EXTENSION DEL MODELO ISO STEP-NC PARA LA AUTOMATIZACION DE MAQUINAS CNC DE CORTE DE PIEDRA CON DISCO

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1 EXTENSION DEL MODELO ISO STEP-NC PARA LA AUTOMATIZACION DE MAQUINAS CNC DE CORTE DE PIEDRA CON DISCO Julio Garrido Campos, Ricardo Marín Martín, José Ignacio Armesto, Juan Sáez López, José Luis Trillo Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática E.T.S. Ingenieros Industriales. Universidad de Vigo {jgarri, marin, armesto, Resumen El estándar internacional ISO STEP (Standard for the Exchange of Product Data Models) ha abordado recientemente la realización de un nuevo estándar para comunicación de sistemas CAM y sistemas CNC con la publicación de una nueva sub-parte de la norma: ISO STEP AP-238. El objetivo de esta nueva extensión de la norma STEP es sustituir a medio plazo a los códigos G&M con los que se programan los controladores de Control Numérico desde hace décadas. En su primera versión, el AP-238 (2007) se ha ocupado de los procesos de fresado y torneado de materiales metálicos, y nuevas extensiones para otros procesos de mecanizado están siendo desarrolladas en distintos centros de investigación: corte de chapas metálicas por láser, corte de contorno de cristal, madera, piedra, mecanizado por descargas eléctricas. Este artículo presenta un primer desarrollo de una extensión del estándar AP-238 para soportar procesos CNC de mecanizado de piedra mediante disco (corte con disco). Con este fin, se ha definido una primera extensión del modelo de datos de la norma AP-238, y se ha realizado una implantación práctica basada en dicho modelo para un sistema CAM/CNC de corte de piedra real. fundamental diferencia es la herramienta utilizada, ya que en el corte de piedra se trata de un disco en lugar de una herramienta de fresa o de torneado, a pesar de existen máquinas de mecanizado de piedra con fresa, con chorro de agua, etc. El uso del disco, por ejemplo, limita a dos el número de ejes que se pueden interpolar con el disco dentro de la piedra, ya que el disco no pude girar en otro plano que no sea el del corte. Sin embargo, para la realización de features complejas, puede ser necesario el posicionamiento de más ejes, por lo que estos movimientos se hacen con el disco fuera de la piedra, llegando a tener máquinas de 5 y más ejes. La segunda diferencia son los efectos de trabajar sobre un material no homogéneo como es la piedra y que pueden condicionar las operaciones de corte y las estrategias si se quieren trabajos optimizados. Las condiciones no homogéneas del proceso de corte pueden ser también debidas debido a las propias condiciones cambiantes del disco de corte, que provoca que, para obtener un proceso optimo, el control y/o el operador deben de tener la habilidad de realizar profundos cambios en mitad del proceso, como el número de cortes en profundidad para hacer un corte (Figura 1) Palabras Clave: Automatización, modelos CAD/CAM/CNC, Sistemas CNC, Automatización de maquinaria de corte de piedra con disco, Standard ISO STEP. 1 INTRODUCCIÓN 1.1 TECNOLOGIA DEl CORTE DE PIEDRA CON DISCO. El sector de la maquinaria de corte de piedra presenta muchas diferencias sustanciales con respecto al de la maquinaria de CNC para mecanizado de piezas metálicas mediante fresado y torneado. La primera y Figura 1: Proceso de corte de una moldura. Por último, los requerimientos del proceso industrial, en general, son algo diferentes en cuanto a precisiones demandadas, variedad y tipo de

