8 o CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA Cusco, del 23 al 25 de octubre de 2007

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1 8 o CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA Cusco, del 23 al 25 de octubre de 2007 DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UNA MICROMÁQUINA HERRAMIENTA BASADO EN CÓDIGO ESTÁNDAR PARA CNC Caballero Ruiz A. 1, Silva López H 2, Ruiz Huerta L. 3, Yáñez Soto A 4. Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET), UNAM. Circuito Exterior s/n Ciudad Universitaria Apdo. Postal C.P , Coyoacán, Distrito Federal, México. Tel ext albcaru@servidor.unam.mx, 2 gustorsilva@yahoo.com.mx, 3 leo_ruiz@servidor.unam.mx, 4 ysalfredo@hotmail.com RESUMEN La demanda actual de sistemas con dimensiones pequeñas, del orden de decenas de milímetros y hasta decenas de micrómetros, ha traído como consecuencia el desarrollo de sistemas robustos con buenas características de resolución y repetibilidad. Los sistemas CNC (Control Numérico asistido por Computadora) de dimensiones convencionales, resultan ser una buena opción. Para la creación de sistemas más eficientes, se propone el desarrollo de una nueva alternativa tecnológica basada en la creación de micromáquinas herramienta (MMHs) con dimensiones acordes a las piezas que se desean manufacturar. Dichas micromáquinas basan sus principios de funcionamiento en las máquinas herramienta de dimensiones convencionales, y tienen como ventaja el uso eficiente de recursos tales como espacio y consumo de energía, entre otros [1, 2]. Actualmente, se han desarrollado algunos prototipos de MMHs, los cuales son capaces de producir piezas con dimensiones que van de los 5 mm hasta los 50 µm y pueden hacer tareas de torneado, fresado y taladrado. Los algoritmos de control para estas MMHs están desarrollados en los lenguajes de programación C++ y Basic. Para manufacturar una geometría determinada, es necesario programar todos los movimientos correspondientes, lo cual es muy laborioso, tardado y poco eficiente. En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de control para una MMH basado en códigos estándar de sistemas CNC. Código 604

2 ANTECEDENTES Últimamente muchas áreas de la industria se han inclinado a la miniaturización de sus productos, lo cual ha traído como consecuencia la necesidad de desarrollar microsistemas tales como robots, micromanipuladores y micromáquinas herramienta (MMHs). Desde 1999 el Grupo de Micromecánica y Mecatrónica (GMM) del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET)-UNAM, ha trabajado en una área de investigación enfocada al Desarrollo de sistemas micromecánicos automatizados de bajo costo y dentro de esta área se tiene un campo destinado al Desarrollo de sistemas para la fabricación de dispositivos micromecánicos [1]. Dentro de este campo, el GMM propone el desarrollo de una nueva alternativa tecnológica basada en la creación de MMHs, cuyos principios de funcionamiento sean similares a los de máquinas herramienta de tamaños convencionales, pero con dimensiones acordes a las piezas que se desean fabricar [2]. Como parte de este trabajo se desarrolló un primer prototipo de MMH, la cual se muestra en la figura 1. La dimensiones de esta micromáquina son 130x160x85mm; los ejes X y Z tienen un desplazamiento de 20 mm y el eje Y de 35 mm; se emplean motores de pasos como actuadores; la resolución de avance en los ejes es de 1.88 µm por paso de motor y tiene un error general de maquinado de ±62 µm. El sistema se controla por medio de una computadora personal (PC) a través de dos puertos paralelos [2]; el software de control se ha desarrollado en lenguajes como C++ y Basic. Las señales de control, provenientes de la PC, se envían a una etapa de potencia que permite energizar los motores en una forma adecuada para realizar el proceso de manufactura que se desee. Esta MMH es capaz de fabricar piezas con dimensiones que pueden ir desde 5 mm hasta 50 µm gracias a la ayuda de sistemas de control adaptativo. En la figura 2 se muestran imágenes de algunas piezas manufacturadas con dicho equipo. Figura 1. Primer prototipo de micromáquina herramienta. Figura 2. Piezas fabricadas por el primer prototipo de MMH. Para permitir la interacción del usuario con la MMH, se desarrolló una interfaz computacional en C++. Con la ayuda de esta interfaz es posible establecer parámetros relacionados con la ubicación de la materia prima y de las herramientas dentro del volumen de trabajo de la MMH. Los datos obtenidos con la interfaz son tomados en cuenta para desarrollar el programa de manufactura de la pieza deseada, el cual se lleva a cabo en el mismo lenguaje. Para facilitar el desarrollo del programa se generaron funciones para el movimiento de cada uno de los ejes en ambas direcciones. Lo anterior resulta en una importante desventaja debido a que, cuando se desea manufacturar una pieza de geometría compleja, el proceso de programación se

