CONTROL NUMÉRICO CN

INTRODUCCIÓN

Actualmente existe un ambiente de grandes expectativas e incertidumbre. Mucho de esto se da por los rápidos cambios de la tecnología actual, pues estos no permiten asimilarla en forma adecuada de modo que es muy difícil sacar su mejor provecho. También surgen cambios rápidos en el orden económico y político los cuales en sociedades como la nuestra (países en desarrollo) inhiben el surgimiento de soluciones autóctonas o propias para nuestros problemas más fundamentales.

Entre todos estos cambios uno de los de mayor influencia lo será sin duda el desarrollo de las nuevas políticas mundiales de mercados abiertos y globalización. Todo esto habla de una libre competencia y surge la necesidad de adecuar nuestras industrias a fin de que puedan satisfacer el reto de los próximos años. Una opción o alternativa frente a esto es la reconversión de las industrias introduciendo el elemento de la automatización. Sin embargo se debe hacerse en la forma más adecuada de modo que se pueda absorber gradualmente la nueva tecnología en un tiempo adecuado; todo esto sin olvidar los factores de rendimiento de la inversión y capacidad de producción.

Uno de los elementos importantes dentro de este resurgir de la automatización son la Máquinas de Herramientas de Control Numérico Computarizado, las cuales brindan algunas ventajas adicionales.

Desde los orígenes del control numérico todos los esfuerzos se han encaminado a incrementar la productividad, precisión, rapidez y flexibilidad de las máquinas-herramienta. Su uso ha permitido la mecanización de piezas muy complejas, especialmente en la industria aeronáutica, que difícilmente se hubieran podido fabricar de forma manual.

La utilización de sistemas de control abiertos aportará considerables beneficios, no sólo a los fabricantes de control y fabricantes de máquina-herramienta, sino también al usuario final. Permitirá la integración de módulos propios, dando así a una empresa la posibilidad de implementar, por ejemplo, su sistema de programación específico tanto a pie de máquina como en el departamento de programación. Al basarse en estándares, la integración en un entorno CIM será fácil y económica.

También se obtendrán una reducción del tiempo de desarrollo y un incremento de la flexibilidad en la adaptación de los controles a las demandas especiales de las máquinas-herramienta y células de producción. Finalmente, se reducirán los costes de desarrollo, adaptación, puesta en marcha, formación, documentación y mantenimiento.

Las maquinas herramienta de control numérico configuran una tecnología de fabricación que de la mano de la microelectrónica, la automática y la informática industrial ha experimentado en los últimos años un desarrollo acelerado y una plena incorporación a los procesos productivos, desplazando progresivamente a las maquinas convencionales, su capacidad de trabajo automático y de integración de los distintos equipos entre si 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.

FUNDAMENTOS VENTAJAS Y CLASIFICACIÓN

Evolución y tendencias de los controles numéricos

En primer lugar se realizará un breve resumen de la historia del control numérico desde sus orígenes. A continuación se analizarán las tendencias actuales, contemplando tanto aspectos hardware como software. En tercer lugar se presentarán las diferentes iniciativas (europeas, americanas y japonesas) en el campo de los controles numéricos abiertos. Finalmente se presentarán diferentes tipos de controles abiertos y, en particular, la futura familia de controles numéricos abiertos en la que Fagor Automation está trabajando actualmente.

A continuación se mostrara una tabla donde nos muestra el desarrollo del control numérico.

• (1725) Máquinas de tejer construidas en Inglaterra, controladas por tarjetas perforadas.

• (1863) M. Forneaux- primer piano que tocó 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) Introducción de los controles hidráulicos, neumáticos y electrónicos.

• Aumento del énfasis en el maquinado automático.

• (1945) 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 producción de los Estados Unidos:

• (1956) Hay concentración en la investigación y el 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 utilizan documentos computarizados de planeación gráficos por control numérico.

• Se han desarrollado procedimientos computarizados de trazo de curvas de nivel por control numérico, a bajo costo.

• Se han establecido centros de maquinado para utilización general.

Dificultades actuales en el trabajo

Entre los problemas industriales de estos países desarrollados podemos mencionar:

• Existe cada vez una mayor exigencia en la precisión.

• Los diseños son cada vez más complejos.

• La diversidad de productos hace necesario la tendencia a estructuras de producción más flexibles.

• Se tiende a incrementar los tiempos de inspección.

• Los costos de fabricación de moldes es mayor y se hace necesario minimizar errores.

• El tiempo de entrega de los productos tiende a ser cada vez más reducido.

La formación de instructores es cada vez más difícil, pues se hace necesario personal cada vez más experimentado.

El Ambiente de Trabajo.

El entorno del ambiente industrial se encuentra frecuentemente con situaciones tales como:

• Escasez de mano de obra calificada.

• Producción masiva de múltiples modelos de un mismo producto.

• Ambiente de producción y taller poco atractivo.

Estos aspectos son más fácil de encontrar en sociedades industriales, que en países subdesarrollados.

Una solución para los problemas que aquejan hoy en día a la industria es utilizar una de las 5 formas automatizar los procesos.

Los tipos de automatización son:

• Control Automático de Procesos

• El Procesamiento Electrónico de Datos

• La Automatización Fija

• El Control Numérico Computarizado

• La Automatización Flexible.

El Control Automático de Procesos, se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios (generalmente químicos y físicos); un ejemplo de esto lo podría ser el proceso de refinación de petróleo.

El Proceso Electrónico de Datos frecuentemente es relacionado con los sistemas de información, centros de computo, etc. Sin embargo en la actualidad también se considera dentro de esto la obtención, análisis y registros de datos a través de interfases y computadores.

La Automatización Fija, es aquella asociada al empleo de sistemas lógicos tales como: los sistemas de relevadores y compuertas lógicas; sin embargo estos sistemas se han ido flexibilizando al introducir algunos elementos de programación como en el caso de los (PLC'S) O Controladores Lógicos Programables.

Un mayor nivel de flexibilidad lo poseen las máquinas de control numérico computarizado. Este tipo de control se ha aplicado con éxito a Máquinas de Herramientas de Control Numérico (MHCN). Entre las MHCN podemos mencionar:

• Frezadoras CNC.

• Tornos CNC.

• Máquinas de Electroerosionado

• Máquinas de Corte por Hilo, etc.

El mayor grado de flexibilidad en cuanto a automatización se refiere es el de los Robots industriales que en forma más genérica se les denomina como "Celdas de Manufactura Flexible".

Maquinas Herramientas de Control Numérico MHCN

Las Maquinas Herramientas de Control Numérico (MHCN), constituyen una modalidad de automatización flexible mas utilizada; son maquinas herramientas programadas para fabricar lotes de pequeño y medio tamaño de piezas de formas complicadas; los programas de software sustituyen a los especialistas que controlaban convencionalmente los cambios de las maquinas y constituciones que incluye las tareas y sus velocidades así como algunas variables de control adaptativo para comprobar aspectos tales como temperatura, vibración, control adaptativo, condición del material, desgaste de las herramientas, etc., que permiten proceder a los reajustes necesarios.

Estas maquinas pueden encontrarse en forma asilada, en cuyo caso se habla de un modulo, o bien interconectadas entre si por medio de algún tipo de mecanismo automático para la carga y descarga del trabajo en curso, en cuyo caso se hablaría de una célula de fabricación. En ocasiones las maquinas están dispuestas en forma semicircular para que un robot pueda encargarse de manejar los materiales, mientras que en otros la configuración es lineal. Cuando una maquina de control numérico actúa de forma independiente, necesita contar con la presencia de un operario, quien se ocupa de la carga y descarga de las piezas a procesar, los programas y las herramientas.

Algunas maquinas CN incluyen “cartucheras” rotatorias con diferentes herramientas. El programa de ordenador puede seleccionar la herramienta a utilizar, de este modo, una maquina puede encargarse de realizar distintas operaciones que antes había n de hacerse en varias. No solo es reduce aso el tiempo de lanzamiento, sino que también se simplifica el flujo de items en curso por el taller. En otros casos, frente a las maquinas se ubica un carrusel de herramientas, materiales, etc. y aquellas, sin necesidad de intervención humana, seleccionan con un “brazo” el instrumento o material que necesitan para desarrollar una determinada tarea.

Se cree que, en un futuro, las maquinas de Control Numérico harán el trabajo de precisión, mientras que los robots se limitaran ala carga, descarga y ensamblaje. En los casos de producción de gran volumen, la automatización rígida, mas sencilla y barata, seria suficiente porque, aunque puede haber excepciones, las maquinas CN y los robots son lentos.

Para determinar la conveniencia de estas maquinas en términos de coste habrá que considerar la mano de obra, la disponibilidad de operarios especializados, tipo y grado de precisión requerida, fiabilidad de las maquinas, etc. Algunas empresas que producen una gama de productos estrecha se han dirigido, no obstante, a las maquinas CN porque, aunque el coste de la programación sea alto, una vez hecha esta, puede ser utilizada posteriormente sin necesidad de volver a programar.

VENTAJAS

• Incremento de la flexibilidad en la maquinaria (se adapta mejor a los cambios en las tareas y en los programas de producción)

• Incremento en la flexibilidad para el cambio, en la medida en que las instrucciones grabadas se pueden modificar cuando sea necesario, con lo que facilitan la adaptación a los cambios introducidos por la ingeniería de diseño.

• Reducción de necesidades de mano de obra y de inventarios, así como de los tiempos de lanzamiento, de suministro externo y de proceso.

DESVENTAJAS

• La frecuencia de errores en la programación.

• El deterioro de las cintas magnéticas o perforadas en que están grabadas las instrucciones.

• La sensibilidad del lector de las instrucciones a las averías.

También es importante mencionar que la configuración física de las maquinas no facilita la realización de cambios, así como que, en muchos casos, los operarios especializados tienen que permanecer al lado de aquellas para controlar como funcionan e introducir los posibles ajustes si fuesen necesarios. Aunque, como muchas otras tecnologías, las CN han resuelto menos problemas de los que se esperaba, puede afirmarse, una mayor flexibilidad que las convencionales a las que han sustituido, si bien ésta es mucho menor que la permitida por las maquinas CNC.

Componentes de las MHCN

Ejes principales

En la descripción de las MHCN se utiliza siempre el concepto de "eje", es decir, direcciones de los desplazamientos principales de las partes móviles de la máquina como la mesa portapiezas, cabezal, torreta.

Fig 02. Desplazamientos-eje de una fresadora

Las MHCN están provistas de un número de ejes principales característico que hace factibles los trabajos de mecanizado sobre la pieza. Estos ejes se designan convencionalmente como X, Y y Z.

Generalmente las maquinas convencionales tienen de dos a tres ejes de desplazamiento, como los tornos y las fresadoras respectivamente, pero, en trabajos de mecanizado de formas complejas se requieren MHCN dotadas de más ejes de desplazamiento.

La designación y descripción de los ejes de cada tipo de MHCN se encuentra normalizada.

La disposición de los carros móviles en las MHCN puede ser muy sofisticada, dando origen a una gran variedad de diseños / modelos tanto en fresadoras como tornos.

Los fabricantes de MHCN determinan dichas disposiciones en función de los requerimientos en cuanto a capacidad de carga y precisión de posicionado. Esta disposición viene condicionada por:

• La forma de la trayectoria a recorrer.