2 geometrías, requerimientos de operatividad en la planta, donde prima más, por ejemplo, la simplicidad de uso. 1.2 CONTROL AUTOMATICO DE MAQUINAS DE CORTE DE PIEDRA. A pesar de todo, las máquinas de corte de piedra mediante disco utilizan la misma tecnología para su control (controladores NC, sensores, motores, monitorización, etc.) y, por lo tanto, en muchos casos utilizan los mismos recursos software que las máquinas de mecanizados metálicos: códigos G&M [6] y controladores basados en esta tecnología. A pesar de que estos códigos G&M (estándar ISO) llevan siendo utilizados desde hace 60 años [1], se han convertido en cuello de botella para el desarrollo de sistemas de mecanizado avanzados de ultima generación. Ello debido a que, dado su creciente complejidad, los fabricantes realizan sus propias extensiones y sobre todo a que la información que se le pasa al controlador CNC es limitada. El controlador solo conoce cómo hacer la pieza a través de código G de movimiento de ejes, pero no conocen la geometría de la misma. Por ello, ISO Internacional Estándar Organization ha desarrollado recientemente la realización de un nuevo estándar para comunicación de sistemas CAM y sistemas CNC. Este nuevo Estándar se ha materializado en dos nuevas normas: una, la ISO [7] desarrollada por el ISO TC184/SC1, en donde se define un nuevo modelo de información de alto nivel para intercambio de datos entre sistemas CAM y sistemas CNC. La otra norma desarrollada ha surgido de la adaptación de la ISO a la metodología ISO STEP (Standard for the Exchange of Product Data Models) [8], lo que ha resultado recientemente en la publicación de una nueva sub-parte de dicha norma: ISO STEP AP-238 [2][3][4][9]. Al conjunto de ambas normas se conoce, en la actualidad, como STEP-NC [14]. Con STEP- NC, además de pasarle a la máquina los movimientos de la herramienta e información tecnológica, se le comunica la geometría de las características de fabricación ( features ). Con esta nueva tecnología será posible una integración en base a estándares de sistemas CAD/CAM/CNC [10][15][11], así como el desarrollo de controladores más inteligentes [16]. Dado que el objetivo del estándar es sustituir a medio plazo a los códigos G &M, parece razonable que estos estándares sean capaces de soportar la tecnología de corte por disco. De hecho, hasta la fecha, la primera versión del estándar AP-238 (2007) se ha ocupado de los procesos de fresado y torneado, y nuevas extensiones para otros procesos de mecanizado están siendo desarrolladas en distintos centros de investigación: corte de chapas metálicas por láser, corte de contorno de cristal, madera, piedra, mecanizado por descargas eléctricas [17]. Sin embargo, no se ha investigado ni desarrollado todavía la adaptación de la nueva norma para los procesos de mecanizado por disco en general, y, ni mucho menos, para los procesos de mecanizado de piedra con disco (solamente existe un trabajo para el mecanizado de piedra con STEP-NC pero con tecnología de fresado [18]). 1.3 STEP-NC PARA TECNOLOGIA DE CORTE CON DISCO. Una nueva línea de investigación del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Vigo, ha iniciado recientemente el desarrollo de una extensión de dicho estándar válida para procesos de mecanizado de piedra con disco (corte de piedra con disco). Dada que la maquinaria actual presenta una gran variedad de configuraciones y formas de trabajar, el artículo presenta una primera visión global de esta técnica particular de mecanizado de con sistemas CNC y, al mimo tiempo, pretende sentar las bases para su tratamiento por la tecnología STEP-NC. Se ha desarrollado una extensión del modelo de datos AP-238 para soportar todos los requerimientos de información específicos de esta tecnología. Asimismo, partiendo de dicha extensión, se ha realizado un prototipo de sistema CAM (Computer Aided Manufacturing) que genera ficheros AP-238 conformes con dicha extensión, y que han sido finalmente probados en una máquina de corte de piedra con disco real adaptada para poder interpretar dichas especificaciones. 2 EL LENGUAJE DE PROGRAMACION STEP-NC Las normas ISO e ISO AP-238 son conocidas conjuntamente como STEP-NC, un acrónimo que tiene su origen en el proyecto STEP- NC que se desarrolló en Europa (ESPRIT IV 29708). El esquema de interfaz basado en STEP, en origen centrado en tecnología de fresado, se extendió para contemplar otras operaciones, como torneado y EDM (Electrical Discharge Machinig), en el siguiente proyecto europeo ESPRIT IV entre 1999 y 2001 y en el proyectos internacional IMS STEP-NC [5]. Los resultados de la investigación generaron formalmente las normas ISO y ISO AP Las primeras publicaciones del ISO son de Enero del La primera publicación del ISO 10303:AP238 es del 2007.