3 vuelve laborioso y poco eficiente, sin mencionar la poca precisión ocasionada por no tener algoritmos de control basados en movimientos simultáneos de los ejes. Una alternativa para facilitar la programación de la MMH, así como también para mejorar las cualidades de manufactura en el desarrollo de piezas con geometrías complejas, es desarrollar un sistema CNC para incorporarlo a dicha máquina. Los sistemas CNC tienen la capacidad de interpretar instrucciones de código que pueden ser generadas por medio de programas escritos por un usuario o generados por herramientas CAD/CAM. Dichas instrucciones están formadas por combinaciones de letras, números y ciertos símbolos, los cuales, al ser escritos en un orden lógico y de forma predeterminada, permiten el maquinado de una cierta pieza. El conjunto de estas instrucciones es denominado programa CNC [3]. Este tipo de código dota a la máquina de una elevada seguridad, precisión y flexibilidad de funcionamiento. Los programas CNC están formados por dos tipos de código: El código G, el cual está formado por funciones preparatorias que gobiernan los movimientos de los ejes de la máquina (movimientos rápidos, avances, pausas y ciclos especiales); y el código M que está formado por funciones auxiliares que activan procesos tales como, control del líquido enfriador, conexión y dirección del husillo, cambio de herramienta, fin del programa y otras más. Por lo antes expuesto, en este trabajo se propone el desarrollo de un sistema de CNC para una MMH. PROPUESTA Se propone el desarrollo de un sistema de control para una MMH basado en la interpretación de código estándar G y M que esté contenido en un microcontrolador, así como también el desarrollo de una interfaz de usuario que permita visualizar y manufactura piezas micromecánicas a partir de programas CNC generados en software comercial CAD/CAM. Básicamente se pondrá especial atención en tres aspectos: Liberar a la PC del proceso de control para que funcione como una estación de monitoreo; contar con una etapa de postprocesamiento a nivel hardware que permita calcular interpolaciones de tipo lineal y circular para obtener movimientos suaves y precisos; y controlar más de un dispositivo micromecánico con una PC. En la figura 3 se muestra un diagrama de bloques del sistema propuesto. Figura 3. Diagrama del sistema CNC para una MMH. Los sistemas de CNC se gobiernan por un conjunto de aproximadamente 70 instrucciones de código G y 15 instrucciones de código M [3]. La cantidad de instrucciones G y M puede llegar a variar dependiendo del fabricante del sistema CNC. Para el caso del sistema propuesto se contempla que en un inicio contenga las instrucciones mínimas requeridas para llevar a cabo tareas de fresado en dos y medio ejes y tareas de taladrado, para lo cual se calcula que se requieren 15 instrucciones tipo G y 5 instrucciones tipo M. Las instrucciones contempladas de tipo G abarcan códigos relacionados con el cero de programa, tipo de unidades, compensaciones de altura y diámetro de herramientas, interpolaciones tanto lineal como circular, entre otras. Mientras que las instrucciones contempladas de tipo M abarcan acciones como la activación del husillo, cambio de herramienta y fin de programa.