• Las propiedades de las superficies de contacto.

• Las exigencias de apriete o sellado.

Sistemas de transmisión

Los recorridos de la herramienta en el seno de la pieza se originan por la acción combinada de los desplazamientos en cada uno de sus ejes principales.

Fig.05: Generación de una trayectoria de herramienta

Los sistemas de transmisión producen  traslaciones rectilíneas en los ejes principales a partir del giro básico generado por el grupo del motor-reductor.

El corazón del movimiento de las MHCN es la transmisión por recirculación de bolas. Consiste en un sinfín acanalado y un acoplamiento al que se fija el conjunto mecánico a desplazar. Cuando el grupo del motor gira, su rotación se transmite al sinfín y el cuerpo del acoplamiento se traslada longitudinalmente a través de este arrastrando consigo a la mesa de trabajo en el sentido oportuno.

Fig.06: Sistema de transmisión de la mesa de trabajo

El accionamiento contiene un conjunto de bolas en recirculación que garantizan la transmisión de esfuerzos del sinfín a la mesa con unas pérdidas por fricción mínimas. Las dos partes de su cuerpo están ajustadas con una precarga para reducir al mínimo el juego transversal entre ellas con lo que se mejora la exactitud y repetitibilidad de los desplazamientos.

Para disminuir los daños del mecanismo de transmisión frente a colisiones transversales o sobrecargas, el grupo motriz  incorpora un embrague en su conexión con el sinfín. Este dispositivo desacopla la transmisión cuando el conjunto de la mesa choca contra algún obstáculo.

Fig.07: Acoplamiento por accionamiento de bolas recirculantes

Para generar los movimientos de cada eje se usan habitualmente motores eléctricos de corriente continua controlados mediante señales electrónicas de salida y entrada. Estos actuadores pueden girar y acelerarse en ambos sentidos.

Los desplazamientos longitudinales de los ejes no deben ser afectados, en la medida de lo posible, por los esfuerzos y acciones exteriores (por ejemplo las fuerzas de corte). Por esta razón es esencial que los sistemas de transmisión y guía garanticen la rigidez mecánica.

Adicionalmente la transmisión debe producir movimientos suaves y estables y ser capaz de reaccionar rápidamente en las aceleraciones y deceleraciones.

La sobrecarga de los motores puede presentarse por:

• herramienta inadecuada

• restricciones anómalas en el movimiento

• fuerzas de inercia excesivas durante el frenado o aceleración.

En las MHCN más simples con prestaciones basadas en la precisión del mecanizado se utilizan los motores paso a paso como actuadores primarios. Con motores de este tipo, el giro se subdivide en incrementos fijos que son controlados mediante un número de pulsos dado. Sin embargo cuando se desean trabajos pesados de mecanizado con pares resistentes elevados durante el frenado o aceleración, su fiabilidad y prestaciones disminuye. El uso de motores de este tipo está restringido a pares resistentes bajos.

Medida de los desplazamientos

Las posiciones de los elementos móviles de las MHCN se pueden medir mediante dos sistemas:

El sistema directo utiliza una escala de medida ubicada en la guía de la mesa de la máquina. Las imprecisiones en el giro del sinfín o en su acoplamiento no afectan a este método de medida. Un resolver óptico determina la posición por conteo directo en la rejilla o regleta graduada y transforma esta información a señales eléctricas para su proceso por la UC.

Fig.08: Sistema directo para la medición de una posición

En el sistema indirecto la posición de la mesa se calcula por la rotación en el sinfín. Un revolver registra el movimiento de un disco graduado solidario con el sinfín. La UC calcula la posición del mediante el número de pasos o pulsos generados durante el desplazamiento.

Fig.09: Sistema indirecto para la medición de una posición

Para conocer las posición exacta de cualquier elemento móvil de una MHCN a lo largo de un eje de desplazamiento se emplean un conjunto de dispositivos electrónicos y unos métodos de cálculo. Estos elementos constan ,básicamente, de una escala graduada (similar a un escalímetro) y el resolver capaz de "leer" dicha escala. Atendiendo a al método de lectura y forma de la escala se distingue entre:

• medición de posiciones absolutas.

para la medición de los desplazamientos supone que las posiciones estimadas son independientes del estado puntual de la máquina o de su control al estar referidas a un punto invariante conocido como "origen absoluto" o "cero máquina".

• medida de posiciones por incrementos

( incremento = desplazamiento pequeño de longitud fija) se emplea para designar los movimientos relativos a algún punto significativo distinto del origen absoluto y que, además, puede variar. Durante el movimiento la UC lleva a cabo un conteo del número de incrementos (divisiones) en las que la nueva posición difiere de la anterior.

La medición de posiciones absolutas emplea un sistema de escalas codificadas y ordenadas por múltiplos similares a un escalímetro. Para conocer la posición actual del desplazamiento se hace siempre referencia al cero máquina (origen absoluto) que es un punto físico, conocido  e invariante de la MHCN.

Es imprescindible que la lectura pueda llevarse a cabo en todo el rango de desplazamiento del eje en cuestión. A cada posición definida dentro de ese rango la UC le asigna un valor numérico.

La escala se codifica generalmente en sistema binario.

La medición de posiciones por incrementos emplea una escala con un sistema de división simple. La rejilla esta dividida en sectores blanco / negro sobre los que pasa el resolver durante el movimiento. Este cuenta el número de sectores blanco / negro obteniendo el valor del desplazamiento por diferencia respecto a su posición previa. Para garantizar que la medida se realiza correctamente, inmediatamente después de inicializarse la UC se debe de medir la posición inicial respecto al cero máquina. A esta posición de inicio se le conoce como "punto de referencia". Tan pronto como la máquina a asignado el punto de referencia el resolver comienza a suministrar posiciones relativas al último punto mediante lectura / conteo de la escala.

El husillo principal

El husillo principal ejecuta:

• El movimiento rotativo de la pieza en los tornos.

• La rotación de herramienta en las fresadoras y taladradoras.

El husillo puede accionarse por:

• motores de corriente alterna de tres fases.

• motores corriente continua.

En el primer caso la regulación de la velocidad de giro se lleva a cabo mediante un reductor de engranajes. Dependiendo del diseño y complejidad de este reductor se consigue un rango más o menos variado de velocidades de giro.

En la mayor parte de las MHCN el elemento que acciona el cabezal es un motor de corriente continua . Esto proporciona una variedad casi infinita de velocidades de giro, las cuales se procesan mediante un tacómetro. Todo ello permite al programador establecer la velocidad de giro de forma casi arbitraria, dentro del rango y capacidad del motor.

Sistemas de sujeción

Existen diferentes mecanismos para amarrar la pieza en los tornos CN:

• Platos universales de dos, tres o cuatro garras autocentrables.

• Platos frontales para la colocación de sargentos para agarre de formas irregulares.

• Mandriles autocentrables.

• Pinzas para la sujeción de piezas cilíndricas pequeñas.

• Puntos y contrapuntos con arrastre para piezas esbeltas.

• Lunetas escamoteables para apoyo intermedio.

• Conos.

En fresado se emplean las siguientes formas de sujeción:

• Sargentos y apoyos con formas escalonadas, ajustables en altura o bloques con varias facetas de contacto, con pernos y resortes de apriete de montaje-desmontaje rápido.

• Placas angulares de apoyo.

• Palancas de apriete. Mordazas mecánicas autocentrables

• Platos o mesas magnéticas.

• Mesas y dispositivos modulares de uso universal.

• Apoyos de diseño específico o especial.

Los dispositivos de sujeción permiten asegurar la pieza a la mesa de trabajo (fresado) o al cabezal (torneado)

El número de funciones controlables que están relacionadas con estos sistemas depende de la forma de alimentación de piezas (manual o automática) y de la complejidad del sistema de amarre.

En los tornos el plato de garras se puede abrir y cerrar mediante instrucciones programadas de CN.

También se puede establecer por programa la presión de cierre de las garras. La elección de la fuerza de apriete depende generalmente de la velocidad de giro del cabezal; velocidades elevadas demandan las presiones mayores al aumentar la acción de la fuerza centrifuga. Como es habitual que las MHCN trabajen a velocidades de giro (corte) elevadas y esto podría suponer presiones que dañasen la pieza, estas incorporan mecanismos de compensación de las fuerzas centrifugas. El diseño de las mismas se basa de mantener una presión estable del accionamiento de cierre hidráulico a velocidades de giro elevadas.

Fig.16: Amarre de una pieza en un plato de garras

En fresado las presiones de apriete no resultan tan críticas. El aspecto más crítico en la sujeción en estas máquinas es la rapidez de montaje / desmontaje y la precisión en el posicionado de la pieza en la mesa de trabajo.

El sistema de amarre debe permitir una fácil carga / descarga de la pieza de trabajo y garantizar la repetitibilidad en la colocación estable y precisa de la misma en el seno de la MHCN. Compatibilizar todo ello puede resultar costoso en tiempo y dinero.

Los sistemas de sujeción específicos mediante componentes normalizados y modulares se utilizan frecuentemente. Estos dispositivos deben permitir el mecanizado completo sin operaciones de montaje / desmontaje.

Fig.17: Mesa de fresadora con tornillos de apriete

El mecanizado de piezas esbeltas con torno  puede demandar el uso de un elemento de apoyo en el extremo libre de la pieza conocido como contrapunto.

Este elemento incorpora dos funciones adicionales en la programación CN:

• Posicionar contrapunto

• Aproximar o retirar contrapunto

En unión al contrapunto, la estabilización de la pieza de trabajo puede requerir la presencia de la luneta de apoyo lateral. Este mecanismo incorpora las siguientes funciones:

• Abrir luneta .

• Cerrar luneta .

• Posicionado transversal .

• Aproximación / retirada.

Fig.18: Elementos de apoyo auxiliar en torneado

En numerosas ocasiones es conveniente equipar las fresadoras con un sistema dual de mesas de trabajo que permite realizar operaciones de transporte y amarre de piezas fuera de máquina.

La colocación de la mesa en la posición de trabajo puede realizarse con funciones CN específicas, así como las paradas y comienzo de los bloques de mecanizado propiamente dichos.

Fig.19: Mesas transportables de una fresadora

Cambiadores de herramienta

Mecanizar productos en MHCN requiere diferentes operaciones sucesivas sin soltar la pieza de su sistema de amarre (fase) lo que supone 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.

El cambio de herramientas puede ejecutarse manualmente por el operario, sin embargo, esto solo se realiza en la práctica con fresadoras y taladradoras dotadas de cabezales con adaptadores portaherramientas de acceso rápido y sencillo.

Los tornos CN 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)

• Carrusel de herramientas (fresadoras / centros de mecanizado)

El cambio de herramienta se controla por programación CN caracterizándose por un giro de la torreta hasta que coloca en la posición de trabajo aquella que se le solicita

Fig.20: Torreta de herramientas de un torno

 

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 en el cabezal y a la usada en el hueco (estación) dejado por la primera en el almacén. La operación solo dura segundos.

Fig.21: Carrusel de herramientas de una fresadora

Los cambiadores de herramientas incorporan frecuentemente el "posicionado lógico", que se basa en realizar giro de la torreta o el carrusel en el sentido que permite ubicar el útil deseado de forma más rápida desde la posición actual. Fig.22: Torreta de sentido de giro fijo Fig.23: Torreta con giro lógico

Ejes complementarios

Algunas MHCN disponen de mesas giratorias y/o cabezales para cabezales orientables. En ellas la pieza puede ser mecanizada 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 se regula también de forma autónoma.

