordenadas de los puntos de trabajo, las cuales se indican en el croquis realizado en la primera fase. En el caso de que la pieza necesite más de un programa, como sucede cuando son necesarios distintos montajes, las cotas calculadas se escriben únicamente en el croquis correspondiente a cada programa.

El lenguaje de programación es la comunicación con la computadora y encierra el uso de caracteres simbólicos. El programador describe el componente a ser procesado en este lenguaje, y la computadora lo convierte en comandos para la máquina. El primer lenguaje fue el APT (Automatically Programed Tools), que es todavía usado para programación punto a punto y continuo.

Esta programación por computadora tiene varias ventajas:

• Usa un lenguaje simbólico, y ya varios programas han sido desarrollados.

• Tiempo reducido de programación. Es capaz de acomodar una gran cantidad de datos y variables del proceso como potencia, velocidades, alimentación, herramienta, cambio de herramienta, uso de la herramienta, deflexiones y refrigerantes.

• Reducción de la posibilidad de error humano, que puede ocurrir operando manualmente.

• Habilidad para ver las secuencias de la máquina en pantalla para depurar.

La selección de un lenguaje de programación depende de los siguientes factores

• Nivel de experiencia del personal

• Complejidad

• Tipo de equipamiento y disponibilidad de computadoras

• Tiempo y costo envueltos en programación

2.2.6. Control adaptivo

El sistema de Control Adaptivo (CA, o AC en inglés) para procesos de mecanizado es una extensión lógica de un CNC. En estos sistemas, la posición relativa entre la herramienta y la pieza es controlada. Sin embargo, el programa debe especificar la velocidad de corte y la alimentación. La determinación de esos parámetros requiere experiencia y conocimiento según cómo sea la pieza (geometría y material), y qué herramienta se está utilizando, además de conocer las características de la máquina, refrigerante, y demás elementos. Esa determinación afecta directamente factores económicos, como pueden ser precisión dimensional de la pieza, superficie, velocidad de remoción de material, o vida útil de la herramienta. El foco principal del CA es la mejora de la producción, obteniendo mejoras en todo lo mencionado anteriormente. Esto es llevado a cabo con la medición y el control de ciertas variables del proceso en tiempo real. Un esquema de una configuración típica del CA se puede observar en la Figura 2.6. Está claro que el CA representa un sistema de control del proceso que opera en conjunto con los sistemas de control ya explicados anteriormente.

Figura 2.6. Esquema de un sistema de control adaptivo incorporado a una máquina con CNC

El AC usa una gran variedad de sensores y estrategias de control. Dependiendo de esos factores, el CA puede ser clasificado:

• Control Adaptivo con Optimización (CAO, o ACO en inglés), en el cual se usa un índice económico de perfomance para optimizar los procesos de corte usando mediciones on-line.

• Control Adaptivo con Restricción (CAR, o ACC en inglés), en el cual el proceso es controlado usando mediciones on-line para mantener un proceso particular restringido.

• Control Adaptivo Geométrico (CAG, o GAC en inglés), en el cual el proceso es controlado usando mediciones on-line para mantener la geometría deseada.

El CAO es el más usado, sin embargo, como es dificultoso implementarlo, los otros dos también son bastante usados. El sistema CAR es conveniente para procesos de desbaste, mientras que el CAG es usado típicamente para operaciones de terminado.

Los beneficios del CA pueden ser significativos, particularmente bajo condiciones de corte variables. Sin embargo, el objetivo principal es la mejora de la producción, por ejemplo, incrementando la velocidad de remoción de metal (VRM, o MRR en inglés). Esto es ilustrado en la Figura 2.7., para una operación de fresado con el ancho o la profundidad como variables de corte. Con CA, la alimentación puede ser aumentada cuando la profundidad o el ancho de corte es pequeño, y reducida si alguna de esas dos variables se hacen más grandes. En contraste, con un fresado convencional, se deberá seleccionar la menor alimentación basada sobre la peor condición.

Figura 2.7. Comparación de la alimentación con control adaptivo y convencional cuando el corte varía. (a) Variable profundidad. (b) Variable ancho

Algunos resultados típicos demostrando los beneficios del CA son mostrados en la Figura 2.8. Se compara costos de maquinado para CA y convencional y muestra que una mejora en la producción del 20% al 80% se puede esperar usando el sistema de CA. Otro beneficio es el tiempo de programación reducido porque la alimentación y corte se ajustan on-line.

2.2.6.1. Control adaptivo con optimización

Se describen dos sistemas, una fresadora y una amoladora, basado con el sistema CAO.

• Sistema de CAO para fresadora: Se usan varias mediciones de variables del proceso (momento torsor, temperatura de la herramienta, y vibraciones de la máquina) y un índice económico de perfomance para ajustes on-line de la velocidad de corte y alimentación. El objetivo de este sistema es maximizar ese índice, sujeto a restricciones en la velocidad de la herramienta, máximo momento torsor, máxima alimentación, máxima temperatura de la herramienta, y máxima amplitud de vibración. Esta optimización es resuelta on-line usando métodos de gradiente, con incrementos en la velocidad de alimentación de 0,003 mm/rev e incrementos en la velocidad de la herramienta de 10 rev/min. El principal problema es que necesita un sensor de vida útil de la herramienta. El cálculo de ésta con mediciones de temperatura y de momento torsor no es satisfactorio para todos los rangos de alimentación y velocidad de corte, y una medición de temperatura confiable es difícil de obtener en una producción.

Figura 2.8. Comparaciones del costo de mecanizado con CA y convencional. (a) El maquinado de acero dulce con 0,05 mm (0,002”) de tolerancia, una profundidad de corte de 0,75 mm (0,003”) y un ancho de 25 mm (1”), y (b) el maquinado de acero inoxidable con 0,25 mm (0,01”) de tolerancia, una profundidad de corte de 2,5 mm (0,1”) y un ancho de 25 mm (1”). (c), (d) y (e) en un ejemplo la variable es la profundidad de corte y en el otro es a 1 mm de profundidad de corte. Las condiciones de mecanizado son las siguientes: (c) acero SAE 4140 con herramienta de acero rápido, (d) acero SAE 4140 con herramienta de carburo, y (e) acero inoxidable con herramienta de acero rápido.

• Sistema de CAO para amoladora: Se basa en la medida de la potencia en el disco de amolar. Esta potencia medida es comparada con la máxima potencia permitida, y el error de potencia generado, es usado para ajustar la velocidad de avance de la pieza. Entonces, el sistema es designado para operar cerca de la potencia máxima.