3 Figura 2: Modelo de información de STEP-NC. El principio fundamental del modelo de datos de STEP-NC es la visión orientada a objetos de la programación en lo que se refiere a las features de mecanizado, en lugar de un código directo de secuencias de movimientos de ejes y funciones de la herramienta como se definía en la ISO Los objetos en este caso son features de mecanizado y sus datos de proceso asociados [12][13]. En STEP-NC las features se usan para describir los volúmenes que van a ser vaciados por mecanizado para obtener la forma final del workpiece descrito por el CAD. Estas features son reconocidas por el sistema CAM y contienen la geometría final y las tolerancias. En muchos casos la geometría final de la feature puede ser usada directamente, completada con atributos como offsets, la tecnología necesaria, herramientas y estrategia de mecanizado. Sin embargo, dependiendo de la tecnología empleada, la planificación de tareas como la secuencia de workingsteps, el número de cortes de desbaste y finales, especificaciones de calidad como calidad superficial o features de mecanizado adicionales de realce de la forma deben ser creadas por el sistema CAM. Hay cuatro grupos principales de información que deben ser enviados a la máquina CNC (Figura 2): Task description. Geometry description. Technology description. Tool description. En el Task description se describe la secuencia lógica de las tareas a realizar ( executables ) como workingsteps, machining o NC functions y los tipos de datos. Los detalles de cada workingstep se recogen en el Technology description que está relacionado con el Tool description y el Geometry description. Los programas STEP-NC pueden definir un conjunto de tareas complejas estructuradas (workingsteps) para mecanizar las features de una pieza. Esta organización de tareas se modela dentro de la unidad funcional executable. La unidad funcional executable especifica los requerimientos de información necesarios para describir el flujo de control de un programa de mecanizado, así como algunas acciones que no son de mecanizado pero que pueden ser realizadas por el CNC. Su entidad base es la entidad executable, de la cual derivan otros entidades que describen las acciones. Estas entidades derivadas se pueden clasificar en tres tipos de objetos: Workingsteps describen operaciones de fabricación o de preparación que suponen movimientos de ejes. Se ejecutan sobre una pieza (workpiece) y son los bloques formales principales para un programa NC. Las funciones NC, por otro lado, describen operaciones puntuales de encendido y apagado o de eventos singulares que no suponen el movimiento de ejes. Las estructuras de programación se usan para construir bloques lógicos y para la estructuración de las operaciones de fabricación

4 Figura 3: Extensión del modelo STEP-NC para corte de piedra con disco. 3 MODELO DE INFORMACION EXTENDIDO STEP-NC PARA CORTE DE PIEDRA CON DISCO Partiendo del modelo de información de STEP-NC para fresado y torneado, se ha desarrollado una extensión acorde con las particularidades específicas de los procesos de corte de piedra con disco. Este modelo contiene las siguientes unidades funcionales de información: La feature (incluyendo todo lo relativo al workpiece) La operación de corte por disco, que a su vez consta de: Herramienta de corte Tecnología de corte Funciones especificas de la máquina de corte Estrategia de corte Feature. La feature describe las áreas de eliminación de material en el workpiece, además describe el resultado deseado del proceso de mecanizado realizado por la máquina de corte por disco en la piedra. La feature base del mecanizado de piedra con disco es el corte. A partir de ésta se pueden construir features más complicadas como una moldura, a través de un proceso varios cortes desplazados a diferentes profundidades, como se representa en la Figura 4. El proceso termina con una fase de eliminación del material remante entre cortes y un acabado superficial. A continuación se presentan los modelos de alto nivel de algunas de estas entidades, replicando y extendiendo las ya existentes para las otras dos tecnologías Figura 4: Proceso de realización de una moldura.