Los ejes complementarios de rotación se designan en la programación CN como A, B, C.

Debido a las exigencias impuestas por la complejidad de ciertas piezas otras MHCN están dotadas de más de tres ejes de desplazamiento principal.

Los centros de mecanizado presentan usualmente en adición a los tres principales, un cuarto eje para la orientación del cabezal, un quinto para el giro de la mesa y hasta un sexto (W) de aproximación de la herramienta.

La trayectoria de la herramienta se define mediante la composición de los desplazamientos en X, Y y Z.

En muchos casos el eje W sólo opera cuando el resto de los ejes permanecen fijos y se usa para trabajos menores de taladrado en cualquier dirección.

Los ejes complementarios de desplazamiento se designan en la programación CN como U, V, W.

Fig.24: Mesa giratoria y cabezal basculante

Fig.25: Centro de mecanizado de 6 ejes

Herramientas en MHCN

Una herramienta completa de MHCN presenta generalmente las siguientes partes:

• acoplamiento

• portaherramientas (cuerpo, mango o porta plaquita)

• punta herramienta (plaquita)

El acoplamiento es el elemento que inserta la herramienta en el seno del cabezal de la MHCN (fresadoras) o en la torreta (tornos).

Fig.28: Herramienta completa de fresado

Fig.29: Herramienta completa para torno

La morfología de los mangos y de las plaquitas es la responsable de las posibilidades de mecanizado y de los acabados a obtener en las piezas de trabajo.

El sistema de montaje entre el portaplaquitas y plaquita puede variar:

• Los portaplaquitas generalmente se fijan al acoplamiento mediante sujeciones de montaje rápido: roscas, bridas de apriete, pasadores, sistemas de inserción tipo "snap". En algunas ocasiones el portaplaquita y el acoplamiento pueden constituir una única pieza.

• Las puntas de las herramientas pueden estar unidas al mango permanentemente (soldadas). Sin embargo es más habitual el uso de sistemas de plaquitas intercambiables que se fijan mediante tornillos, palancas, bridas, etc. Las plaquitas al disponer de varios filos pueden alternar, invertir o cambiar definitivamente cuando sufren cualquier deterioro.

Fig.30: Sistema de plaquitas intercambiables

Acoplamientos

Debido a la gran variedad que existe de herramientas de mecanizado para MHCN los acoplamientos para herramientas, ya sea para su conexión a cabezales o a torretas, siguen ciertos estándares de diseño.

Las dimensiones del acoplamiento deben coincidir de forma exacta con las del hueco (en el extremo del cabezal o en la torreta) garantizando rigidez, precisión de posicionado y fácil extracción.

En herramientas para fresadoras, y en general para todas las rotativas, se utilizan acoplamientos cónicos estándar (ISO). Este método garantiza la rapidez en el cambio y el autocentrado entre el eje del husillo principal y la herramienta.

En torneado los acoplamientos están conformados por bloques roscados estándar con conexión por "snap" u otro sistema al portaherramientas. Este diseño proporciona a la herramienta un plano de apoyo respecto de la torreta muy estable.

Las elevadas velocidades de corte que se recomiendan en el aprovechamiento óptimo de las MHCN hacen necesaria la intervención de refrigerantes que, además, mejoran la lubricación y remoción de la viruta.

Para la refrigeración precisa de pieza y herramienta en la zona de contacto se emplean convencionalmente tuberías flexibles o manguitos que orientan la aspersión hacia la zona deseada.

Muchas MHCN permiten la refrigeración directa del mecanizado a través de canales que incorpora el cuerpo de la herramienta. Este sistema permite una refrigeración óptima de las zonas de corte.

Debido a la proyección de las virutas y a las salpicaduras que conlleva el uso de refrigerantes es muy común que las MHCN dispongan de paneles de protección o carenados que aíslen la zona de trabajo.

Dimensiones básicas

Para garantizar la precisión dimensional en el mecanizado de una pieza con una MHCN su UC debe tener noción exacta de las dimensiones de cada herramienta empleada.

Las dimensiones básicas de una fresa son la longitud (L) y el radio de corte (R). En herramientas de torno dichos parámetros son la longitud (L) y el decalaje transversal (Q).

Las dimensiones básicas de la herramienta quedan referidas respecto del punto de montaje del acoplamiento con el hueco correspondiente del cabezal (o torreta) de la MHCN.

El establecimiento de las dimensiones básicas (reglaje) de las herramientas en las MHCN se realiza de dos formas:

• Mediante una prueba de mecanizado: En este caso se almacenan unas dimensiones aproximadas de la herramienta en la UC. Después se lleva a cabo una operación de mecanizado sencilla que es verificada dimensionalmente. Las desviaciones en las dimensiones de la operación real sobre las teóricas se pueden calcular e incorporar seguidamente, como datos para el reglaje correcto de útil.

• Mediante un equipo de prereglaje (externo o incorporado a la MHCN): Estos dispositivos verifican dimensionalmente las herramientas calculando directamente sus dimensiones básicas respecto del punto de montaje.

Los sistemas externos de prereglaje de herramientas utilizan un sistema de montaje y fijación idéntico al existente en la MHCN. Las dimensiones se calculan por procedimientos ópticos o mecánicos. Los datos se incorporan dentro de un sistema informático al que puede conectarse la UC a través de una pastilla electrónica de datos o mediante comunicación por cable.

Cuando el prereglaje óptico se verifica en la MHCN la herramienta se ubica en su estación de trabajo. Se debe posicionar el cabezal (o torreta) en un punto tal que permita la visión correcta del útil por el sistema de medida pasando la información dimensional directamente a la UC que gobierna toda la instalación.

Para determinar las dimensiones básicas de una herramienta, garantizar que las asuma la UC e inicializar convenientemente la MHCN, se requiere un conjunto de apoyos externos como puntos de contacto o patrones de referencia, paradas de los indicadores de recorrido, mandriles de centrado, sensores de medida, etc.

La asignación del "cero de herramienta" se lleva a cabo de la siguiente forma:

En primer lugar, se hace contacto en una superficie de la pieza a mecanizar con una herramienta de referencia o palpador almacenando la UC la medida obtenida como la altura "cero" o de referencia.

A continuación se deberán introducir en la UC las diferencias entre las alturas de las herramientas de trabajo y la de referencia.

Durante el mecanizado la UC corrige de forma automática las trayectorias de cada herramienta con esas diferencias, describiendo un recorrido único sobre la pieza ajustado a la altura de referencia o "cero".

Control de funciones máquina

En adición a las funciones geométricas para el control de los desplazamientos los sistemas CNC disponen de otras para el gobierno de la máquina: funciones máquina. El número de estas y la forma en que se ejecutan dependen, tanto de la propia MHCN, cómo de las posibilidades de la UC.

Las funciones máquina que se enumeran a continuación son un ejemplo de las actividades complementarias que pueden ser programadas y que en algunos casos afectan a tareas auxiliares de la MHCN:

• Comienzo del giro y control de la velocidad del cabezal.

• Posicionado angular del cabezal.

• Activación del refrigerante a una presión de salida dada.

• Mantenimiento del avance constante.

• Mantenimiento de la velocidad de corte constante.

• Cambio de herramienta activa.

• Comienzo de acciones de los dispositivos auxiliares:

• Sistemas de alimentación o cambiadores de piezas.

• Contrapunto

• Luneta

• Manipuladores

• Transportadores (convoyes)

La mayoría de las capacidades de las MHCN se pueden configurar como funciones máquina con el objeto de automatizar al máximo los procesos de fabricación.

Componentes de un sistema CN

Un sistema CNC está constituido por numerosos componentes.

Fig.48: Componentes de un sistema CNC

  El corazón de un sistema CNC es un ordenador que se encarga de realizar todos los cálculos necesarios y de las conexiones lógicas.

tendiendo a que el sistema CNC es el puente de unión entre el operador y la máquina-herramienta se necesitan dos interfaces (traductores):

• El interfaz del operador formado por el panel de control y varios a él conectados relacionados generalmente con dispositivos de periféricos almacenamiento (lectoras de cinta perforada, casete, disqueteras, etc) o impresión de la información.

• El interfaz de control de la máquina-herramienta que esta subdividido en múltiples conexiones de control y que afectan los actuadores de ejes, del husillo principal, etc. hasta llegar al sistema auxiliar de alimentación de energía.

Los apartados que restan hasta finalizar este tema explican con mayor detalle las funciones y operativa del ordenador y de los dos interfaces.

El panel de control

El aspecto externo del panel de control de las MHCN puede variar considerablemente en función del fabricante, no obstante, los componentes que en él aparecen se pueden agrupar de forma genérica en:

• Monitor: que incluye una pantalla CRT o un panel de texto  (en desuso) así como un conjunto de diales analógicos o digitales, chivatos  e indicadores.

• Mandos para el control máquina: Estos permiten el gobierno manual o directo de la MHCN en actividades análogas a las ejecutadas con una convencional mediante manivelas, interruptores, etc. Estos controles pueden ser empleados de forma alternativa durante las operaciones programadas para modificar puntualmente el proceso.

• Controles para la programación: Generalmente se presentan como teclados para la edición textual de programas y datos almacenados. Presentan caracteres alfabéticos, números e iconos o símbolos de las funciones que ejecutan.

Fig.49: Panel básico de un sistema CNC

Para garantizar el funcionamiento correcto de la MHCN y la aceptación de las instrucciones por el ordenador, el panel de control presenta un conmutador del modo de operación. Los modos de operación posibles son:

• programación (edición y gestión)

• modificación datos herramienta

• gobierno manual

• funcionamiento automático

La selección de los modos se lleva a cabo mediante un dial rotativo o con una botonera siendo sencillo el cambio de uno a otro. Cuando un modo esta activado generalmente se constata por una señal luminosa en el panel o por el un mensaje de aviso en la pantalla.

La pantalla de datos y los indicadores de un sistema CNC pueden desempeñar las siguientes funciones:

• Programación: Muestran el texto de los programas CN (actuando como un editor sencillo) y el listado de nombres de aquellos que están almacenados en la memoria del ordenador.

• Herramientas: Presentan la configuración (dimensiones y correctores) de un conjunto de herramientas almacenadas en memoria. En algunos casos puede aparecer también el tiempo de uso remanente (vida esperada).

• Datos máquina: Muestran algunos parámetros esenciales como, la velocidad máxima del cabezal y de los avances.

• Mecanizado: Es habitual presentar de forma continua las coordenadas de la posición actual de la herramienta activa y los datos cinemáticas en uso (velocidad de giro y avances) así como otras variables de status.

• Funciones auxiliares: Como por ejemplo la representación gráfica de la pieza y de las operaciones de mecanizado y herramientas.

Funciones operativas de una maquina

Los mandos de control máquina inician o detienen actividades básicas de la MHCN.

En muchas ocasiones se trata de interruptores ON / OFF asociados a funciones individuales (todo / nada) como por ejemplo: "activar / cortar refrigerante" o "arrancar / parar cabezal".

Es habitual que estas funciones aparezcan representadas mediante un icono inscrito en el botón correspondiente.