2.2.6.2. Control adaptivo con restricción

En general, los sistemas de CA comerciales usados hoy en producción para fresado y torneado de desbaste son del tipo CAR. Esto es porque los sistemas de CAO son más complejos y requieren más cantidad de conocimiento antes de que sean totalmente instalados. Los sistemas de CAR pueden proveer muchos de los beneficios del CAO y son relativamente fáciles de implementar.

2.2.6.2.1. Fundamentos de los sistemas con CAR

Típicamente, estos sistemas se basan sobre la medición de una variable del proceso, como fuerza, torque, o corriente del motor, e intenta mantenerla en un predeterminado valor de referencia. Si este valor es determinado para garantizar una alta velocidad de producción relativa sin un excesivo uso acelerado de la herramienta, provee una buena, aunque no tan óptima, perfomance. Muchos sistemas de CAR intentan maximizar la VRM maximizando una de las variables del mecanizado, como por ejemplo, operando a la máxima alimentación pero manteniendo una carga constante en la herramienta, como se vio en la Figura 2.7. En este caso el promedio de la alimentación con el sistema CAR es mayor que con la programada, particularmente si hay variaciones significantes en la profundidad o el ancho de donde se está maquinando. Los que más comúnmente se restringen son la fuerza de corte, el momento torsor, y la potencia de la máquina. Para que ello ocurra, se manipulan variables como alimentación y velocidad de la herramienta.

Figura 2.9. Un sistema CAR para torno

Un sistema CAR para un torno se muestra en la Figura 2.9. La fuerza de corte se mide típicamente cada 1 s, y el valor de la fuerza se compara con un valor de referencia. El error de la fuerza es un dato de entrada del controlador del CAR, que produce un cambio en la alimentación. Un error positivo incrementa dicha velocidad y consecuentemente incrementa además la fuerza actual. Por varios experimentos se determinó que la profundidad de corte varía de la forma en que se muestra en la Figura 2.10.

Sin embargo, un sistema CAR puede tener problemas por poca perfomance, y hasta rotura de herramientas. Los resultados mostrados en la Figura 2.11., ilustra la inestabilidad que ocurre por el cambio en los parámetros del proceso de corte (por ejemplo, profundidad de corte, velocidad de la herramienta, y hasta alimentación). Este proceso de corte, como se muestra en la Figura 2.9., es parte del lazo de control, y a menos que el controlador varíe para compensar las variaciones de las variables del proceso, la perfomance de un lazo cerrado no se puede obtener. Entonces, se requiere el uso de técnicas de teoría del control adaptivo. En otras palabras, el controlador debe ser adaptado on-line para los cambios de los parámetros del proceso.

Figura 2.10. Experimentos de torneado con un CAR con una escala de tiempo grande y saltos en los cambios de la profundidad de corte. Los gráficos muestran el efecto de los cambios en (a) profundidad de corte, (b) alimentación y (c) fuerza de corte con aumento del tiempo.

Figura 2.11. Experimentos de torneado con un CAR con una escala de tiempo chica y saltos en los cambios de la profundidad de corte. Los gráficos muestran el efecto de los cambios en (a) profundidad de corte, (b) alimentación y (c) fuerza de corte con aumento del tiempo

2.2.6.3. Control adaptivo geométrico

El CAG combina la inspección de la pieza terminada con ajustes on-line de velocidades y alimentación.

2.2.6.3.1. Fundamentos de los sistemas con CAG

Otra estrategia de los CA es basar la selección de velocidades y alimentación en la exactitud de las dimensiones o en la rugosidad de la superficie de la pieza. Pone más énfasis en la calidad del producto que en la velocidad de remoción de metal. Este sistema requiere mediciones directas o indirectas de la pieza mientras está siendo maquinada.

Figura 2.12. (a) Rugosidad de la superficie que es determinado por (b) la alimentación

2.2.6.3.2. Sistema de GAC para torno

Este sistema mide la exactitud de las dimensiones y la rugosidad de la superficie para manipular la alimentación en un proceso de torneado. Para el torneado de partes cilíndricas se usan mediciones y controles casi en tiempo real. Para una dada velocidad de corte, los principales factores que afectan la rugosidad de la superficie son la alimentación y desgaste de la herramienta. La superficie terminada y la precisión en las dimensiones son medidas para cada parte una vez completada la operación de corte, y las correcciones afectan las partes subsiguientes. Lo mejor es ajustar la alimentación para reducir la variabilidad en la superficie terminada que surge del deterioro de la herramienta. Los resultados obtenidos se pueden apreciar en las Figuras 2.12., 2.13. y 2.14. La Figura 2.12. muestra que la alimentación es ajustada para mantener la superficie terminada deseada. Entonces, hay cuatro regiones que se pueden distinguir:

• Región de entrada, en donde se ajusta la alimentación inicial (1 a 10 piezas)

• Región de estado estacionario, en donde se mantiene la alimentación deseada (11 a 32 piezas)

• Región de excesivo uso de la herramienta, en donde se incrementa la rugosidad (33 a 46 piezas)

• Región de falla, donde la herramienta debe ser reemplazada

Figura 2.13. Histograma de la exactitud de la dimensión del diámetro con (a) control convencional y (b) con CAG

Una comparación de los histogramas del diámetro y de la superficie terminada en las Figuras 2.13. y 2.14. muestran lo significante en la exactitud de las mediciones y en la superficie terminada alcanzada con el sistema CAG.

Figura 2.14. Histograma de la rugosidad superficial con (a) control convencional y (b) con CAG

2.2.6.4. Tendencia en los CA

El CA más general es el CAO, sin embargo, éste es muy complicado de implementar, la mayor dificultad es la necesidad de un sensor de vida útil de la herramienta on-line. Recientes investigaciones en el uso de sensores de fuerza junto con modelos basados sobre técnicas de estimaciones de vida útil de la herramienta on-line parece prometedor. Este método resultó satisfactorio cuando predominantemente se consume el flanco de la herramienta, y además se aplicó estimaciones de lo anterior en torneado con variaciones de la profundidad de corte y alimentación. Para investigar la vida útil y rotura de la herramienta se usaron técnicas de emisión acústica desde el proceso de corte del metal.

