Viruta en Máquinas Multieje CNC

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1 48 AUTOMATIZACIÓN Foto: Simulación de Arranque de Viruta en Máquinas Multieje CNC Jorge Andrés García Barbosa* Docente Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Santo Tomás José Manuel Arroyo Osorio* Profesor Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Universidad Nacional de Colombia Ubaldo García Zaragoza* Docente Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Santo Tomás Ernesto Córdoba Nieto* Profesor titular Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Universidad Nacional de Colombia Elimine los costosos tiempos de prueba. El mecanizado virtual es capaz de emular todo tipo de operaciones tecnológicas: torneado, fresado, taladrado, desbastes, acabados, roscados y ranurados especiales; en una gran variedad de máquinas y herramientas CNC: tornos biaxiales, tornos tipo suizo, tornos multi-torreta o centros de mecanizado multieje. Hoy la manufactura metalmecánica es capaz de simular procesos complejos de mecanizado en máquinasherramientas de última generación CNC, basados en información real y datos fiables de rendimiento, lo que optimiza horas de trabajo y permite la disminución ostensible de los errores. La simulación CAD/CAE/CAM en procesos de arranque de viruta es una alternativa más en el camino de la eficiencia y la productividad, ya que a través de la recreación del mecanizado en computadoras, las empresas pueden disponer de sus equipos exclusivamente para el trabajo y no para pruebas o capacitaciones, entre otras ventajas. A su vez, esta tecnología ofrece un gran potencial para la mejora de productos, perfeccionar procesos, reducir el tiempo de salida al mercado y los costos de fabricación.

2 AUTOMATIZACIÓN 49 Para que el mecanizado virtual sea efectivo y cercano a la realidad de la industria nacional, deberán los empresarios comenzar a adentrarse en el tema, como una oportunidad de conocer las posibilidades que les brinda la simulación avanzada, de esa forma podrán aprovechar mejor las virtudes de las máquinas herramientas. Desarrollo de la Simulación En primer lugar, la simulación de una máquina de control numérico consiste en el modelamiento virtual de cada una de las partes (componentes mecánicos) de la misma y su ensamble e integración (cinemática de la máquina), a través de la definición de las restricciones de los movimientos propios del equipo; junto a la integración de un controlador virtual que emule el de la máquina real y esté en capacidad de interpretar los códigos numéricos (NC) [1] (Ver Figura 1). En otras palabras, la simulación consiste en generar modelos virtuales de la máquina y sus componentes en movimiento, para visualizar la manera en que los equipos realizarán el procedimiento de manufactura de las diferentes piezas a través de un software especializado. Los procesos de simulación en máquinas virtuales permiten a los programadores y operarios, visualizar el proceso de mecanizado, verificar el código NC y detectar posibles colisiones entre los componentes del conjunto máquina-herramienta: elementos de sujeción, herramientas y el material en bruto, en la pantalla del computador, antes de ejecutar el proceso en la planta de producción. A futuro, entre los objetivos de la simulación están: poder predecir las características del proceso como las fuerzas de corte, estabilidad, temperaturas, rugosidades y tensiones residuales, etc., sin necesidad de realizar ensayos experimentales reales. Todos los sistemas de simulación CNC comparten características similares e incluyen tanto las herramientas sencillas como las más complejas; en la Ensamble CAD Agregar cinemática figura 2 se puede observar un gráfico que representa los tres aspectos o niveles de la simulación, los cuales se pueden utilizar según los requerimientos del usuario. Estas son: 1) Visualización CAM; 2) Simulación IS&V (Integrated Simulation and Verification) y 3) Simulación Avanzada de IS&V; la primera consiste en simular la trayectoria de la herramienta de corte pero no existe visualización de la cinemática de la máquina (el movimiento); en la segunda se realiza una simulación básica de máquina y su interacción en el proceso de corte con la pieza; finalmente en la tercera se realiza una simulación completa de la cinemática y el controlador de la máquina para visualizar condiciones reales de la máquina. Queda claro que la simulación avanzada IS&V es aquella en la que el usuario emplea y se beneficia al máximo de la tecnología. En este contexto, la posibilidad de realizar Agrega a libreria Crear controlador Figura 1. Diagrama de flujo para implementar una máquina virtual. Adaptado de: [5] IS&V realizado por Est. IM. Jose Baquero Probar simulador simulaciones avanzadas de IS&V se ha convertido en una importante característica de los actuales sistemas CAD/ CAE/CAM, debido a su capacidad de animar exactamente los movimientos de la máquina-herramienta durante el proceso de mecanizado. Tomando en cuenta parámetros de corte y simulando funciones del controlador como macros, subrutinas, ciclos y funciones de los comandos M, G y H. [3] A través del uso de la simulación avanzada de IS&V se puede mejorar la calidad del mecanizado al comparar la parte diseñada con la parte que está siendo manufacturada. Como resultado, se obtienen reducción en los costos debido a la eliminación de tiempos muertos, reducción de intervenciones manuales por el operario y además la minimización del riesgo de daños en la máquina herramienta, elementos de sujeción y partes, al eliminar las colisiones posibles que sin la simulación serían difíciles de detectar. Figura 2. Tipos de simulación de procesos de manufactura. Adaptado de: [2] IS&V realizado por Est. IM. Yamid Reyes