Fig.50: Interruptores ON/OF

Existen diversos mandos para desplazar y controlar el avance de los ejes básicos de la MHCN de forma directa: Botoneras," joystick" y ruletas / diales.

Se suele incorporar un botón para cada sentido de avance, indicando la designación normalizada del eje (con su signo).

El joystick desempeña la misma labor que los botones siendo, quizás, más ergonómico.

La ruletas (o diales analógicos) se emplean en el caso que el desplazamiento (+ o -) del eje pueda ser referido a un movimiento rotativo. La ruleta suele estar graduada de forma simétrica y su sentido de giro (horario o antihorario) produce efecto análogo en la rotación del eje correspondiente.

Fig.51: Botones, joystick y ruleta de avance

Para poder modificar los valores programados de avances y giros muchos paneles incorporan un dial de variación porcentual de dichos parámetros.

Con este sistema se puede modificar el avance o la velocidad de giro del cabezal durante el mecanizado en curso, indicando el porcentaje deseado respecto al valor programado (el 100% mantiene el valor programado, mientras que un 50% lo reduciría a la mitad).

Los operadores utilizan este mando para reducir los parámetros cinemáticos de la MHCN durante la fabricación de la primera pieza del lote y verificar la correcta marcha de las operaciones de mecanizado.

Fig.52: Mando para control porcentual del giro

  Las funciones máquina comandadas desde el panel generalmente se identifican por símbolos o iconos. Estos iconos suelen ser estándar.

Fig.53: Ejemplos de los símbolos descriptivos para mandos de funciones máquina

El teclado de programación

En la botonera que controla las funciones de programación se puede distinguir entre las teclas empleadas para la transcripción de los datos de entrada (caracteres) y aquellas que inician cualquier comando del ordenador (como la tecla <ENTER> o <INTRO>)

Para la escritura de datos, los paneles de control incorporan un juego de caracteres reducido compuesto por las letras (mayúsculas) con significado en la programación CN (G, M, F,...), números y operadores matemáticos elementales (+,-,/ ,.). Con este juego tipográfico se puede redactar el texto del programa CN carácter a carácter.

Fig.54: Teclado de letras y números

Algunos paneles incorporan teclas con las funciones de programación más importantes o usuales de forma explícita, lo que reduce o abrevia la escritura del programa. Dichas funciones aparecen designadas de forma directa con su texto sobre la tecla o con icono que la describe (tal es el caso de los desplazamientos).

Fig.55: Teclas de funciones abreviadas programación

Las teclas de comandos del ordenador se emplean para la ejecución de tareas como la corrección, almacenamiento, listado y arranque de los programas CN así como para su emisión hacia los periféricos externos.

Se pueden identificar porque incorporan  abreviaciones o símbolos.

Fig.56: Teclado de comandos del ordenador

• Ejemplo 1: Las letras y números pulsados aparecen en la pantalla. Tras la edición del bloque de programación (frase) su validación y memorización por el ordenador sólo se llevará acabo pulsando un tecla de confirmación que puede tener la abreviación <INTRO>, <STORE>,  <ENTER> o <INPUT>.

• Ejemplo 2: Para activar un programa CN y proceder a su edición el sistema CNC debe encontrarse en el modo de programación. Para llevar acabo este cometido pueden aparecer teclas con la abreviación <PROGRAMAR>, <EDIT>, <PROGRAMMING>, <EDITOR>

Fig.57: Ejemplos de los símbolos usados como comandos de programación

Equipo auxiliar externo

Al igual que en cualquier otro ordenador, el lenguaje básico de un sistema CNC es un código binario. Esto supone que cualquier instrucción o letra que pueda introducirse por el teclado debe traducirse a una determinada combinación o cadena de bits.

Un bit se relaciona electrónicamente con un el estado de un interruptor, que puede estar conectado / desconectado (ON/OFF) que se expresa de forma lógica con "1" o "0" respectivamente.

Un ordenador almacena y gestiona estas conexiones en combinaciones más largas, lo que permite una mayor velocidad de proceso. La unidad de trabajo, generalmente la conforma el octeto o cadena de 8 bits, que se denomina byte.

Las combinaciones posibles de 8 bits (1 byte) permiten la representación de 256 caracteres (letras, números y símbolos de escritura). Esta transcripción es lo que comúnmente se conoce como código binario.

Para dimensionar la capacidad de memoria de los sistemas CNC se emplean múltiplos del byte con prefijos numerales griegos como "kilo". Un kilobyte equivale exactamente a 1024 bytes (8192 bits).

La cinta perforada adjunta dispone longitudinalmente de 8 filas (canales) equivalentes a una combinación de 1 byte. Los dos estados físicos relacionados con un bit, es decir, conectado y desconectado,  se identifican en el canal apropiado de este soporte como "no perforado" y "perforado" respectivamente. Cada carácter, representado por un byte, aparece en la cinta como una combinación de agujeros en columna.

Fig.58: Interpretación del código binario en una cinta perforadora

Los sistemas CNC disponen de una memoria para el almacenamiento de programas en máquina limitada (aunque, cómo en todos los equipos informáticos, tiende a crecer en los nuevos modelos). Resulta conveniente, por diversas causas ,disponer de recursos técnicos capaces de preservar dicha información externamente. Por otro lado nunca se sabe cuando se va a emplear de nuevo un programa. Repetir su edición a pie de máquina puede ser harto tediosa e improductiva.

Los métodos más habituales para el almacenamiento externo de información son el disquete (en la actualidad es el único empleado), la cinta perforada y el casete (CNC antiguos)

El disquete, en cualquiera de sus formatos, es el método más común de almacenar los programas CN, externamente. Es recomendable para preservar un volumen de información grande disponiendo, además, de un acceso aleatorio a los programas. La rigidez y resistencia de los últimos diseños permite su utilización en las severas condiciones de suciedad del taller.

Fig.59: Dispositivos externos para el almacenamiento y revisión de programas CN

Para llevar a cabo la transmisión a los sistemas de almacenamiento (a los dispositivos que graban y leen) se utilizan varios estándares de conexión.

Estos estándares analizan por un lado, la forma de codificar la información para su correcta  interpretación y por otro, a la velocidad y unidades básicas de transmisión / recepción que garanticen la fluidez de la misma.

Estos parámetros establecen un protocolo de comunicaciones. Una de la variables más comunes es la velocidad de transmisión que se expresa en Baudios ( 1 Baudio = 1 bit/s).

Fig.60: Conectores para transmisión de datos

Existen dos formas estándar de transcribir caracteres (letras, números y símbolos especiales) mediante cintas perforadas que han sido normalizadas por las agencias ISO y EIA  para su uso internacional.

Estos dos estándares se apoyan en combinaciones de columnas de agujeros con un número de 8  o 7 canales (7 para representar el carácter y uno más de verificación).

La diferencia entre ambas normas consiste en el número de agujeros que presentan sus combinaciones: en ISO el número de agujeros totales es siempre par y con la norma EIA es siempre impar.

Fig.61: Código ISO de cinta perforada

Fig.62: Código EIA de cinta perforada

El microprocesador

Los elementos esenciales del ordenador de un sistema CNC son unos circuitos integrados de semiconductores a los que comúnmente se les conoce como "chips". Su aspecto es el de una diminuta pastilla con un conjunto, generalmente numeroso, de patillas de conexión.

Los chips más significativos son el microprocesador (o, simplemente, procesador) y los módulos de memoria para datos.

Los módulos de memoria preservan los datos introducidos por el operador durante la sesión o desde los dispositivos externos cuando se lleva a cabo una recepción. Existen memorias volátiles (la información desaparece cuando se desconecta el sistema) o permanentes (mantienen los datos entre las sesiones de uso). También hay memorias que solo suministran información y no son modificables/grabables.

El microprocesador manipula todos los datos realizando las operaciones o cálculos requeridos por la instrucciones recibidas, generando nuevos datos que se procesan para que sean interpretados por el operador cuando son requeridos.

Los procesadores actuales disponen de gran rapidez, potencia de cálculo y flexibilidad para acometer tareas heterogéneas.

Fig.63: Microchips típicos

Los sistemas CNC incluyen un ordenador que consiste físicamente en uno o varios procesadores (CPU) y en circuitos integrados para almacenamiento de datos (módulos de memoria).

La CPU interviene en el proceso de los datos del programa (cálculos, gestión, memorización) introducidos por el operador que se traducen a señales electrónicas que gobiernan la MHCN.

Los datos del programa están constituidos por instrucciones CN y de inicialización o estado de la máquina y los utillajes (por ejemplo dimensiones de las herramientas).

El proceso de los datos de programa genera unos resultados que se traducen a señales o pulsos electrónicos que controlan la máquina-herramienta. Como dichas señales deben generar las acciones deseadas por el operador, sus resultados parciales son verificados reiteradamente y en intervalos de tiempo extremadamente cortos (bucle de comparación acción / resultado).

Ejemplo:

• Un programa CN editado y almacenado en la memoria incluye una instrucción en que una fresa debe desplazarse mecanizando linealmente una distancia de 100 mm en un eje de la mesa.

• Cuando el procesador interpreta esta instrucción calcula inicialmente el punto de destino, generando una señal de puesta en marcha del motor que controla el desplazamiento del eje oportuno.

• El motor a través de la transmisión desplaza la mesa una distancia corta (paso).

• El sistema de medición, que envía constantemente señales, le indica al procesador que la mesa esta en una nueva posición (posición actual)

• El procesador lleva a cabo una comparación entre la posición actual y la de destino, tomando a continuación dos posibles decisiones:

• Detener el motor en el caso de que la posición actual sea igual a la de destino. Se procederá a continuación a leer la siguiente instrucción del programa CN.

• Repetir la operación en el caso de que no lo sea.

Fig.64: Esquema del bucle comparación acción / resultado

La interfaz de control

Se puede usar un ordenador personal como núcleo de un sistema CNC para máquinas-herramienta. Las conexiones más sencillas sólo permiten unas pocas funciones máquina y se centran en las tareas de edición de programas CN. En la actualidad, se tiende a que pueda ser una opción completa de gobierno que es recomendable cuando la MHCN debe trabajar de forma coordinada con otras instalaciones (robots, sistemas de transporte automático, otras MHCN, etc.).

Para conectar un ordenador personal a una máquina-herramienta se necesita generalmente una unidad de control que traduce las instrucciones y cálculos del PC a señales que controlan los motores de la máquina. Esta unidad realiza la labor de interfaz entre la alimentación de potencia de la máquina y sus actuadores (motores).

Fig.65: Ordenador personal como sistema CNC

Las funciones que ejecuta una máquina-herramienta no pueden ser inicializadas de forma directa por el ordenador de su sistema CNC. Se requiere la intervención de un filtro o elemento intermedio que traduzca las señales que generan y gestionan ambos dispositivos. El nexo de unión entre la máquina-herramienta y el ordenador del sistema CNC está constituido por el interfaz de control, que actúa sobre el control de ejes y sobre el sistema de alimentación auxiliar de potencia. El interfaz de control tiene como cometido la conversión de las señales provenientes del sistema CNC en otras propias de los actuadores de la máquina-herramienta, para de esta forma, ejecutar las acciones o movimientos programados.

Fig.66: Esquema intercambio de señales entre el ordenador y la máquina-herramienta

Ejemplo:

Se recibe una señal de arranque del eje X desde el sistema CNC en un torno.