3. Máquinas multioperaciones

Se hace referencia al maquinado de partes idénticas en alto volumen cuando las operaciones son realizadas consecutivamente o simultáneamente permitiendo completar el maquinado de la pieza en un solo paso. Torneado, cortado, frenteado y otras operaciones que típicamente se realizan en máquinas separadas para requerimientos de producciones de bajo volumen pueden ser ejecutadas en máquinas multifunciones cuando los requerimientos de producción de alto volumen tengan un costo efectivo.

3.1. Sistemas multifunciones

Los sistemas multifunciones se pueden dividir en cuatro grandes grupos:

• Tornos automáticos:

• Centros de mecanizado:

• Máquinas transfer:

• Sistemas de manufactura flexible:

3.2. Centros de mecanizado

Tradicionalmente las operaciones de torneado, frenteado, fresado, etc. se realizaban transportando la pieza a mecanizar de una máquina-herramienta a otra antes de que esta estuviera completamente mecanizada. Esto es un método de fabricación viable que puede ser altamente automatizado, lo cual dio comienzo a lo que se conoce como líneas transfer. Estas consisten en numerosas máquinas-herramientas colocadas secuencialmente, y la pieza se desplaza de estación en estación, realizándose una operación de mecanizado particular en cada una de ellas. Las líneas transfer son comúnmente utilizadas en grandes producciones y/o en producciones en masa.

Existen situaciones y productos donde esas líneas transfer no son convenientes económicamente, particularmente cuando los productos a ser mecanizados cambian rápidamente. En los años 50 se desarrolló un importante concepto, los centros de mecanizados.

Un centro de mecanizado es una estación simple controlada por CNC, una máquina herramienta capaz de fresar, taladrar, escariar, etc. Estas máquinas herramientas son usualmente equipadas con un cambiador automático de herramientas y diseñadas para realizar operaciones sobre distintas superficies de piezas sobre una tabla rotante. Por lo tanto, luego de una operación en particular, la pieza no tiene que ser removida y llevada a otra máquina para una transformación posterior. Los almacenadores de los intercambiadores de herramientas ocultan las herramientas y los intercambia con esos en los husillos según los comandos del programa que asegura velocidades óptimas y almacenamiento tan bien como las coordenadas de los espacios necesarios para maquinar la pieza.

Figura 3.1. Centro de mecanizado moderno

Un centro de mecanizado puede estar equipado con más de 200 herramientas. Es capaz de manufacturar grandes y complejas partes eficientemente y con gran exactitud.

El alto nivel de flexibilidad de los centros de mecanizado se encuentra íntimamente relacionado con el alto nivel de automatización que poseen. Los últimos desarrollos en los centros de mecanizado incluyen dispositivos de cambio de plataformas, cambiadores principales que perforan y cambiadores del compartimiento de la herramienta.

3.2.1. Tipos de centros de mecanizado y centros de torneado

Existen varias designaciones para los centros de mecanizado, los dos tipos básicos de centros de mecanizado son de husillo horizontal y de husillo vertical; algunos de los centros de mecanizado pueden usar ambos tipos de husillos.

Los centros de mecanizado con husillo vertical son recomendados para realizar operaciones de mecanizado sobre superficies lisas con cavidades profundas. Producen partes con una muy buena tolerancia dimensional. Son generalmente menos costosos que los de husillo horizontal.

Los centros de mecanizado con husillo horizontal son recomendados para grandes piezas que requieren que varias de sus superficies sean mecanizadas. La mesa de trabajo puede rotar sobre varios ejes. Otra categoría de las maquinas con husillo horizontal son los centros de torneado, los cuales son tornos controlados por computadora con varias características.

Los centros de mecanizado universales son desarrollos mas recientes y están equipados con ambos tipos de husillos: horizontal y vertical. Poseen una gran variedad de características y son capaces de mecanizar todas las superficies de una pieza, de allí el término universal.

Figura 3.2. Centro de mecanizado con husillo vertical y mesa desplazable

Los centros de mecanizado pueden ser categorizados más a fondo según se desplace la mesa o la columna. Los del tipo de mesa desplazable son usados para maquinar partes pequeñas, incorporando un sistema de plataforma para transportar la pieza a trabajar. Los diseños de columna desplazable son muy usados para mecanizar partes grandes. Estos centros de mecanizado usualmente tienen un módulo de trabajo que contiene 60, 360 ó 720 posiciones programables de rotación indexados en una tabla o 360.000 posiciones programables totalmente controlables por tablero.

Figura 3.3. Centro de mecanizado con husillo horizontal y columna desplazable.

Los movimientos de las máquinas son gobernados por control numérico en sus tres ejes principales y a menudo en sus ejes secundarios. Los programas de los centros de mecanizados pueden ser almacenados y también proporcionar la entrada a los centros de mecanizados con CNC por medio de ocho canales Mylar tape, diskettes (3 ½) o directamente desde una computadora externa. Muchos de los centros de mecanizado tienen una minicomputadora interna que les permite almacenar varios programas y eliminar los datos de entrada necesarios cada vez que se realiza una pieza.

3.2.2. Secuencia típica de operación de los centros de mecanizado

Como los centros de mecanizado llevan consigo una gran inversión de dinero, estos deben ser operados continuamente y eficientemente para que sean provechosos. Cada herramienta de corte se preestablece para el diámetro y profundidad en un sostenedor de cambio rápido; por lo tanto, cuando la herramienta es ubicada en el husillo, esta corta según las dimensiones programadas sin ningún ajuste en la máquina.

Las herramientas se ubican en agujeros de un tambor rotatorio sobre la parte superior de la columna de la máquina. Cuando el programa necesita una herramienta, ésta es identificada por un sensor desde los anillos cifrados alrededor de la caña de la herramienta y luego es transferido por un cambiador de herramientas mecánico en unos segundos hacia el husillo. El husillo, que es accionado por un motor de 1.5 a 56 kW (2 a 75 HP), posee típicamente una velocidad entre 50 a 4000 rpm para acomodar muchos tamaños de herramientas.

Figura 3.4. Centro de mecanizado con intercambiadores de plataformas.

Una clase de máquinas más avanzadas son los centros de mecanizados sin tripulación. En estas unidades, de 15 a 20 ó más partes son cargadas en las plataformas en un repositorio cerca de la máquina. Las partes son transferidas dentro y desde las estaciones de trabajo automáticamente alternadamente. El control CNC tiene una memoria que es lo suficientemente grande para almacenar programas para realizar todo el trabajo, y cada programa es llamado para realizar su parte en la estación de trabajo. Los centros de mecanizados pueden ser usados convencionalmente, las plataformas y los programas pueden ser cargados durante el día, así la máquina puede operar durante toda la noche o todo el fin de semana con una pequeña o ninguna supervisión.