3 50 AUTOMATIZACIÓN La simulación CAD/CAE/CAM es particularmente importante en el ciclo de vida del producto. Una de las grandes ventajas de estos sistemas es que reúne las tres soluciones de ingeniería y estas se desarrollan en una sola plataforma. Las capacidades de las máquinas herramientas virtuales (VMT Virtual Machine Tool) se ha expandido rápidamente en los últimos años, desde simples simulaciones de la trayectoria de la herramienta sobre la materia prima para verificación del código NC y la remoción del material, hasta complejas predicciones de vida de la herramienta, análisis de rugosidad de la superficie resultante, predicción de cargas en el proceso de maquinado, vibraciones y temperatura en la zona de corte [4]. Salvó la fabricación en si misma, comparado con la máquina, el simulador virtual (VMT) no tiene ninguna restricción, ya que la realidad virtual tiene en cuenta los parámetros reales de la máquina y la herramienta, y según los resultados indica si el proceso que se plantea es viable. Adicionalmente, los simuladores presentan una excelente amabilidad con el usuario que tiene poco conocimiento del tema, y se convierten en una ayuda para el aprendizaje de los nuevos trabajadores, eliminando los tiempos muertos y los costos en insumos y materia prima, cuando la capacitación se efectúe en la máquina real. Por otro lado, la empresa puede aprovechar toda la información generada en el proceso de simulación para realizar control de calidad, verificación y descubrir si existen problemas en el proceso. En este caso, el operario le puede comunicar inmediatamente a jefe de operaciones las fallas o, si todo está en orden, proceder a maquinar la pieza con los paramentos establecidos. Una vez la pieza ha sido maquinada, el laboratorio de calidad puede utilizar la información de la simulación para realizar mediciones y comparaciones. Por ejemplo, en la figura 4, se muestra un flujo de trabajo por visualización CAM, donde se realiza únicamente las Evolución del mecanizado y su influencia en las tecnologías de simulación Los nuevos paradigmas de la producción mundial han incrementado la demanda de partes con geometrías libres (Free Form Surfaces) y en materiales difíciles de mecanizar utilizados en las industrias médica, de autopartes y aeroespacial; con restricciones de alta precisión, lotes de producción pequeños y bajo costo de producción. Para cumplir con estos requerimientos, los fabricantes de máquinas-herramientas han desarrollado equipos que posibilitan la disminución del número de montajes con respecto a los procesos secuenciales tradicionales. EVOLUCIÓN FRESADORA 3 EJES TORNO 2 EJES TORNO 4 EJES MÁQUINAS MULTIFUNCIONALES CAMBIO AUTOMATICO DE HERRAMIENTAS CENTRO DE MECANIZADO 5 EJES TORNO CON SUBHUSILLO MÁQUINAS MULTIPROCESO AÑO Figura 3. Evolución de las máquinas herramienta en los últimos 30 años. Adaptado de: Multi-functional Machin Tool [5]. La figura 3 muestra la rápida evolución de las máquinas-herramientas de control numérico en los últimos 30 años, pasando del torno NC (Numerical Control) de dos ejes a las máquinas multifuncionales o multieje con varios grados de ibertad (DOF Degrees Of Freedom). Anteriormente, un componente de revolución que requería de agujeros u operaciones tecnológicas, fuera de su eje de rotación, debía ser fresado o taladrado en una máquina diferente después del proceso de torneado. Con el objeto de producir este tipo de componentes en una sola máquina se integró un pequeño husillo de fresado a la máquina de torneado, evolucionando a lo que hoy se denomina un centro de torneado. A su vez, a las típicas fresadoras verticales de tres ejes se les adaptaron dispositivos que agregan ejes de rotación a los típicos de translación, posibilitando a la herramienta atacar la materia prima desde varios planos de trabajo. A medida que el componente a fabricar se vuelve más complejo, la funcionalidad y el número de grados de libertad a controlar simultáneamente de la máquina-herramienta debe aumentar. Debido a la complejidad de los componentes a fabricar con este tipo de tecnología multieje, en materiales de ingeniería y herramientas especializadas, es necesario desarrollar los productos con el menor número de pruebas, debido a los altos costos de montaje de esta tecnología. Desde otro punto de vista y en paralelo al desarrollo de la tecnología a nivel de máquina, se ha desarrollado software para la programación de trayectorias en estos sistemas complejos, que permiten la simulación del proceso antes de llevarlo a la planta de producción. trayectorias de corte en un software CAM. Después de obtener las trayectorias, es post-procesada la información y llevada a la máquina CNC para realizar una prueba en vacío (máquina real). Si durante la prueba en vacío es detectado un error ya sea por colisión o algún otro factor, se requiere retornar nuevamente a la planeación de trayectorias dejando inhabilitada la maquina CNC hasta que el código pase la prueba de inspección visual de errores. Uno de los problemas con este método es la inversión de tiempo adicional en la puesta a punto del código, que finalmente no garantiza tampoco la eliminación total de los movimientos no deseados que puedan dañar la pieza, las herramientas y/o la máquina durante el proceso real. Por su parte, al implementar un sistema IS&V avanzado en el flujo de trabajo del proceso de mecanizado, se observa la reducción notable de tiempos muertos en los centros CNC. Al generar y simular las trayectorias virtualmente, no se requiere parar el equipo para poner a punto el código y requiere de solo una simulación en vacío que implica menor número de intervenciones del operario, además de garantizar que no existan colisiones entre componentes.