El interfaz de control debe verificar un conjunto de requisitos previos como:

• Que el panel de protección de la zona de trabajo de la MHCN esté cerrado.

• El control manual de eje (volante, si lo hay) esté desacoplado.

• El sistema hidráulico de transmisión se encuentre activado.

• ...

Cuando las condiciones de arranque se cumplen se puede poner en marcha el motor que gobierna el eje X. Esta acción conlleva simultáneamente otras en la máquina ( por ejemplo, se enciende una luz en el panel de control que indica el arranque)

También se activan mecanismos de seguridad para que no se ejecuten otras funciones máquina improcedentes (por ejemplo, la presión de cierre del plato de garras no debe variar).

El control de los ejes tiene la misión de simplificar la interacción entre el mecanismo de verificación de la posición y  los motores de avance con el ordenador del sistema CNC. Para ello se regulan ciertas actividades de forma independiente y automática.

Generalmente las señales electrónicas de los sistemas CNC son de baja potencia para conmutar motores eléctricos, electroválvulas, etc. Por esta causa resulta necesaria la intervención de un sistema de alimentación auxiliar que amplifica esta señal para compatibilizarla la requerida por los dispositivos mencionados.

El interfaz de control es un dispositivo físico independiente en los sistemas CNC. Habitualmente se puede programar de forma específica y separada, realizando labores de asistencia sobre todo a la hora gestionar la lógica que integra las funciones máquina más básicas.

La programación de los interfaces se realiza por los fabricantes de MHCN. Estos programas permanecen invariantes: El usuario final no pueden modificar sus parámetros e instrucciones.

Las unidades de control programables más comunes reciben el nombre de autómatas programables o PLC ("programable logical control").

Posicionado de los ejes

El control de automatismo se basa en el uso de unos dispositivos que analizan un conjunto de señales de entrada dando, en función de una lógica o aritmética preestablecida, una señal de salida. El número de entradas y salidas puede variar complicando el proceso. Las señales a procesar pueden ser digitales o analógicas.

Un proceso básico de señales digitales (bits) consta de dos entradas y una salida (esta configuración recibe el nombre de "puerta"), y conjunto de operaciones (generalmente basadas en la lógica) resultado de aplicar diferentes "tablas de verdad" que presentan todas las combinaciones posibles.

Estas operaciones reciben nombres como "OR", "AND", etc.

Fig.67: Puerta tipo "AND"

Fig.68.: Puerta tipo "OR"

Fig.69: Puerta comparativa

Independientemente de los componentes que incorpore el sistema CNC y de la relaciones que se establezcan entre unos y otros, siempre aparece un conjunto de dispositivos electrónicos esenciales para cualquier configuración como los comparadores digitales básicos y los circuitos de control.

Fig.70: Circuito de control para posicionado de ejes

Descripción:

• El ordenador del sistema CNC calcula la distancia que debe desplazarse la mesa y transmite dicha información en código binario al comparador, que la recibe como una de sus señales de entrada (A).

• El comparador genera una señal de salida (C) para el motor que actúa sobre el sistema de transmisión que genera el desplazamiento (a incrementos) del eje afectado.

• Cualquier cambio de la posición genera una señal en el sistema de medición que informa sobre la situación actual constantemente. Esta señal es enviada al comparador (B).

• Este dispositivo analiza esta segunda señal de entrada (B)  con la que recibe del ordenador de control (A). Si el resultado de la comparación es negativo se genera otra nueva señal de desplazamiento incremental (C') y el motor continua rotando. Tan pronto como se igualan  (A) y (B) se genera una señal de parada del motor.

• Esta última acción permite la lectura de una nueva instrucción.

Los motores paso a paso presentan la propiedad de convertir fácilmente sus pulsos de control, a pasos (rotativos) predeterminados muy precisos. Generalmente el giro completo de su eje se asocia a un número exacto de pulsos / pasos (por ejemplo 48). El uso de estos motores para el posicionado de ejes mediante sinfines supone una simplificación tanto en el sistema de control, como en el método empleado para el cálculo de las distancias.

Fig.71: Posicionado eje mediante un motor paso a paso

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Factores de mecanizado CN

Los factores y condiciones principales afectan al corte de metales en MHCN y deben ser tenidos en consideración a la hora de elaborar los programas de CN.

Los siguientes factores son los mas importantes:

• factor máquina,- herramienta,

La máquina herramienta seleccionada debe ser capaz de llevar a cabo el trabajo de mecanizado bajo requerimientos de precisión y economía preestablecidos. El programador debe conocer las especificaciones de la máquina y condicionantes que hay que tener en cuenta a la hora de elaborar los programas CN.

El diseño de las máquinas-herramienta se basa en tres consideraciones:

• rigidez mecánica,

• estabilidad dinámica,

• rigidez térmica.

El volumen de viruta extraído por unidad de tiempo o de avance (ratio de viruta removida) es un parámetro productivo que depende de la potencia que la máquina-herramienta puede proporcionar para el giro de su husillo principal.

Fig.2: Los factores de la máquina herramienta

• refrigerante,

Existen tres tipos de refrigerantes:

• 1/ Las disoluciones en agua (ejemplo: soluciones salinas) presentan buenas propiedades como refrigerante pero malas como lubricante.

• 2/ Las emulsiones (agua y aceites minerales con aditivos) incorporan las ventajas de lubricación de las substancias grasas.

• 3/ Los aceites de corte (con grasas y aditivos).

Se debe tener presente las siguientes consideraciones:

• Los refrigerantes tienen caducidad y deben renovarse de forma regular.

• Existen refrigerantes que atacan la piel y requieren el uso de ropa de protección y medidas de seguridad adicionales.

• Los refrigerantes pueden ser perjudiciales para determinados componentes de la máquina (picado de guías) por lo que se recomienda el uso exclusivo de aceites minerales

Para conseguir unas condiciones de mecanizado óptimas es necesaria la intervención de un refrigerante. Sus funciones son:

• Disipar el calor generado durante el corte en la punta de la herramienta manteniendo la temperatura de la pieza lo más baja posible.

• Reducir la fricción y el desgaste de la herramienta por lubricación.

• Facilitar la extracción de la viruta.

El uso de refrigerantes permite aumentar las velocidades de corte.

• pieza (geometría básica),

Un programador debe determinar qué propiedades de la pieza requieren atención especial a la hora de confeccionar el programa CN partiendo de su plano.

• El tamaño y la forma de la pieza afectan a:

• La elección del método y sistema de sujeción, así como, a la presión de apriete requerida.

• La determinación de la herramientas y su forma de actuación (contornos especiales, internos o externos, etc.).

Una amarre carente de rigidez puede suponer la aparición de vibraciones o deflexiones en la pieza (esta es la justificación del contrapunto o las lunetas en el torneado, o de algunos amarres especiales en fresado).

Para conseguir buenos acabados superficiales se debe garantizar la formación de viruta favorable (mediante rompevirutas) y emplear una geometría de herramienta adecuada para el material. Se recomienda en este caso además:

• velocidades de corte elevadas,

• profundidades de corte bajas,

• avances reducidos.

La tolerancias a conseguir en la pieza acabada determinan el nivel de precisión con que se debe ejecutar el mecanizado (por ejemplo, estableciendo los periodos en los que se debe realizar una inspección o cambiar un útil).

Fig.6:Resumen de los factores pieza

• material.

Con referencia al material de la pieza las características esenciales que deben ser tenidas en cuenta son la resistencia y la maquinabilidad.

La resistencia a la compresión es importante a la hora de seleccionar el sistema de amarre y las presiones de apriete (cuando se trata de un sistema hidráulico).

La maquinabilidad afecta a la elección de herramientas y a las fuerzas de corte a aplicar. Un síntoma característico de un mecanizado correcto es la formación de viruta favorable a velocidad de corte elevada, combinado con un bajo desgaste de herramienta y un buen acabado superficial.

Fig.7:Resumen de los factores material

La geometría y el acabado superficial de la pieza determinan la elección de las plaquitas de mecanizado:

• La forma de la punta suele ser función del tipo de contorno a obtener.

• Las dimensiones y materiales de la plaquita se eligen en concordancia con las velocidades de corte y avances.

El estado superficial deseado se obtiene mediante la selección del radio de punta de la herramienta y el avance.

• Las virutas

Los tipos de viruta dependen de:

• factor de compresión,

• material de la pieza,

• velocidad de corte,

• estado superficial de flanco de desprendimiento,

• material de la herramienta,

• presencia de rompevirutas.

 

El factor de compresión se define como:

siendo:
Xcomp: factor de compresión

av: sección viruta, mm2

pc: profundidad de corte, mm

Fig.8: Formas de viruta

Estos factores se deben conocer para la correcta determinación de los parámetros de corte necesarios:

• velocidad de giro del cabezal,

• velocidad de corte,

• avance,

• profundidad de corte.

Todo ello en función de los límites técnicos, requerimientos de acabado (calidad superficial y precisión dimensional).

Fig.1: Factores a tener presentes en el mecanizado con MHCN

Fig.9: Resumen de los criterios para el cálculo de los parámetros esenciales de corte

Ejes de coordenadas en CN

Las herramientas de una máquina CNC pueden realizar ciertos movimientos según el tipo de máquina.

En un torno, estos movimientos se componen de movimientos longitudinales y movimientos transversales.

En una fresadora, hay otro movimiento añadido a dichos movimientos fundamentales, llamado movimiento transversal secundario.

Para controlar la herramienta de forma precisa durante estos movimientos, todos los puntos dentro del área de trabajo de la máquina deben permitir una definición clara y universalmente comprensible.

Los sistemas de coordenadas se usan con este propósito, proporcionando una orientación al programador durante la confección de programas.

Sistemas de coordenadas de dos ejes

La forma más simple de un sistema de coordenadas para programación de control numérico consiste en dos ejes con intersección en ángulo recto. La intersección es el punto cero u origen del sistema de coordenadas.

Fig.03: Posición determinada con la ayuda de coordenadas X/Y

Un sistema de coordenadas con dos ejes permite una descripción / definición precisa de todos los puntos (vértices, centros de círculos, etc.) en el dibujo de una pieza

• Nota: En un sistema de coordenadas con dos ejes, un punto se determina claramente especificando un par de coordenadas (X, Y).

Sistemas coordenados de tres ejes

Cuando mecanizamos piezas con torno o fresadora, es necesario "imaginar" la pieza en 3-D. En el caso del agujero (taladro) de la Fig.08, no es sólo cuestión de dónde se localiza el taladro en la cara de la pieza sino de lo profundo que es.

El movimiento de la broca en la Fig.09 no puede ser descrito solamente por sus coordenadas X e Y. Se requiere una tercera coordenada para la profundidad del agujero taladrado: su coordenada Z.

Fig.07: Pieza en un sistema de coordenadas

Fig.08: Pieza en sistema de coordenadas 3-D

Para ser capaces de representar "piezas 3-D" necesitamos un sistema de coordenadas con tres ejes.

Fig.09: Regla de la mano derecha

Fig.10: Coordenadas 3-D

Los ejes de coordenadas se nombran por la "regla de la mano derecha" (ver Fig.09).

Las coordenadas 3D X, Y, Z de una pieza se obtienen estableciendo la posición de los puntos dimensiónales (es decir, los vértices), en los tres ejes (Fig.10).