Durante el segundo y tercer cambio, cuando el costo del trabajo es más alto y el costo de la electricidad es más bajo, las plataformas automáticamente se mueven hacia los centros de mecanizados, los cuales seleccionan el programa apropiado para la pieza específica a ser maquinada. Operaciones similares deben ser realizadas sobre varias piezas para mantener los requerimientos del herramental dentro de la capacidad de la máquina.

Las unidades de control monitorean las velocidades del husillo y el momento torsor, realizando cambios automáticamente para mantener los niveles de entrada de los valores programados. Los centros de mecanizados también se equipan con dispositivos automáticos que sensan el desgaste de las herramientas. Las herramientas son compradas en contacto con un calibre en la máquina que detecta el desgaste en tierras o dientes. Si el desgaste excede los límites del programa, la herramienta es rechazada y se elige otra, o comienza a parpadear una luz de emergencia. Un calibre puesto en la máquina detecta herramientas rotas.

3.2.3. Intercambiadores de herramientas y ejes complementarios

Las diferentes operaciones sucesivas que se necesitan realizar sin soltar la pieza de su sistema de amarre, lo que supones incorporar un dispositivo que permita cambiar de forma automática las herramientas durante el proceso. Es poco habitual llevar a cabo un trabajo de mecanizado sin cambiar de herramienta.

Figura 3.5. Torreta de herramientas y carrusel de herramientas

Los tornos y centros de mecanizado de gran producción utilizan cambiadores automáticos de herramientas que pueden albergar un número variable de útiles dependiendo de su diseño. Los cambiadores de herramientas reciben los nombres de torreta de herramientas (tornos) y carrusel de herramientas (fresadoras y centros de mecanizado).

Figura 3.6. Esquema de un brazo intercambiador de herramientas.

El cambio de herramienta está controlado por programación CN caracterizándose por un giro de la torreta hasta que coloca en la posición de trabajo aquella herramienta que es solicitada.

Figura 3.7. Torreta de sentido de giro fijo

En el caso de los carruseles (almacenes) de herramientas, para cambiar la herramienta se emplea un manipulador o garra adicional. La UC de la máquina interrumpe el mecanizado para que el manipulador extraiga del carrusel, que ha girado hasta colocar al útil deseado en la posición de cambio, la nueva herramienta. Simultáneamente la garra opuesta del manipulador extrae la herramienta en uso del cabezal. Un volteo del manipulador coloca la nueva herramienta en el cabezal y a la usada en el hueco dejado por la primera en el almacén. La operación sólo dura unos segundos.

Los cambiadores de herramientas incorporan frecuentemente el posicionamiento lógico, que se basa en realizar gira de la torreta o el carro en el sentido que permite ubicar el útil deseado de forma más rápida desde la posición actual.

Figura 3.8. Torreta con sentido lógico

Los tiempos muertos son afectados por el tiempo que se tarda en el cambio de la herramienta. Esto depende del número de movimientos requeridos (grado de libertad) y del tamaño de las partes o los ángulos que tienen que ser realizados durante el cambio de herramienta. Las unidades de cambio simple maneja una herramienta a la vez y son, por lo tanto, solo económicas para emplear en combinación con una torreta de herramientas o como sujetadores auxiliares. Los cambiadores de herramientas dobles remueven una herramienta del husillo principal y del carro y revierte las dos posiciones simultáneamente. Esto disminuye considerablemente los tiempos muertos.

Los tiempos muertos de carga y descarga, instalación y afianzamiento de las piezas con abrazaderas pueden realizarse paralelamente al tiempo de producción donde los dispositivos cambiadores de herramientas están en uso. Donde los sistemas de plataformas intercambiables son usadas las piezas se afianzadas con abrazaderas en la plataforma se traen al espacio de trabajado vía el movimiento lineal o rotatorio de la plataforma alternadamente.

Algunas de las máquinas disponen de mesas giratorias y/o cabezales orientables. En ellas las piezas pueden ser mecanizadas por diferentes planos y ángulos de aproximación. Los ejes sobre los que giran estas mesas y cabezales se controlan de forma independiente y se conocen con el nombre de ejes complementarios de rotación. Su velocidad también es regulada de forma autónoma.

Figura 3.9. Distintos tipos de torretas.

Los centros de mecanizado presentan usualmente en adición a los tres ejes principales, un cuarto eje para la orientación del cabezal, un quinto para el giro de la mesa y hasta un sexto de aproximación de la herramienta (U, V, W). En muchos casos este sexto eje opera cuando el resto de los ejes permanecen fijos y se usa para trabajos menores de taladrado en cualquier dirección.

Figura 3.10. Centro de mecanizado de 6 ejes.

3.2.4. Selección y aplicaciones

Los centros de mecanizado requieren un gasto de capital significante. Por lo tanto, para que sea económicamente rentable la inversión en ellos, debe existir la suficiente y continua demanda de productos a realizarse en estos centros de mecanizado. Sin embargo, por su inherente versatilidad, los centros de mecanizado pueden ser usados para producir una amplia gama de productos.

La selección de un particular tipo y tamaño de centro de mecanizado depende de varios factores, algunos de los cuales son:

• Tipo de productos, su tamaño, y su complejidad geométrica

• Tipo de operación de mecanizado a realizar y tipo y numero de herramientas requeridas

• Tolerancias dimensionales requeridas

• Velocidad de producción requeridas

• Piezas muy costosas (debido a que los centros de mecanizado raramente produce rechazos)

Aunque la versatilidad es el factor clave en la selección de los centros de mecanizado, estas consideraciones deben ser tenidas en cuenta para poder decidir realizar la fabricación de las piezas con este tipo de centros de mecanizado o la utilización de las tradicionales máquinas-herramientas.

Los centros de mecanizado han sido principalmente usados para automatizar la manufacturación de pequeños lotes de una amplia variedad formas y tamaños de piezas que requieren múltiples operaciones. Actualmente, los centros de mecanizado están siendo cada vez más usados para lotes medios.