4 DESARROLLO Como primera aproximación al desarrollo del sistema de control propuesto, se ha programado una interfaz computacional en lenguaje Basic [4], capaz de interpretar instrucciones G y M. Este sistema de control hace uso de los recursos del procesador de la PC y envía las señales de control a una etapa de potencia por medio del puerto paralelo, en la figura 4 se presenta un esquema de este sistema. Para manufacturar una pieza, es necesario generar el dibujo en un software tipo CAD y por medio de un software CAM se genera el código correspondiente a la manufactura, dicho código se importa a la aplicación que interpreta el código G y M. En la figura 5 se muestra una pantalla de la aplicación desarrollada. Figura 4. Diagrama de flujo para el reconocimiento de código G y M. Figura 5.Pantalla principal para el control de MMH s. La aplicación ofrece dos modos de control: control por joystick, y control mediante código G y M. Además, existe una rutina destinada a regresar los carros de la MMH a su posición inicial. El modo de control mediante joystick, se utiliza para desplazar a voluntad los carros de la MMH dentro del área de trabajo. Mientras que el modo de control mediante código G y M, consiste en procesar el archivo generado en el software tipo CAM para generar las señales correspondientes a los movimientos de los ejes de la MMH. Dentro de las funciones importantes de esta aplicación se encuentran aquellas para realizar interpolaciones lineal y circular, y una para compensar el juego mecánico, la cual se aplica cuando se detecta un cambio de sentido en el movimiento de los ejes X y Y. Sin embargo, esta aplicación aún cuando ya cumple con el propósito de interpretar código G y M reduciendo considerablemente el tiempo de manufactura de piezas, sigue presentando algunos inconvenientes, como por ejemplo, las interpolaciones lineales y circulares se desarrollan punto a punto, lo cual es ineficiente y causa un incremento en el código de programa. Así mismo, la aplicación se ejecuta en ambiente Windows, lo que limita las frecuencias de accionamiento de los actuadores y hace que el sistema de control sea propenso a fallas por interrupciones del sistema operativo, entre otras desventajas. Para mejorar este sistema, se propone el uso de una tarjeta de control externa basada en un microcontrolador PIC, y una nueva etapa de potencia más eficiente basada en el circuito integrado PBL3717A (ver figura 6). El conjunto de estas dos etapas solucionará los problemas de dependencia de la PC, y la limitación para controlar únicamente cuatro grados de libertad.

5 Figura 6. Sistema de potencia para dos motores a pasos. Para esta propuesta se realizó una investigación acerca de los algoritmos de control comúnmente utilizados en sistemas CNC para desarrollar tareas de interpolación lineal y circular. Básicamente, existen dos tipos de algoritmos: los de referencia de pulsos y los de muestreo de datos. En los primeros, se produce una secuencia de pulsos como señal de referencia para el movimiento de cada eje, así cada pulso generado describe parte de la trayectoria a recorrer y su posición [5]. En los de muestreo de datos, las señales de referencia generadas son palabras binarias, no hay límite en la velocidad pero su programación es más compleja. El algoritmo de interpolación DDA (Diferential Digital Analyzer) es un algoritmo por referencia de pulsos, y es empleado en la mayoría de los sistemas de manufactura CNC, por lo que se decidió emplearlo para el sistema propuesto. La interpolación lineal con DDA consiste en la obtención de las componentes X y Y de la trayectoria rectilínea a recorrer, almacenando estos valores absolutos en los respectivos registros de cada eje (p x, p y ), los cuales se mantendrán fijos durante todo el proceso ya que dichas proyecciones no variarán. La emisión de cada pulso está restringida a una condición de desbordamiento determinada por la longitud de la trayectoria a recorrer (L), y almacenada en los registros de avance, q x y q y. Por último, se crean unos contadores de pasos que verificarán la instancia en que los actuadores empleados lleguen al punto destino [6], ver figura 7. Figura 7. Diagrama de flujo de los algoritmos de interpolación con DDA. El procedimiento que se lleva a cabo para la interpolación circular con DDA, es muy parecido al del caso lineal; solo que ahora los valores absolutos de los registros que almacenan las proyecciones de cada punto de la circunferencia, variarán durante todo el recorrido; esto es debido a que las pendientes de cada una de las trayectorias que aproximarán a la circunferencia o arco serán diferentes en todo momento. El desarrollo de esta propuesta implica también programar una nueva interfaz que limite el papel de la PC al envío y recepción de caracteres que activen el proceso de control. En consecuencia, se tiene en proceso el desarrollo una interfaz programada en Visual Basic, y en cuyas ventanas se da el estado de los diferentes parámetros de monitoreo tales como posición, avance, velocidad y estado de los actuadores; se proporcionan tres modalidades de operación: movimiento por JOYSTICK, por ejecución de una línea de CÓDIGO y