Los ejes en el sistema de coordenadas presentan ángulos rectos entre sí. Cada eje tiene valores y direcciones negativos y positivos.

 

Fig.11: Sistema de coordenadas 3-D con valores negativos en los ejes de coordenadas

Sistema de coordenadas de la máquina

El sistema de control de la máquina-herramienta convierte los valores de coordenadas dentro del programa de CN:

• en movimientos de herramienta.

• y/o en movimientos de pieza

La dirección de trabajo es la misma en ambos casos. Cuando se programa una operación de contorneado, generalmente se asume que la pieza es fija y que sólo se mueve la herramienta.

Esta forma de ver la situación se denomina "movimiento relativo de herramienta".

Desplazamientos

Para las operaciones de mecanizado que se efectúan en las piezas, las herramientas tienen que recorrer de forma precisa las trayectorias correspondientes a cada tipo de operación. Las trayectorias de herramienta posibles dependen de cada tipo de máquina y de la capacidad de los sistemas de control.

El tipo de máquina fija los posibles desplazamientos en los ejes, por ejemplo los recorridos transversales, aplicados a la herramienta o al carro portapieza, así como los movimientos de avance y revolución del husillo de trabajo.

El tipo de configuración del control, por ejemplo control de desplazamientos rectos, contorneado 2D, etc., determina cómo pueden coordinarse los desplazamientos entre sí.

Esta "coordinación" que permite controlar los movimientos de la herramienta se alcanza mediante el sistema de control con la ayuda de cálculos internos conocidos como "interpolación".

Los tres siguientes apartados explican qué movimientos fundamentales de la herramienta pueden controlarse con la interpolación en las máquinas-herramienta CNC y qué efectos tienen dichos movimientos sobre las piezas.

Fig.39: Desplazamientos

Desplazamientos lineales

En un sistema de coordenadas tridimensional los 3 ejes X, Y y Z forman 3 diferentes planos fundamentales.

• Plano XY (figura a)

• Plano XZ (figura b)

• Plano YZ (figura c)

Estos planos se caracterizan por el hecho de que el tercer eje, en cada caso, es perpendicular al plano, por ejemplo, el eje z es perpendicular al plano XY, etc.

Fig.40: Planos fundamentales

 

Desplazamientos circulares

Para ser capaces de describir círculos en un sistema de coordenadas bidimensional se requiere establecer el centro del círculo y un radio (figura 44.a).

Para determinar círculos en un sistema de coordenadas tridimensional es necesario además especificar el plano del círculo (figuras 44.b y 44.c).

Fig.44: Desplazamientos circulares 2D, en el plano XY y 3D

Dimensiones y acotación para CN

El departamento de ingeniería realiza los planos de las piezas. Tales planos están generalmente acotados de forma que todos los contornos están precisamente especificados en términos de geometría.
Para asegurar que un plano proporciona una buena base para la programación, la acotación debe considerar un cierto número de aspectos:

• ¿ Pueden convertirse fácilmente las cotas en coordenadas en consonancia con la secuencia de mecanizado?

• ¿ Está la acotación completa en relación con las herramientas disponibles y las posibilidades del sistema de control?

• ¿ Pueden reconocerse fácilmente los elementos del contorno?

Al realizar un plano en la fase de diseño no siempre se presta la debida atención a estos aspectos. Por tanto, es frecuentemente necesario preparar los planos de forma que sean convenientes para el Control Numérico, esto es, modificar, ante todo, las cotas para una fácil preparación del programa.

Cálculos trigonométricos

Incluso con los últimos y más cómodos sistemas CNC, la preparación del programa puede llevar todavía aparejado el uso de cálculos matemáticos, especialmente si el dibujo de la pieza no ha sido dimensionado para adecuarse al CN.

En muchos casos los problemas de programación pueden ser resueltos mediante simples cálculos trigonométricos (figs.71 y 72).

Fig.71: Dibujo de una pieza fresada

Fig.72: Dibujo de una pieza torneada

Con este propósito las principales herramientas matemáticas son:

• Teorema del cociente.

• Teorema de Pitágoras.

• Funciones trigonométricas: sen, cos, tg.

Una descripción detallada de estas herramientas y especialmente de las fórmulas relacionadas con ellas aparece en libros de ingeniería y tablas matemáticas.

Los restantes apartados cubren el Teorema del cociente, el Teorema de Pitágoras y las funciones trigonométricas para entender correctamente las dimensiones que aparecen en los dibujos de piezas.

PROGRAMACIÓN DE CN

A continuación se describen los distintos pasos de que constan las operaciones de mecanizado mediante máquinas de CN, sin considerar un lenguaje de programación.

Para seguir los pasos necesarios, la máquina CNC requiere principalmente, información tecnológica y geométrica.

La información geométrica consiste en:

• datos dimensiónales del contorno final,

• descripción de los movimientos de la herramienta y

• posicionamiento en el área de trabajo del cero y puntos de referencia necesarios.

La información tecnológica consiste en:

• datos necesarios sobre la herramienta a usar,

• datos de corte (velocidad, avance, etc.) y

• funciones de la máquina a ser controladas (refrigeración, etc.).

Fig.1: Relación entre información geométrica y tecnológica para los pasos de mecanizado

Programación geométrica simple

Procedimiento:

En primero lugar, se debe establecer el punto cero de la pieza.

Como segundo paso, todos los puntos geométricos importantes deberían ser numerados a lo largo del contorno acabado, así como preparar una tabla que proporcione las coordenadas de esos puntos.

En tercer lugar, los movimientos de la herramienta deberían ser descritos en la secuencia correcta.

Programación con distribución de pasadas

La programación de la operación de acabado tal y como se ha descrito en los puntos anteriores, asume que el contorno puede obtenerse por una simple operación de acabado de la pieza. En cualquier caso, la situación es tan sumamente frecuente, que el proceso consiste en completar un número de pasadas de desbaste sobre la pieza antes de que pueda comenzarse con el acabado del contorno.

Programación de datos tecnológicos

Además de la información geométrica descrita en el recorrido de la herramienta, un programa CN también debe contener datos de información tecnológica. Esta información se refiere principalmente a la elección de:

• la herramienta,

• la velocidad de avance y

• la velocidad de corte o velocidad de rotación.

Fig.15: Herramientas de torneado: para desbaste, de acabado, para roscar, de acabado

 

Las herramientas utilizadas durante el mecanizado son numeradas consecutivamente por el programador con 1, 2, 3, etc. o T1, T2, T3, etc.. Estos números de herramienta son empleados secuencialmente en el programa CN para llamar a una herramienta específica.

Una llamada en el programa CN a una herramienta lleva consigo un cambio automático de herramienta (p.e. indexando una torreta de herramientas) o bien una parada en la secuencia de mecanizado para permitir un cambio de herramienta manual por parte del operador.

Edición de programas CN

El sistema de control de una máquina-herramienta CNC es el responsable en activar las funciones de la máquina-herramienta necesarias para cada secuencia particular de operaciones.

Para que esto ocurra, el computador del sistema de control tiene que ser informado de cómo va a tener lugar.

Esta información toma la forma de programa CN que el operador de la máquina (o programador) introduce en el sistema de control.

El sistema de control lee el programa CN, convierte la información que contiene en pulsos de control para la máquina-herramienta.

El desarrollo de un programa CN es determinado por el fabricante del sistema bajo unas pautas estandarizadas.

Desarrollo de programas CN

¿Qué es un programa CN?

En un programa de CN, las operaciones para mecanizar una pieza en la máquina herramienta son declaradas en un formulario que el sistema de control puede entender.

Un operador que conozca una máquina-herramienta convencional requiere una planificación de trabajo y un plano de la pieza para poder procesarla. De acuerdo a la información contenida en estos documentos, obtendrá las materias primas necesarias, herramientas, equipo de mantenimiento, etc. y, tras la preparación, comenzará inmediatamente con las operaciones de mecanizado.

La planificación de trabajo y el plano indican al operador qué operaciones se requieren. De cualquier forma, el proceso decidido y los datos de corte seleccionados son generalmente decididos sólo cuando se lleva a cabo el proceso de mecanizado actual.

El mecanizado siguiendo un programa CN es diferente:

En este caso, todos las operaciones de mecanizado deben establecerse previamente y en el orden correcto, junto con las condiciones de avance, velocidad de giro, etc., y estos detalles almacenarse en el programa CN.

Una vez introducido el programa CN en el sistema de control, puede ejecutarse tantas veces como se desee.

Al operador tan sólo le queda:

• preparar la máquina,

• monitorizar las secuencias de mecanizado,

• efectuar la inspección,

• cargar, fijar y liberar las piezas y

• recambiar las herramientas desgastadas.

Si algunas operaciones deben llevarse a cabo de forma diferente a la especificada en el programa CN, los puntos apropiados del programa CN deben modificarse.

En un sistema de control CNC, tales modificaciones pueden ser realizadas directamente por el operador de la máquina.

Otras condiciones adicionales pueden consistir en:

• información geométrica (p.e. datos de coordenadas. X20, Y40, Z30),

• información tecnológica (p.e. avance: F0.2; F40; velocidad de giro: S1000) e

• información de programación (p.e. nombre de bloques de programa: P50comienzo de bloque en programa nº50; Q60= final de bloque en programa nº60)

Subrutinas

• Los programas de CN con secuencias de mecanizado repetitivas incluyen un número de instrucciones que tienen que ser programadas varias veces.

• Para que el programador no tenga que escribir y/o introducir instrucciones repetidamente, hay formas de preparar secciones de programas repetitivas como subrutinas que son almacenadas separadamente en el sistema de control. Cuando se ejecuta el programa principal para una pieza concreta, se llama a la subrutina mediante instrucciones especiales en el punto adecuado, siendo insertada en la secuencia general de mecanizado. Al final de la subrutina, una instrucción devuelve el control al programa principal.

• Un programa CN consta básicamente de instrucciones. Estas instrucciones son convertidas por el sistema de control en pulsos de control para la máquina herramienta

Ejemplo

Si en el programa aparece:

"Desplazamiento rápido a X=40, Z=20",

Esto origina que se activen los motores de los ejes X y Z, manteniéndose así hasta llegar a la posición X=40, Z=20.

Las instrucciones de un programa CN están acompañas habitualmente de condiciones adicionales. En este ejemplo, significaría:

Una instrucción junto con las condiciones adicionales constituye un bloque de programa. Un programa CN consiste por tanto en una secuencia de bloques de programa como:

Los bloques de programa pueden identificarse por números de bloque (p.e. N10, N20, etc.) y hay sistemas de control en los que, por norma, cada bloque de programa es numerado, mientras que en otros sistemas de control sólo se numeran aquellos bloques que el programador considera por jugar un papel determinado en el programa.

Ejemplos:

Todos los bloques numerados:

Sólo el cambio de herramienta numerado:

 

Lenguaje de programación CN

De acuerdo con el estándar DIN 66025*, las letras A-Z, cuando se usan como letras de dirección, tienen el siguiente significado:

NOTA: Los lenguajes de programación CN están estandarizados internacionalmente. La norma DIN 66025 "Desarrollo de programas para máquinas de control numérico" (partes 1 y 2) coinciden en contenido con el estándar internacional ISO/DIS 6983 y ISO/DP 6983 "Control numérico de máquinas".