Un programa de cuidado es necesario para mantener los centros de mecanizado operativos. La mayoría de las empresas tratan de operar sus centros de mecanizado como otra máquina de control numérico, por lo menos dos cambios por día para obtener un más rápido recupero de la inversión. Otra aplicación de los centros de mecanizado es la integración de estos centros con otras máquinas a control numérico para formar sistemas de mecanizado flexibles.

3.2.5. Ventajas los centros de mecanizado

Sus principales ventajas son el aumento de la productividad y la versatilidad. La capacidad de realizar torneados, taladrado, cepillado, etc. en una sola máquina elimina la necesidad de un número de máquinas herramientas individuales, reduciendo la inversión de capital en equipos y los requerimientos de labor. Un operador relativamente inexperto puede manejar dos centros de mecanizado y a veces más. La mayoría de las piezas pueden ser completadas en un solo centro de mecanizado. También produce una disminución de los costos de los accesorios y de los requisitos de espacio. La sustancial cantidad de tiempo que convencionalmente se gasta en transportar la pieza de una máquina a otra es evitada, y el rendimiento del proceso es mucho más rápido. Además, en el inventario de proceso representado por los deslizamientos de los objetos vistos normalmente en varias máquinas, es substituido por el trabajo en solamente una máquina.

La mayoría de los centros de mecanizado mantienen las tolerancias constantemente repetitivas, dando por resultado piezas de más alta calidad, reduciendo costosas inspecciones y el rechazo de piezas. En particular, la relación de características trabajadas a máquina en las varias caras de una pieza se lleva a cabo más fácilmente dentro de tolerancias. El cambio de la producción de una pieza a otra puede ser hecho rápidamente.

Actualmente el tiempo de mecanizado de los centros de mecanizado puede ser la mitad o menos que el de las máquinas-herramientas simples, estimando un incremento en la productividad por hora-hombre de un 300 a 500% ó más, especialmente en las aplicaciones que requieren varias herramientas y cambios frecuentes. El rango de capacidades típico se encuentra por encima de los 75kW (100 hp) y las velocidades máximas de los husillos se encuentran usualmente en el rango de las 4000 - 8000 rpm, pero algunos pueden llegar hasta las 75000 rpm para aplicaciones especiales. Algunas mesas de trabajo son capaces de soportar piezas de hasta 7000 kg, sin embargo mayores se encuentran disponibles mesas de trabajo para aplicaciones especiales que soportan mayores pesos.

Los centros de mecanizado actualmente se encuentran disponibles en un amplio rango de tamaños y características, tienen un costo inicial elevado, más que el de otras máquinas herramientas, pero el retorno anual en la inversión ha sido conservadoramente estimado alrededor del 30%. Los modelos compactos disponibles hacen que estas máquinas se encuentren al alcance de las pequeñas empresas. Los costos aproximados se encuentran en un rango entre los U$S 50.000 a U$S 1.000.000 y más también.

La precisión que pueden mantener y la confiabilidad de las máquinas y sus controles se han mejorado continuamente. Actualmente se están construyendo máquinas con módulos periféricos y accesorios que pueden ser instalados y modificados según la demanda y los cambios del tipo de productos. Por ejemplo un aumento en la productividad de los centros de mecanizados produce una mayor cantidad de viruta la cual debe ser recolectada y almacenada correctamente, para lo cual se encuentran disponibles diseños con recolector de viruta.

3.2.6. Desventajas de los centros de mecanizado

Los centros de mecanizado típicos tienen una desventaja importante para grandes producciones: sólo aplica una herramienta de corte a la vez. Los centros de mecanizado tienen lugar en los sistemas de manufactura flexible, junto con máquinas de herramientas múltiples. Se han hecho esfuerzos para que los centros de mecanizado sean más competitivos para grandes producciones. Unas pocas unidades han sido construidas con múltiples husillos, pero el desarrollo más importante ha sido la adición del almacenaje de múltiples cabezales de herramientas y dispositivos transferibles. Los múltiples cabezales de herramientas, por ejemplo las cabezas de taladro, pueden ser almacenadas en estantes o en un transportador sinfín, tomándolas mediante una llamada por un cambiador de la herramienta, y luego fijada en el husillo de la máquina. Los cabezales de herramientas pueden también ser entremezclados con herramientas simples según se requiera.

3.3. Secuencia de un proceso de mecanizado

Se llama proceso de mecanizado a la sucesión ordenada de operaciones de corte que son necesarias para obtener una pieza con la forma y dimensiones exigidas.

Para el establecimiento del proceso de mecanizado hay que partir de las operaciones básicas existentes en la máquina a utilizar. Una buena combinación de estas operaciones es fundamental para reducir el tiempo empleado en la fabricación y por tanto el costo de la pieza, por lo que, durante el establecimiento del proceso se perseguirá la reducción del tiempo de mecanizado mediante la óptima combinación de diferentes operaciones. Como paso previo al establecimiento del proceso de mecanizado completo de una pieza, es indispensable, por parte del programador, el conocimiento exacto de las operaciones básicas que puede realizar la máquina.

A continuación se resumen, de forma general, las distintas operaciones realizables para la confección de una pieza con marcada complejidad.

Figura 3.11. Esquema de un proceso de mecanizado.

4. Aplicaciones CAD/CAM

4.1. Introducción

El diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esta disciplina se ha convertido en un requisito indispensable para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad, disminuir los costos y acortar los tiempos de diseño y producción. La única alternativa para conseguir este triple objetivo es la de utilizar la potencia de las herramientas informáticas actuales e integrar todos los procesos, para reducir los costos (de tiempo y dinero) en el desarrollo de los productos y en su fabricación.

El uso cooperativo de herramientas de diseño y de fabricación ha dado lugar a la aparición de una nueva tecnología denominada Fabricación Asistida por Computadora (CAM, por Computer Aided Manufacturing) e incluso se habla de la Gestión Integrada por Computadora como el ultimo escalón de automatización hacia el que todas las empresas deben orientar sus esfuerzos. Esta tecnología consiste en la gestión integral de todas las actividades y procesos desarrollados dentro de una empresa mediante un sistema informático. Para llegar a este escalón seria necesario integrar, además de los procesos de diseño y fabricación, los procesos administrativos y de gestión de la empresa lo que rebasa el objetivo más modesto de esta asignatura que se centra en los procesos de diseño y fabricación, básicos para la gestión integrada.