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5 52 AUTOMATIZACIÓN PLANEACIÓN DE TRAYECTORIAS GENERACÓN DE CÓDIGO SIMULACÓN EN VACÍO SIMULADORES IS&V AVANZADOS DESARROLLADOS EN UGS NX DE SIEMENS DESCRIPCIÓN MAQUINA REAL IS&V AVANZADO GEOMETRIA FABRICACIÓN Máquina virtual torno de 2 ejes USTA. Torno CJK6130 con controlador GSK USTA. CORRECCIÓN DE CONDICIONES Figura 4. Diagrama de flujo para fabricación de piezas por el método visualización CAM. Propiedad Autor. Aplicaciones En los procesos de manufactura y en particular en el sector metalmecánico CNC es muy importante desarrollar simulaciones digitales, que permitan verificar las condiciones de proceso y de montaje, debido a los altos costos de la tecnología CNC, de las herramientas de corte y de los materiales especializados de ingeniería. Es de resaltar la flexibilidad de las simulaciones virtuales, puesto que es posible dibujar e incluir en las librerías del software diferentes arquitecturas de máquinas, dispositivos de montaje y herramientas, personalizadas (como con las que se cuenta en la planta del taller), para una mayor confiabilidad en los resultados de la simulación, permitiendo verificar colisiones entre los diferentes elementos del montaje como: portaherramientas, herramientas, materia prima, componentes de la máquina y sistemas de sujeción. En general, el prototipo virtual debe ser lo más parecido a la realidad. Desde las piezas más simples hasta las más complicadas, un sistema IS&V avanzado permite realizar la simulación y programación completamente. Los actuales sistemas CAD/CAE/CAM permiten la implementación de máquinas virtuales para la simulación de las trayectorias de la herramienta, y al incluir la posibilidad de emular el controlador real de la máquina, se convierten también en una poderosa herramienta para la capacitación en la operación de máquinas industriales, puesto que es posible ejecutar programas NC realizados por los programadores desde un archivo de texto plano y los posibles errores cometidos no tienen ninguna consecuencia real. Se destaca que algunos emuladores están en la capacidad de simular procesos de mecanizado realizados por medio de la técnica de programación paramétrica (también conocida como programación con macros). Además de la detección temprana de colisiones, la simulación digital del proceso permite reducir tiempos muertos de manufactura, como los de alistamiento y montaje, puesto que aún en esta etapa del proceso es posible usarla para verificación sin utilizar los recursos reales en pruebas y ensayos. Otro uso, no menos importante, es el de estimar los tiempos de proceso para la planificación de operaciones de una planta. Máquina virtual centro de mecanizado de 3 ejes USTA. CENTRO FINETECH GTX-210. Máquina virtual centro de mecanizado vertical 4 ejes UNAL. CENTRO LEADWELL V29. Máquina virtual centro de mecanizado 5 ejes USTA. CENTRO FINETECH GTX-210. Autores Jorge Andrés García Barbosa. Msc. Ingeniero Mecánico, jorgegarcia@ usantotomas.edu.co Ubaldo García Zaragoza. Ingeniero Mecánico, ubaldogarcia@usantotomas. edu.co José Manuel Arroyo Osorio. PhD Ingeniero Mecánico jmarroyoo@unal. edu.co Ernesto Córdoba Nieto. Profesor universitario, ecordoban@unal.edu.co Agradecimientos José Luis Baquero. Estudiante de Ingeniería Mecánica. Universidad Santo Tomás. josebaquero@usantotomas.edu.co Yamid Gonzálo Reyes. Estudiante de Ingeniería Mecánica. Universidad Santo Tomás. yamidreyes@usantotomas.edu.co Bibliografía [1]Y.Altintas,C.Brecher,M.Weck,andS.Witt, VirtualMachineTool, CIRPAnna ls---manufacturingtechnology,vol.54,no.2,pp ,2005. [2]UGSCorp, AdvancedMachiningApplications, StudentGuide,pp , 200. [3]D.K.BaekandT.J.Ko, Feedrateschedulingforfree---formsurfaceusinganNCv erificationmodel, InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,vol. 48,no.2,pp ,Feb [4] A. Abdul Kadir, X. Xu, ande.hämmerle, Virtualmachinetoolsandvirtualma chining Atechnologicalreview, RoboticsandComputer IntegratedManufac turing,vol.27,no.3,pp ,Jun [5]T.Moriwaki, Multi---functionalmachinetool, CIRPAnnals---Manufacturing Technology,vol.57,no.2,pp ,Jan.2008.

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