  El lenguaje de programación de un sistema de control determina las reglas con las que deberán construirse los bloques de programa en un programa CN.

Las bases del lenguaje de programación usado en sistemas de control CNC están estandarizadas.

A continuación se presentan los principios básicos  para el desarrollo de bloques de programa:
Los bloques de programa consisten en un conjunto de palabras de programa que, a su vez, están compuestas por una letra de dirección y una secuencia de números.

 

 

Las palabras de programa se emplean como instrucciones o como condiciones suplementarias (funciones), dependiendo de la letra de dirección con la que la palabra comienza.

La letra de dirección de instrucción más importante es la G. Las instrucciones G (G00 a G99) controlan principalmente los desplazamientos de herramienta (por ello también se les llama "funciones de desplazamiento")

Las letras de dirección para funciones suplementarias son:

• X, Y, Z: datos de coordenadas

• F: velocidad de avance

• S: velocidad de giro

En el lenguaje de programación de un sistema de control CNC, el fabricante especifica
qué instrucciones pueden programarse, que funciones suplementarias son posibles en conexión con instrucciones individuales y que letras de dirección y secuencias de números forman las instrucciones y funciones suplementarias.

Cuando se introduce un programa CN, el sistema de control verifica si se han respetado las reglas del lenguaje de programación (p.e. si pueden añadirse funciones suplementarias a una instrucción). Sin embargo, la introducción por el programador de coordenadas equivocadas sólo puede detectarse durante la ejecución del programa.

Instrucciones CN

Aquí se muestran un conjunto de importantes instrucciones de estándares establecidos que aparecen en los lenguajes de programación usados en sistemas de control CNC.

Estas son las instrucciones:

Fig.18

  Aun cuando un fabricante de sistemas de control (que no siga estrictamente los estándares establecidos) no use las palabras de programa G00, G01, G02 y G03, habrá otras con el mismo efecto. Estas instrucciones tendrán entonces una letra de dirección diferente o serán introducidas desde un teclado simbólico.

Los datos de coordenadas necesarios como funciones suplementarias además de las instrucciones ya citadas, pueden ser introducidos de varias formas dependiendo del tipo de control:

• en dimensiones absolutas

• en dimensiones increméntales

• mediante sentencias de ángulo suplementario

• en coordenadas polares

Por motivos de simplificación, los sistemas de control CNC funcionan de modo que las palabras de programa actúan modalmente hasta que sean expresamente cambiadas. "Actuación modal" significa que la función permanece activa hasta que se reemplaza por una nueva instrucción o función suplementaria.

Ejemplo:

 

El desplazamiento rápido, G00

La instrucción de desplazamiento rápido se identifica con la palabra programa G00.

Una instrucción de desplazamiento rápido mueve la herramienta al punto destino a la máxima velocidad de desplazamiento. Como funciones suplementarias será necesario introducir las coordenadas del punto destino.

Fig.19: G00 para torneado

Fig.20: G00 para fresado

La trayectoria es generalmente la línea recta que une el punto de partida y el destino, dado este último por las coordenadas establecidas en la función suplementaria.

Ejemplo (punto inicial X=150, Y=200, Z=150, fig.04)

Se emplea el desplazamiento rápido para movimientos en los que la herramienta no toca ni tiene la posibilidad de tocar la pieza.

Fig.21: Dos movimientos rápidos consecutivos

El desplazamiento lineal con avance, G01

Las trayectorias están definidas por:

• el camino de la punta de herramienta cuando tornea y

• el camino del centro de la fresa cuando corta

Fig.22: Desplazamiento para torneado

Fig.23: Desplazamiento para fresado

• Conversión de datos absolutos a dimensiones increméntales y viceversa (introducción de datos).

• Como ya se ha dicho, los planos de la pieza pueden dimensionarse en medidas absolutas o increméntales. Por esta razón, los sistemas CNC permiten la introducción de coordenadas de los puntos finales en dimensiones absolutas o increméntales.

• Si se ha programado G90, las coordenadas del punto destino en las instrucciones de desplazamiento siguientes se tomarán por el sistema de control como coordenadas absolutas (fig. 24). Cuando se programe G91, el sistema de control pasa a coordenadas increméntales (fig. 25).

Fig.24: Coordenadas absolutas (tras G90)

Fig.25: Coordenadas increméntales (tras G91)

 

Existen sistemas de control donde las coordenadas X, Y, Z son tomadas automáticamente como coordenadas absolutas. En dichos sistemas, las letras U, V, W se emplean para coordenadas increméntales.

De acuerdo con los estándares, la instrucción "Desplazamiento lineal con avance" requiere la palabra de programa G01.

Las siguientes funciones suplementarias son también necesarias:

• Coordenadas del punto destino

• Velocidad de avance

• Velocidad de giro o de corte

La instrucción "Desplazamiento lineal con avance" mueve la herramienta en línea recta al punto destino con la velocidad de avance introducida como función suplementaria

Fig.26: G01 para torneado

Fig.27: G01 para fresado

 

La velocidad de avance determina la velocidad con la que la pieza es mecanizada. La elección de esta velocidad depende de:

• la herramienta (geometría y material)

• el material a ser mecanizado

• el acabado de superficie requerido

• geometría y rigidez de la herramienta

G01 X80 Y80 Z20 F40 S1000

X80  Y80  Z20 Punto destino

F40 Velocidad de avance 40mm/min.

S1000 Velocidad de giro 1000 r.p.m.

La mayoría de los sistemas de control ofrecen varias posibilidades a la hora de introducir las coordenadas del punto destino

Fig.28: Línea recta en avance (tridimensional)

 

El desplazamiento circular horario y antihorario (G02, G03)

Cuando se programan circunferencias o arcos circulares, es posible también emplear coordenadas polares

Fig.29: G03 con coordenadas polares (I y J son las coordenadas del centro relativas al punto inicial

Fig.30: Arco para torneado

Fig.31: Arco para fresado

 

Las instrucciones de interpolación circular, G02 y G03, se diferencian en el sentido de rotación.

Las instrucciones "Interpolación circular, horario" (G02) y "Interpolación circular, antihorario" (G03) requieren las siguientes funciones suplementarias:

• coordenadas del punto destino

• introducción del radio o centro del arco

• velocidad de avance

• velocidad de giro o de corte

El centro del arco se introduce generalmente en dimensiones increméntales relativas al punto de partida. Aquí, se emplean las letras de dirección I, J, K (para las direcciones X, Y, Z).

Fig.32: Ejemplo de G02

Fig.33: Giro horario y antihorario

 

Con el punto de partida X=0, Y=50, la fig.32 ilustra la siguiente instrucción:

G02 X60  Y30  I30 J-10 F02 V300

• X60  Y30 Punto destino

• I30  J-10 Centro del arco en dimensiones increméntales

• F02 Velocidad de avance 0.2 mm/rev.

• V300 Velocidad de corte 300 m/min

Que una herramienta se desplace en sentido horario o antihorario depende de la dirección en la que el tercer eje en el plano del contorno apunta cuando se aplica la "regla de la mano derecha". La disposición siempre se ve en la dirección negativa del tercer eje.

SISTEMAS DE CONTROL

Funciones programables CN

Actualmente las MHCN emplean como método de trabajo la modalidad CNC exclusivamente. Sin embargo, existen en el entorno de la máquina herramienta referencias continuas al la "tecnología CN". Es importante conocer los escalones de dicha tecnología y distinguir entre los términos CN y CNC.

Sistemas CN básicos:

• En las primeras máquinas-herramienta dotadas de unidades de control numérico el programa se confeccionaba externamente y debía ser transferido a la MHCN mediante algún tipo de soporte físico (disquete, casete o cinta perforada). Estos programas CN podían ser puestos en marcha o detenidos a pie de máquina, pero no podían modificarse (editarse).

• Las correcciones geométricas debidas a las dimensiones de las herramientas y de los dispositivos de sujeción tenían que preverse anticipadamente en la programación y ser gestionadas de manera exhaustiva. El operador montaba las herramientas y los amarres pieza en acuerdo estricto con aquellas consideraciones, utilizando generalmente hojas de proceso o de datos de utillaje.

Sistemas CNC: (controlados numéricamente por ordenador)

• Presentan un ordenador como UC que permite al operador comenzar (o terminar) el programa y además realizar modificaciones (editar) sobre el mismo a pie de máquina manipulando los datos con periféricos de entrada y salida.

• Las dimensiones de herramientas y utillajes se definen durante el reglaje o inicialización de las mismas, de forma independiente al programa. Estos datos se incorporan automáticamente a la programación durante la ejecución para que sean llevadas a cabo las correcciones pertinentes. Por esta razón el operador puede editar los programas con menos información de partida, limitándose a seleccionar las herramientas o utillajes en esa fase.

No existen diferencias entre CN y CNC con relación a:

• Lenguaje de programación

• Tecnología de la máquina-herramienta

Fig.39: Esquema de un sistema CN

Fig.40: Esquema de un sistema CNC

Tipos de control

Los conceptos de interpolación lineal y circular están relacionados con los desplazamientos de los ejes básicos de las MHCN.

• Interpolación lineal: En este tipo de trayectoria el sistema CNC calcula un conjunto de posiciones intermedias a lo largo de un segmento recto definido entre dos puntos dados. Durante el desplazamiento de una posición intermedia a otra, los movimientos en cada uno de los ejes afectados se corrigen continuamente de tal manera que la trayectoria no se desvía de la recta prefijada más allá de la tolerancia permitida.

• Interpolación circular: El sistema CNC calcula un conjunto de posiciones intermedias a lo largo del segmento circular definido entre dos puntos dados. Durante el desplazamiento de una posición intermedia a otra, los movimientos en cada uno de los ejes afectados se corrigen continuamente de tal manera que la trayectoria no se desvía del la circunferencia prefijada más allá de la tolerancia permitida.

En general, el concepto interpolación tiene relación con el cálculo de puntos de acuerdo a un recorrido dado.

De acuerdo al tipo de control los sistemas CNC se subdividen en tres categorías en nivel creciente de prestaciones: Punto a punto, paraxial y continuo.

El control punto a punto permite el posicionado de la herramienta de acuerdo a puntos programados mediante movimientos simples en cada eje en vacío.

Esto supone el que no se pueda controlar la trayectoria de la herramienta en trabajo.

Dependiendo del tipo de control los motores de cada eje actúan separada o conjuntamente hasta que se alcanza la posición deseada.

El control punto a punto se usa habitualmente en taladradoras o en sistemas de soldadura por puntos.

Fig.41: Control punto a punto

El control paraxial permite, adicionalmente a los desplazamientos rápidos en vacío, el avance de la herramienta en carga, según trayectorias paralelas a los ejes básicos de la MHCN.

En dichas trayectorias sólo actúa un único motor (el que ejecuta el desplazamiento en ese eje) controlándose la distancia a recorrer y la velocidad del avance.

Este tipo de control se emplea en cepilladoras CN y fresas o tornos sencillos.

Fig.42: Control paraxial

El control continuo permite:

• Los desplazamientos rápidos de la herramienta en vacío.

• Avances en carga paralelos a los ejes básicos.

• Avances en carga  hasta cualquier punto arbitrario de la pieza utilizando interpolaciones rectas o circulares.