CAD es el acrónimo de Computer Aided Design o Diseño Asistido por Computadora. Se trata de la tecnología implicada en el uso de ordenadores para realizar tareas de creación, modificación, análisis y optimización de un diseño. De esta forma, cualquier aplicación que incluya una interfaz gráfica y realice alguna tarea de ingeniería se considera software de CAD. Las herramientas de CAD abarcan desde herramientas de modelado geométrico hasta aplicaciones a medida para el análisis u optimización de un producto especifico. Entre estos dos extremos se encuentran herramientas de modelado y análisis de tolerancias, cálculo de propiedades físicas (masa, volumen, momentos, etc.), modelado y análisis de elementos finitos, ensamblado, etc. La función principal en estas herramientas es la definición de la geometría del diseño (pieza mecánica, arquitectura, circuito electrónico, etc.) ya que la geometría es esencial para las actividades subsecuentes en el ciclo de producto descrito en la Figura 4.1.

La geometría de un objeto se usa en etapas posteriores en las que se realizan tareas de ingeniería y fabricación. De esta forma se habla también de Ingeniería Asistida por Computadora, o Computer Arded Engineering (CAE) para referirse a las tareas de análisis, evaluación, simulación y optimización desarrolladas a lo largo del ciclo de vida del producto. De hecho, este es el mayor de los beneficios de la tecnología CAD, la reutilización de la información creada en la etapa de síntesis en las etapas de análisis y también en el proceso CAM.

Figura 4.1. Ciclo de producto típico

El término CAD se puede definir como el uso de sistemas informáticos en la creación, modificación, análisis u optimización de un producto. Dichos sistemas informáticos constan de un hardware y un software.

El término CAM se puede definir como el uso de sistemas informáticos para la planificación, gestión y control de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o indirecta entre el sistema informático y los recursos de producción. Así pues, las aplicaciones del CAM se dividen en dos categorías:

• Interfaz directa: Son aplicaciones en las que la computadora se conecta directamente con el proceso de producción para monitorear su actividad y realizar tareas de supervisión y control. Así pues estas aplicaciones se dividen en dos grupos:

• Supervisión: implica un flujo de datos del proceso de producción al computador con el propósito de observar el proceso y los recursos asociados y recoger datos.

• Control: supone un paso más allá que la supervisión, ya que no solo se observa el proceso, sino que se ejerce un control basándose sobre dichas observaciones.

• Interfaz indirecta: Se trata de aplicaciones en las que el ordenador se utiliza como herramienta de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una conexión directa con el proceso de producción.

La Figura 4.2. muestra de forma gráfica la diferencia entre estos dos tipos de aplicaciones.

Figura 4.2. Supervisión y control

La Ingeniería Asistida por Ordenador es la tecnología que se ocupa del uso de sistemas informáticos para analizar la geometría generada por las aplicaciones de CAD, permitiendo al diseñador simular y estudiar el comportamiento del producto para refinar y optimizar dicho diseño. Existen herramientas para un amplio rango de análisis. El método de análisis por ordenador más ampliamente usado en ingeniería es el método de elementos finitos o FEM (de Finite Element Method), como se observa en la Figura 4.3. Se utiliza para determinar tensiones, deformaciones, transmisión de calor, distribución de campos magnéticos, flujo de fluidos y cualquier otro problema de campos continuos que serian prácticamente imposibles de resolver utilizando otros métodos.

Existen también numerosas herramientas para la optimización de diseños. Se están realizando investigaciones para determinar automáticamente la forma de un diseño, integrando el análisis y la optimización. Para ello se asume que el diseño tiene una forma inicial simple a partir de la cual el procedimiento de optimización calcula los valores óptimos de ciertos parámetros para satisfacer un cierto criterio al mismo tiempo que se cumplen unas restricciones, obteniéndose la forma óptima con dicho parámetros. La ventaja del análisis y optimización de diseños es que permite a los ingenieros determinar cómo se va a comportar el diseño y eliminar errores sin la necesidad gastar tiempo y dinero construyendo y evaluando prototipos reales. Ya que el costo de reingeniería crece exponencialmente en las últimas etapas del desarrollo de un producto y en la producción, la optimización temprana que permiten las herramientas CAE supone un gran ahorro de tiempo y una notable disminución de costos.

Figura 4.3. Un modelo de elemento finito usado para análisis de tensión y térmico

Entonces, CAD, CAM y CAE son tecnologías que tratan de automatizar ciertas tareas del ciclo de producto y hacerlas más eficientes. Dado que se han desarrollado de forma separada, aún no se han conseguido todos los beneficios potenciales de integrar las actividades de diseño y fabricación del ciclo de producto. Para solucionar este problema ha aparecido una nueva tecnología: la Fabricación Integrada por Computadora o CIM (de Computer Integrated Manufacturing). Esta tecnología tiene el objetivo de aunar las islas de automatización juntándolas para que cooperen en un sistema único y eficiente. El CIM trata de usar una única base de datos que integre toda la información de la empresa y a partir de la cual se pueda realizar una gestión integral de todas las actividades de la misma, repercutiendo sobre todas las actividades de administración y gestión que se realicen en la empresa, además de las tareas de ingeniería propias del CAD y el CAM.

4.2. CAD/CAM en el proceso de diseño y fabricación.

En la práctica, el CAD/CAM se utiliza de distintas formas, para producción de dibujos y diseño de documentos, animación por computador, análisis de ingeniería, control de procesos, control de calidad, etc. Por lo tanto, para clarificar el ámbito de las técnicas CAD/CAM, las etapas que abarca y las herramientas actuales y futuras, se hace necesario estudiar las distintas actividades y etapas que deben realizarse en el diseño y fabricación de un producto. Para referirnos a ellas emplearemos el término ciclo de producto, que aparece reflejado en la Figura 4.1.

Para convertir un concepto o idea en un producto, se pasa por dos procesos principales, el de diseño y el de fabricación. A su vez, el proceso de diseño se puede dividir en una etapa de síntesis, en la que se crea el producto y una etapa de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez finalizadas estas etapas se aborda la etapa de fabricación en la que, en primer lugar se planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios, pasando después a la fabricación del producto. Como último paso se realiza un control de calidad del producto resultante antes de pasar a la fase de distribución y marketing.

Debido a la demanda del mercado de productos cada vez más baratos, de mayor calidad y cuyo ciclo de vida se reduce cada vez mas, se hace necesaria la intervención de las computadoras para poder satisfacer estas exigencias. Mediante el uso de técnicas de CAD/CAM se consigue abaratar costos, aumentar la calidad y reducir el tiempo de diseño y producción. Estos tres factores son vitales para la industria actual.