5 Para la representación de esta feature básica de corte, se ha escogido la feature slot definida ya en el ISO parte 10, por poseer unas características acordes con el corte por disco que se va a llevar a cabo. La siguiente figura (Figura 5) ilustra lo que se ha querido decir respecto a la feature slot : Operación de corte por disco. El siguiente paso será definir la operación a realizar, es decir, que llevará asociada una herramienta de corte, parámetros relacionados con su tecnología, funciones propias de la máquina,. Además, llevará asociada una estrategia de mecanizado, así como estrategias propias de acercamiento y alejamiento de la herramienta en la piedra, es decir, como la herramienta se mueve en el espacio cercano al workpiece. Así, de la misma manera que anteriormente hemos definido la entidad disc cutting workingstep, definimos otra llamada disc cutting machining operation, como un subtipo de machining operation (Figura 7). Disc cutting workingstep Figura 5: Feature Slot. El workingstep describe secuencias de material eliminado, localizaciones y parámetros asociados. Éste asocia la operación de corte con una feature en algún lugar del workpiece. Partiendo de la definición del turning workingstep, se ha definido un disc cutting workingstep (subclase del ya existente en el modelo machining workingstep, y el resultado se puede ver en el siguiente modelo ampliado del machining workingstep de la Figura 6: Figura 7: Disc cutting machining operation. Estrategia de corte Figura 6: Disc cutting workingstep. La máquina de corte dispone de múltiples parámetros para configurar la estrategia a seguir en cuanto a la operación de corte. Por ejemplo, el corte puede efectuarse en la dirección de avance del disco solamente o tanto si avanza como retrocede (corte unidireccional o bidireccional). Dentro de cada

6 estrategia se define la dirección de avance y retroceso, asimismo como el porcentaje de velocidad de corte en las primeras y últimas pasadas. Además, en el caso bidireccional, se puede querer especificar un porcentaje de velocidad de corte en la dirección de retroceso. Otros parámetros adicional generales para ambas estrategias son la longitud de corte, número de primeras pasadas (si se permiten), profundidad de corte en cada avance del disco, dirección de la última pasada y velocidad de subida y bajada del disco (Figura 9). Todas estas estrategias de la operación, se modelan en la entidad abstracta llamada disc cutting strategy, cuyo modelo se representa en la Figura 10. El modelo muestra como para el caso de una estrategia bidireccional, es posible realizar primeras y últimas pasadas. Las primeras pasadas se realizan para marcar el camino a seguir por la herramienta de corte, de forma que se facilite el comienzo de la operación. Las últimas pasadas se realizan de forma diferenciada para, por ejemplo, evitar resquebrajamientos de la piedra. Asimismo se puede especificar su dirección de manera que se pueda colocar el disco en una posición determinada para poder acometer el siguiente corte y optimizar así la operación en proceso. Figura 8: Modelo de datos de la operación de corte. Figura 9: Estrategias de corte.

7 Figura 10: Estrategias de corte trasladadas al modelo extendido de STEP-NC. 4 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Los modelos actuales de ISO y ISO10303:AP238 no están preparados para soportar corte de piedra con disco. Su adaptación pasa por una definición de las features particulares y por las operaciones tecnológicas específicas necesarias para su mecanizado (Figura 11). Es quizás este segundo punto el que es más difícil de abordar ya que es el que más directamente relacionado está con la forma de cortar que tiene cada máquina fabricante. Las primeras a contemplar serían la moldura recta y la moldura curva. Además, para tecnologías de revolución, como columnas, habría que contemplar nuevas estrategias y tecnologías, como el corte con disco torneado. El modelo presentado en este artículo se ha probado para una máquina comercial de corte de piedra con disco y ha demostrado su validez. Agradecimientos Este trabajo está siendo financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia a través del proyecto DPI Referencias [1] Albert M. (2000). STEP NC - The End of G- Codes? Modern Machine Shop, July 2002, [2] Hardwick, M., Loffredo, D. (2001). STEP into NC. Manufacturing Engineering, 126, [3] Hardwick, M. (2004). On STEP-NC and the complexities of product data integration. ACM/ASME Transactions on Computer and Information in Science Engineering, 4, Figura 11: Molduras: Recata (arriba), curva (abajo). [4] Hardwick, M., Loffredo, D. (2006). Lessons learnd implementing STEP-NC AP-238.

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