Fig.43: Control continuo

Existen diferentes niveles de complejidad en los controles continuos en relación a la capacidad de actuar con varios ejes para poder obtener trayectorias de herramientas por interpolación más o menos complejas. En este contexto conviene distinguir los planos afectados por la interpolación. Así se habla de contorneo 2D, 2D y 1/2, y 3D.

Las prestaciones de una MHCN no se miden por el número de ejes sino por el número de ejes que puede mover (controlar) de forma simultánea para describir trayectorias.

Un control de tipo continuo puede actual como paraxial o punto a punto, y un paraxial como punto a punto. Las situaciones inversas no son viables.

Otros tipos de control son:

• Un control de contornos 2D permite llevar a cabo interpolaciones lineales y circulares con la intervención de dos ejes básicos de desplazamiento. El contorno queda dentro del plano formado por ambos ejes. Si la MHCN tiene tres ejes básicos pero su capacidad es de contornos es 2D, el tercer eje sólo determina la posición relativa del plano mencionado. En fresado, el tercer eje determinaría la profundidad o altura y el contorno a fresar que se definiría con los otros dos.

• Un control de contornos 2D y 1/2 permite la ejecución de contornos 2D en cualquier plano definido por dos desplazamientos básicos quedando el eje ortogonal solamente hábil para definir profundidades. En las máquinas-herramienta de tres ejes con CNC se da generalmente este tipo de situación, pudiéndose definir contornos en los tres planos  XY, YZ y ZX. En fresadoras conlleva la posibilidad de realizar cajeras en cualquiera de los tres planos.

Un control de contornos 3D permite interpolar linealmente y circularmente en el espacio tridimensional. Esto supone que la máquina debe desplazar simultáneamente sus tres ejes para poder definir trayectorias rectas o circulares en cualquier plano.

Control Numérico Computarizado CNC

¿Qué es el CNC?

CNC se refiere al control numérico de máquinas, generalmente Máquinas de Herramientas. Normalmente este tipo de control se ejerce a través de un computador y la máquina está diseñada a fin de obedecer las instrucciones de un programa dado.

Estas maquinas son el resultado de ubicar un microordenador en cada maquina NC, lo que permite que los programas puedan ser almacenados y desarrollados y desarrollados localmente eliminando o reduciendo un buen numero de los problemas operativos de aquellas. Las maquinas CNC ofrecen una mayor flexibilidad porque están dotadas de control digital en lugar de circuitos cableados, lo cual permite que se puedan incorporar con facilidad nuevas opciones y se puedan resolver los problemas de hardware de forma sencilla. Además, el ordenador puede analizar la precisión con que están programadas las piezas a fabricar y si han de reprogramarse antes de poner la maquina en marcha.

Las CNC están conectadas con sistemas de carga y descarga de herramientas. Estas son mas rápidas pues suelen dispone

r de sistemas para el desarrollo de programas en tiempo real y “on - line”, de manera que los operadores pueden llevar a cabo con gran rapidez los cambios de ingeniería. Cuando varias maquinas CNC están controladas por un mismo ordenador central, que distribuye entre estas los programas de control numérico, se dice que estamos ante maquinas herramientas de control numérico computarizado distribuido (DNC). Estos sistemas son necesarios para conseguir la integración ultima de las piezas a procesar con los planes y programas de producción.

 Estos programas se ejercen a través del siguiente proceso:

 Dibujo del procesamiento

• Programación.

• Interfase.

• Máquinas Herramientas C.N.C.

La interfase entre el programador y la MHCN se realiza a través de la interfase, la cual puede ser una cinta perforada y codificada con la información del programa. Normalmente la MHCN posee una lectora de la cinta.

Características del C.N.C

La MHCNC posee las siguientes ventajas:

• Mayor precisión y mejor calidad de productos.

• Mayor uniformidad en los productos producidos.

• Un operario puede operar varias máquinas a la vez.

• Fácil procesamiento de productos de apariencia complicada.

• Flexibilidad para el cambio en el diseño y en modelos en un tiempo corto.

• Fácil control de calidad.

• Reducción en costos de inventario, traslado y de fabricación en los modelos y abrazaderas.

• Es posible satisfacer pedidos urgentes.

• No se requieren operadores con experiencia.

• Se reduce la fatiga del operador.

• Mayor seguridad en las labores.

• Aumento del tiempo de trabajo en corte por maquinaria.

• Fácil control de acuerdo con el programa de producción lo cual facilita la competencia en el mercado.

• Fácil administración de la producción e inventario lo cual permite la determinación de objetivos o políticas de la empresa.

• Permite simular el proceso de corte a fin de verificar que este sea correcto.

• Sin embargo no todo es ventajas y entre las desventajas podemos citar:

• Alto costo de la maquinaria.

• Falta de opciones o alternativas en caso de fallas.

• Es necesario programar en forma correcta la selección de las herramientas de corte y la secuencia de operación para un eficiente funcionamiento.

• Los costos de mantenimiento aumenta, ya que el sistema de control es más complicado y surge la necesidad de entrenar al personal de servicio y operación.

• Es necesario mantener un gran volumen de producción a fin de lograr una mayor eficiencia de la capacidad instalada.

El Factor Humano y las Máquinas C.N.C.

En esta sección, veremos el tipo de conocimiento y/o habilidades que debe poseer un operador C.N.C.

• El operador de CNC deberá tener conocimientos en geometría, álgebra y trigonometría.

• Deberá conocer sobre la selección y diseño de la Herramienta de Corte.

• Dominar los métodos de sujeción.

• Uso de medidores y conocimientos de metrología.

• Interpretación de Planos.

• Conocimientos de la estructura de la máquina CNC.

• Conocimientos del proceso de transformación mecánica.

• Conocimientos de la programación CNC.

• Conocimientos del Mantenimiento y operación CNC.

• Conocimientos generales de programación y computadores personales.

Existen algunos otros aspectos de tipo humano que se derivan de la utilización del control numérico; entre los que podemos mencionar:

• Una persona puede operar varias máquinas simultáneamente.

• Mejora el ambiente de trabajo.

• No se requiere de una gran experiencia.

• El programa tiene el control de los parámetros de corte.

Todos estos aspectos pueden representar cambios culturales dentro del ambiente del taller; sin embargo si se es hábil la adaptación será bastante rápida.

 

Uso del C.N.C.

¿Cuándo emplear el C.N.C?

La decisión sobre el cuándo es necesario utilizar M.H.C.N.?, muchas veces se resuelve en base a un análisis de producción y rentabilidad; sin embargo en nuestros países subdesarrollados, muchas veces existe un factor inercial que impide a los empresarios realizar el salto tecnológico en la medida que estas personas se motiven a acercarse a estas tecnologías surgirán múltiples alternativas financieras y de producción que contribuirán a mejorar el aspecto de rentabilidad de este tipo de inversión. Por otro lado una vez tomado este camino se dará una rápida transferencia tecnológica a nivel de las empresas incrementando el nivel técnico. Fenómenos como éstos no son raros, pues se dan muchas veces en nuestros países al nivel de consumidores. Sobre todo en Panamá.

Somos consumidores de productos de alta tecnología y nos adaptamos rápidamente a los cambios que se dan en productos tales como: Equipos de Alta Fidelidad, Automóviles, Equipo de Comunicación y Computadores. Entonces, ¿Por qué ser escépticos? y pensar que no somos capaces de adaptar nuevas tecnologías productivas a nuestra experiencia empresarial.

Veamos ahora como se decide la alternativa de usar o no C.N.C. en términos de producción:

• Cuando se tienen altos volúmenes de producción.

• Cuando la frecuencia de producción de un mismo artículo no es muy alta.

• Cuando el grado de complejidad de los artículos producidos es alto.

• Cuando se realizan cambios en un artículo a fin de darle actualidad o brindar una variedad de modelos.

• Cuando es necesario un alto grado de precisión.

Convencional vs Máquina C.N.C.

Veamos ahora el contraste entre una máquina convencional y una máquina C.N.C.

Máquina Convencional MHCH	Máquina Convencional CNC
Se opera por una sola persona	Una persona puede operar muchas máquinas.
Es necesario localizar por las Plano.	No es necesario localizar medidas el dimensionamiento en dimensiones.
Es necesario la experiencia	No es necesario la experiencia.
El operador tiene el control de profundidad, avance, etc.	El programa tiene todo el Control de los parámetros de corte
Existen trabajos que es imposible realizar.	Luego que se ejecuta el Programa virtualmente se realiza cualquier trabajo.

Maquinas herramientas de control numérico computarizado distribuido (DNC).

Se refiere al modo de operación en la cual múltiples maquinas de CNC y otros equipos de producción (maquinas de medición, robots, presets, etc.) son conectados a una computadora.

La transmisión directa de datos elimina el medio de almacenamiento usado tradicionalmente como: disquetes, cintas magnéticas, etc.

La característica esencial de un sistema DNC es la administración y control de información para múltiples maquinas de DCN, en la cual la computadora puede llegar ha asumir responsabilidad sobre funciones del CNC.

Anteriormente, los CNC tenían poca capacidad de memoria, y tenían que transmitir información bloque por bloque en tiempo real. Ahora los controles de CNC modernos ya no tienen una dependencia critica de la computadora del DNC, ya que pueden trabajar independientemente una vez que tengan el programa almacenado.

Evolución de la tecnología DNC

• Control numérico directo (DNC)

Consiste en una computadora (PC) que se enlace con la unidad de control de maquina (CNC) a través de una línea de conexión serial RS-232C.

• DNC en conexión con el departamento de CAD CAM

Cargar los programas desde computadores de CAD CAM a la PC a través de un enlace de comunicación de computo de alta velocidad ethernet

• DNC en un ambiente de red industrial integrada

Las MHCNC y las computadoras de CAD CAM están enlazadas directamente a través de una red industrial ethernet.

La ultima evolución de comunicación mencionada arriba para cargar programas entre componentes de un taller de maquinados se denomina CNC en red (CNC networking o DCN), donde ya no existen la computadora personal y la comunicación serial, lo anterior mejora la velocidad de transferencia típica de información 960 caracteres por segundo a 1´000,000 de caracteres por segundo logrados a través de una red ethernet, el DCN permite que los programas realizados en el sistema de CAD CAM aparezcan como si ellos estuvieran en la memoria del CNC o en el disco duro.

Funciones de un sistema DNC moderno

• Almacenamiento y administración de programas de CNC con un respaldo periódico automático de la información.

• Transferencia de programas corregidos desde el CNC de regreso hacia el almacenamiento central de los datos.

• Monitoreo de funciones de seguridad básicas diseñadas para prevenir la no autorizada modificación de programas.

• Adicionalmente, puede almacenar y administrar datos de herramientas, valores de compensación y su transferencia a los controles.

• Recolección de datos de manufactura.

• Despliega el status de los controles del taller y el registro histórico de cada una de las maquinas.

Criterio de utilización de un DNC

• Numero de maquinas de CNC

• Numero de programas de CNC

• Tamaño de programas de CNC

• Frecuencia de cambios en los programas

• Administración de herramientas por sistema

• Uso de sistemas de CAD CAM

• Uso de sistemas flexibles de manufactura

Eje Y: desplazamiento transversal del carro portador del cabezal de dentro a fuera

Eje Z: desplazamiento transversal de la mesa portapiezas de arriba abajo.

Eje X: desplazamiento transversal de la mesa portapiezas de izquierda a derecha