Dentro del ciclo de producto descrito se ha incluido un conjunto de tareas agrupadas en proceso CAD y otras en proceso CAM, que, a su vez, son subconjuntos del proceso de diseño y fabricación respectivamente. Las Figuras 4.4. y 4.5. muestran ambos procesos con más detalle. Las herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las Tablas 4.1. y 4.2.

Figura 4.4. El proceso CAD Figura 4.5. El proceso CAM

Tabla 4.1. Herramientas CAD para el proceso de diseño

Tabla 4.2. Herramientas CAM para el proceso de fabricación

4.3. Beneficios de usar CAD/CAM para mecanizado

• Diseño de la herramienta: La habilidad para obtener la vista de una parte de la herramienta desde cualquier ángulo deseado (provisto por CAD/CAM) es una gran ayuda. Por ejemplo, en el diseño de arreglos para mecanizado de ángulos compuestos, la información requerida puede tomar días para ser calculada por métodos tradicionales, mientras que se obtiene fácilmente por mediciones automáticas desde el sistema CAD/CAM.

• Análisis: El análisis de rutina disponible en un sistema CAD/CAM ayuda a consolidar el análisis del proceso en un modelo de trabajo más lógico.

• Gráficos entendibles: En general, entender un dibujo depende directamente de la proyección utilizada, por ejemplo, las vistas ortográficas son menos comprensibles que las isométricas. La adición de sombras incrementa la comprensión, como se aprecia en la Figura 4.6., y aún más si se usan diferentes colores.

Figura 4.6. Modelo de sombras generado por una computadora

• Programación NC: Los lenguajes de programación tienen tres desventajas. La primera es que el usuario debe aprender el lenguaje con su propia sintaxis y gramática. A menos que ya tenga experiencia en programación, está expuesto a algunos conceptos que son extraños para él. La segunda desventaja es que el programador debe entender los dibujos ingenieriles, con la consecuente posibilidad de un error. La tercera es que el programador debe mentalmente visualizar la ruta de la herramienta tal como lo está programando. El sistema CAD/CAM usa un lenguaje fácil de entender para el personal. Esto facilita los problemas enumerados anteriormente, eliminando la necesidad de aprender un nuevo lenguaje entero. Esto trae como consecuencia un significativo impacto en el tiempo necesario para producir una cinta de NC.

• Precisión: Cuando se usa CAD/CAM, hay un alto nivel de control dimensional, más allá de los niveles de precisión realizados manualmente. La precisión basada en computadora es beneficiosa en varios sentidos.

4.4. Componentes del CAD/CAM

Los componentes de los sistemas de diseño y fabricación asistidos por computadora son muy amplios, abarcando múltiples y diversas disciplinas, entre las que cabe destacar las siguientes:

• Modelado geométrico: Se ocupa del estudio de métodos de representación de entidades geométricas. Existen tres tipos de modelos: alámbricos, de superficies y sólidos, y su uso depende del objeto a modelar y la finalidad para la que se construya el modelo. Se utilizan modelos alámbricos para modelar perfiles, trayectorias, redes, u objetos que no requieran la disponibilidad de propiedades físicas (áreas, volúmenes, masa). Los modelos de superficie se utilizan para modelar objetos como carrocerías, fuselajes, zapatos, personajes, donde la parte fundamental del objeto que se está modelando es el exterior del mismo. Los modelos sólidos son los que más información contienen y se usan para modelar piezas mecánicas, envases, moldes, y en general, objetos en los que es necesario disponer de información relativa a propiedades físicas anteriormente citadas.

• Técnicas de visualización: Son esenciales para la generación de imágenes del modelo. Los algoritmos usados dependerán del tipo de modelo, abarcando desde simples técnicas de dibujo 2D para el esquema de un circuito eléctrico, hasta la visualización realista usando trazado de rayos o para el estudio de la iluminación de un edificio. Es habitual utilizar técnicas específicas para la generación de documentación dependiente de la aplicación, como por ejemplo, curvas de nivel, secciones o representación de funciones sobre sólidos o superficies.

• Técnicas de interacción grafica: Son el soporte de la entrada de información geométrica del sistema de diseño. Entre ellas, las técnicas de posicionamiento y selección tienen una especial relevancia. Las técnicas de posicionamiento se utilizan para la introducción de coordenadas 2D o 3D. Las técnicas de selección permiten la identificación interactiva de un componente del modelo, siendo por tanto esenciales para la edición del mismo.

• Interfaz de usuario: Uno de los aspectos más importantes de una aplicación CAD/CAM es su interfaz. Del diseño de la misma depende en gran medida la eficiencia de la herramienta.

• Base de datos: Es el soporte para almacenar toda la información del modelo, desde los datos de diseño, los resultados de los análisis que se realicen y la información de fabricación. El diseño de las bases de datos para sistemas CAD/CAM plantea una serie de problemas específicos por la naturaleza de la información que deben soportar.

• Métodos numéricos: Son la base de los métodos de cálculo empleados para realizar las aplicaciones de análisis y simulación típicas de los sistemas de CAD/CAM.

• Conceptos de fabricación: Referentes a máquinas, herramientas y materiales, necesarios para entender y manejar ciertas aplicaciones de fabricación y en especial la programación de control numérico.

• Conceptos de comunicaciones: Necesarios para interconectar todos los sistemas, dispositivos y máquinas de un sistema CAD/CAM.

En cuanto a hardware, se incluyen terminales gráficas, digitadores, terminales alfanuméricas, unidad de copiado, plotters, dispositivo de almacenamiento secundario, unidad de control. La Figura 4.7. ilustra una configuración general para un sistema CAD/CAM.

Figura 4.7. Configuración general del hardware de un sistema CAD/CAM

• Terminales gráficas (graphics terminal): Es la parte más visible de un sistema CAD/CAM desde el punto de vista del usuario. Están provistas de televisores, osciloscopios o radares.

• Control de cursor (cursor control): El cursor es generalmente un lugar brillante en la pantalla que indica donde será colocado el dibujo, en el cual hay método en que la computadora lee la posición del cursor. Hay dos maneras diferentes de controlar el cursor. La primera es sin una relación física con la pantalla (por ejemplo, manejado desde un teclado), y la segunda es mediante un lápiz óptico.