6 por PROGRAMA importado ; y se permite configurar algunas características de accionamiento de las MMH, ver figura 8. Figura 8. Modalidades de operación (izq) y Control por Joystick (der). En el siguiente apartado, se muestran los resultados obtenidos con el prototipo de CNC basado en una PC y los resultados que se tienen hasta este momento con los avances en el desarrollo del sistema CNC basado en una tarjeta de control externa. PRUEBAS Y RESULTADOS Para el primer sistema desarrollado, se realizaron pruebas a las señales de control generadas por la PC a través de los puertos paralelos. Una de las pruebas realizadas fue la evaluación de las señales producidas para una fase del actuador en una interpolación lineal con pendiente de un medio. En la figura 9 se muestra una imagen de las señales de control para el eje X (canales 1 y 2) y para el eje Y (canales 3 y 4). Otra prueba que se realizó estuvo encaminada a determinar el juego mecánico presentado en los ejes para incorporar su compensación. El juego mecánico encontrado fue 654 µm para el eje X y de 302 µm para el eje Y. En la figura 10 se aprecian maquinados de interpolaciones lineales y circulares después de aplicar la compensación de juego mecánico en el sistema de control. En la tabla 1 se muestran algunos datos referentes a las pruebas de movimiento realizadas. Figura 9. Señales de control de la PC. Figura 10. Maquinados con interpolaciones. Tabla 1. Resultados de los maquinados de la figura 11. Pieza Dimensiones [mm] Duración [min] Observaciones Rectángulo con los vértices unidos X = 10 por Y = 5 16:56 La distancia obtenida entre el punto A y B fue de 0.233mm, y la posición de C(5.118, 2.562)mm con respecto al centro. Circunferencia Diámetro = 10 10:58 El diámetro horizontal fue de 9.083mm, mientras que el vertical fue de 9.178mm

7 Posteriormente, se llevaron a cabo pruebas de interpretación de códigos G y M. La figura 11 muestra la evaluación de movimientos para la manufactura del logotipo del GMM, el cual consistió en un programa CNC de 83 líneas; de igual forma, se muestra también la aplicación del sistema de control al momento de hacer dicha prueba. Figura 11. Maquinados correspondientes al logotipo del GMM. Por otra parte, las pruebas al hardware de control del sistema CNC que se propone como mejora, consistieron en evaluar las señales de control generadas por la tarjeta controladora (canal 1 y 2 de la gráfica) y las señales generadas por la etapa de potencia correspondiente (canal 3 y 4 de la gráfica), dichos resultados se muestran en la figura 12. Actualmente, se han programado y simulado algoritmos de interpolación lineal y circular basados en DDA, cuyos resultados se muestran en la figura 13. Estos algoritmos de control serán programados, en conjunto con las rutinas relacionadas con los códigos G y M, en el microcontrolador empleado. Se espera que este sistema CNC sea implementado en una nueva versión de MMH con mejores características de precisión y juego mecánico. Figura 12. Señales generadas por la tarjeta de control y el sistema de potencia.

8 . Figura13. Simulación de interpolaciones desarrollada bajo el algoritmos de tipo DDA. CONCLUSIONES En este trabajo se presentaron dos propuestas de sistemas CNC para el control de una MMH, uno de ellos está concluido y funciona correctamente pero presenta desventajas que hacen al sistema poco robusto, mientras que el segundo está en fase de desarrollo. Se pretende incluir en éste último sistema CNC algunas rutinas para corregir fuentes de error presentadas en las MMHs que permitan tener mejores características de manufactura. Así mismo, el segundo sistema propuesto pretende, no solo reducir el tiempo del proceso de manufactura, sino también ser un sistema robusto que permita reducir la dependencia que se tiene con la PC, además de aumentar el rango de frecuencias de accionamiento de los actuadores empleados gracias al uso de un dispositivo programable externo. AGRADECIMIENTOS Parte de este trabajo fue apoyado por los proyectos CONACYT-2005-C /A-1, CONACYT y CONACYT CB J1. REFERENCIAS 1. E. Kussul, L. Ruiz Huerta, A. Caballero Ruiz. Guidelines for design low cost micromechanics. UNAM, México City (1998). 2. A. Caballero. Caracterización de un microcentro de maquinado de bajo costo. Caso de estudio, México, D.F, 25-31, septiembre P. Smid, A comprehensive Guide to Practical CNC Programming. CNC Programming Handbook. Segunda edición. Industrial Press, INC. Nueva York, Nueva York, A. Yáñez Soto. Desarrollo de una interfaz computacional para el control de Micromáquinas-Herramienta. Tesis de Licenciatura en Computación. México, D.F. Ciudad Universitaria, Facultad de Ingeniería. Marzo, Koren, Yoram. Computer control of manufacturing systems. 2da.edición. McGraw Hill. Cap.5 Interpolators for manufacturing systems pag Kennet and Melvin Goldberg. XY Interpolation algorithms Pine Street, Apt, F. Philadelphia, Pennsylvania