• Terminales alfanuméricas (terminal alphanumeric): Casi todos los sistemas CAD/CAM tienen una terminal alfanumérica en la terminal gráfica. Se usa para ingresar información adicional, comandos, ingresos alfanuméricos y comandos del sistema. La terminal recibe los mensajes desde el sistema, diseña la salida y los mensajes de error. La ventaja de una terminal separada es que esos mensajes se ven sin borrar ni sobrescribir la imagen en la pantalla gráfica.

• Unidad de copiado (hard copy unit): Normalmente se provee de una unidad de copiado que hace copias de la pantalla en unos pocos segundos. Esas copias son usadas como grabaciones permanentes de pasos intermedios.

• Plotters: Hay muchos tipos de plotters disponibles para usar en sistemas CAD/CAM, como los de alta velocidad y los de microfilm.

• Unidad central de proceso (central processing unit): Funciona como el corazón de un sistema CAD/CAM. Hace los cálculos matemáticos necesarios y dirige toda la actividad dentro del sistema. Es el controlador maestro que maneja todas las actividades.

• Dispositivos de almacenamiento secundario (secondary storage): Los datos son normalmente guardados en discos magnéticos. Dichos discos proveen un rápido acceso a la información. Los sistemas CAD/CAM generalmente pueden manejar varias disketteras, totalizando varios Gb de almacenamiento. Se usan como copia de respaldo o como almacenamiento de datos permanente.

• Unidad de control de máquina (unit control machine): Este dispositivo está colocado en donde ocurren las operaciones de maquinado. Lee e interpreta las instrucciones del programa y las convierte en acciones mecánicas de la máquina herramienta. La lectora es un dispositivo electromecánico que lee la cinta u otro medio magnético que contenga las instrucciones del programa. Los canales de señales de salida se conectan a los servomotores y a otros controladores de la máquina herramienta.

• Panel de control (control panel): El panel de control contiene todo lo que necesita el operador para correr el sistema de NC. Puede además contener pantallas para proveer información al operador.

• Hardware adicional: Pueden ser por ejemplo computadoras personales, que como son ahora más poderosas y más baratas, se usan para diseñar, analizar, programar en NC, y muchas cosas más.

Otra forma alternativa de estudiar los componentes del CAD/CAM se basa sobre cómo se implementan. Según este criterio el CAD estaría formado por el hardware más el software de diseño y el CAM estaría formado por el hardware más el software de fabricación y además los mecanismos de comunicación necesarios para establecer la comunicación con las máquinas y robots.

Aspecto económico

Al lado de las consideraciones tecnológicas, la economía de los procesos de mecanizado es muy importante. Se quiere determinar los parámetros que darán el mínimo costo por pieza o la máxima velocidad de producción.

El costo unitario está compuesto por cuatro ítems:

Donde Cp es el costo por pieza, Cm es el costo de mecanizado, Cs es el costo de preparación para el mecanizado (montar la herramienta y preparar la máquina para determinada operación), Cl es el costo de cargar, descargar, etc., y Ct es el costo de las herramientas.

El costo de mecanizado está compuesto a su vez por:

Donde Tm es el tiempo de mecanizado por pieza, Lm es el costo de trabajo de producción por hora, y Bm es la velocidad.

El costo de cargar y descargar está compuesto por:

Donde Tl es el tiempo que se pierde en cargar y descargar las partes, cambiar velocidades, etc.

El costo de las herramientas está compuesto por:

Donde Np es el número de piezas mecanizadas por herramienta, Tc es el tiempo necesario para cambiar de herramienta, Tg es el tiempo necesario para la herramienta, Lg es el costo de mano de obra por hora, B es la velocidad, y Dc es la depreciación de la herramienta.

El tiempo necesario para producir una pieza es:

Donde Tm debe ser calculado para cada operación en particular

Para obtener la velocidad óptima de corte y la vida óptima de la herramienta para minimizar los costos, se debe derivar C con respecto a V e igualar a cero:

Encontrando que la velocidad óptima de corte V0 es:

La vida óptima de la herramienta T0 es:

Figura 5.1. (a) Costo por pieza y (b) tiempo por pieza mecanizada. Se puede observar la velocidad óptima de corte para ambos casos. El rango entre estas dos es conocido como el rango de mayor rendimiento de mecanizado.

Ahora bien, para encontrar la velocidad óptima de corte y la vida óptima de la herramienta para una maximización de la producción, se debe derivar Tp con respecto a V e igualar a cero:

Para asegurar que es un mínimo, además de anular la derivada primera debe ser positiva la derivada segunda en ese punto.

Encontrando que la velocidad óptima de corte V0 es:

La vida óptima de la herramienta T0 es:

El costo de una superficie mecanizada siempre depende de la terminación requerida, los costos de mecanizado se incrementan rápidamente con la necesidad de una terminación superficial más fina.

Con los datos expuestos se puede observar claramente que una pequeña variación en la velocidad de corte puede tener un significante efecto el costo o tiempo por pieza.

Se ve en los gráficos de la Figura 5.1. que no existe una relación lineal entre la velocidad óptima de corte y la vida óptima de la herramienta, dando un rango de trabajo en donde se obtiene un alto rendimiento del proceso de mecanizado al menor costo posible.

Glosario

Input commands: comandos de entrada

Output commands: comandos de salida

Spindle: Husillo

Machine tool: máquina-herramienta

Work table: mesa de trabajo

Pulse train: tren de pulso

DAC: Convertidor Digital Analógico

Linear motion: movimiento lineal

Machined surface: superficie maquinada

Quadrant: cuadrante

Feed rate: velocidad de alimentación

Constrains: restricciones

Performance index: Índice de rendimiento

Limit switch: límite de carrera

Drive signal: señal de comando

Feedback: retroalimentación

Steping: paso a paso

Gear: engranaje

Lead screw: tornillo patrón

Workpiece: pieza

Cutter: herramienta de corte

Path: trayectoria

Machina bed: bastidor

Rotary encoder or resolver: codificador rotativo

Rack and pinion: cremallera y piñón

Cutting speed: velocidad de corte

Cost per piece: costo por pieza

Machining time: tiempo de mecanizado

Total time: tiempo total

Non productive time: tiempo no productivo

Tool changing time: tiempo de intercambio de herramienta

Tool change cost: costo de intercambio de herramienta

Tool cost: costo de la herramienta

High efficiency machining range: rango de mayor eficiencia del mecanizado

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