INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA. Principios de Control Numérico Computarizado (CNC) Sánchez A. (BUAP ITS Tepeaca) e-mail: armando_sac@ece.buap.mx Volumen 1. Número 1. Recibido: Enero 2010. Revisado: Febrero 2010. Publicado: Abril 2010. 36
Principios de Control Numérico Computarizado (CNC) Sánchez A. (BUAP ITS Tepeaca) e-mail: armando_sac@ece.buap.mx Volumen 1. Número 1. Resumen. El ciclo de maquinado o conjunto de desplazamientos de los órganos funcionales que se repiten durante el maquinado de cada pieza en una secuencia determinada, se realiza a través de un programa con informaciones geométricas y tecnológicas de programación aplicado a este tipo de maquinas. Cada programa establece un determinado proceso a realizar por la máquina, con lo que una misma máquina puede efectuar automáticamente procesos distintos sin más que sustituir su programa de trabajo. Permite, por tanto, una elevada flexibilidad de funcionamiento con respecto a las máquinas automáticas convencionales en las que los procesos de automatización se conseguían mediante sistemas mecánicos o eléctricos difíciles y a veces casi imposible de modificar. Actualmente en el mundo existe una gran tendencia al incremento de la aplicación industrial de las maquinas de control numérico computarizado y esto se debe a que no obstante constituir un equipamiento que requiere de una inversión inicial grande, brinda un gran numero de posibilidades que las hace rentables en periodos cortos de tiempo. 37
En principio, contrariamente a lo que se pudiera pensar, el Control Numérico Computarizado (CNC) de máquinas herramientas no fue concebido para mejorar los procesos de fabricación, sino para dar solución a problemas técnicos surgidos a consecuencia del diseño de piezas cada vez más difíciles de mecanizar. En general, el incremento en la utilización de máquinas herramientas con CNC se debe a que un gran número de problemas, que se consideraban bien resueltos por los métodos de trabajo clásicos, pueden tener una respuesta ventajosa desde el punto de vista técnico mediante la utilización de dichas máquinas. Hoy día, en un gran numero de países se puede considerar que se están remodelando fabricas y talleres con el objetivo de introducir esta técnica dada las ventajas que la misma presenta, este tipo de maquinaria está siendo implementada en casi todo tipo de fábricas y se prevé que para el año 2001 el 85 % de la producción industrial del mundo se realizará con este tipo de máquinas [8] Palabras clave: CNC, automatización, máquinas, equipamiento, remodelación, torno, fresadora, programación. 38
1. Introducción. 1.1. Definición de control numérico. El control numérico se puede definir de una forma genérica como el dispositivo electrónico de una maquina que, mediante una serie de instrucciones codificadas (el programa), controla su funcionamiento a partir de información de forma numérica que puede ser introducida a partir del propio panel de control de la maquina [1] 1.2. Elementos básicos del control numérico. Cada programa establece un determinado proceso a realizar por la máquina, con lo que una misma máquina puede efectuar automáticamente procesos distintos sin más que sustituir su programa de trabajo, para esto es necesario tener en cuenta los siguientes elementos básicos. El programa, que contiene toda la información de las acciones a ejecutar. El control numérico, que interpreta estas instrucciones, las convierte en las señales correspondientes para los órganos de accionamiento de la máquina y comprueba los resultados. La máquina, que ejecuta las operaciones previstas. 1.3. Aplicaciones del control numérico. En máquinas y herramientas es muy amplia su utilización, tanto en máquinas de arranque de virutas como en máquinas para el conformado de metales. A continuación se cita un grupo de ellas. Tornos Taladradoras Fresadoras Rectificadoras Máquinas de soldar Máquinas de corte Prensas Máquinas trazadoras Dobladoras Plegadoras Robots, etc. En otras industrias como por ejemplo la siderurgia, se utiliza para el control de los trenes de laminación, también se emplea para controlar la composición de la colada de los hornos eléctricos, etc. 1.4. Ventajas fundamentales del Control Numérico Computarizado en máquinas y herramientas. Reducción de tiempos de ciclos operacionales. Ahorro en los costos de preparación. Reducción del porcentaje de piezas defectuosas. Mayor precisión e intercambiabilidad de las piezas. Reducción del tiempo de inspección. 39
Mejora de calidad de los lotes. Ahorro en movimiento de materiales. Posibilidad de hacer formas complicadas. Flexibilidad en la producción. Ahorro en operaciones secundarias. Ahorro de espacio. Reducción de costos en piezas repetibles. Reducción en el número de documentos a emitir para el trabajo. Las palancas son menos o desaparecen ya que los cambios de velocidad son programables. El mecanizado se hace más centralizado. Generalmente la evacuación de la viruta se realiza de forma mecanizada. Posibilidad de posesionar el carro móvil en cualquier lugar de su recorrido [2] 2. La programación durante el trabajo en Máquinas de Control Numérico Computarizado. 2.1. Portadores de programa. El programa para las máquinas de control numérico se puede almacenar en cintas perforadas o tarjetas perforadas o bien se graba en cintas magnéticas llamadas portadores de programa. La cinta perforada se fabrica de papel o de un material opaco sobre base sintética. El programa se almacena perforando la cinta en determinados lugares. Se distinguen dos tipos de cintas perforadas de cinco pistas (con el ancho de 17.5 mm) y de ocho pistas (con el ancho de 25,4 mm). Entre las ventajas de la cinta perforada se pueden mencionar las siguientes: Facilidad de señalar y procesar la información Posibilidad de automatizar el proceso de anotación Bajo precio Posibilidad de uso varias veces, etc. La cinta magnética como portavoz de la información se emplea ampliamente en la técnica de cálculo. El registro en la cinta magnética se hace de manera análoga a la grabación sonora. La cinta magnética con el ancho de 35 mm se fabrica de acetilcelulosa cubierta con una fina capa de emulsión ferromagnética. La cinta está dividida longitudinalmente en siete pistas, en cada una de las cuales se registra la información en correspondencia con el programa de mando. La ventaja fundamental de la cinta magnética consiste en la posibilidad de reproducirse muchas veces, borrarse y registrar nuevos programas de mando. A las inconveniencias debe referirse la influencia que ejerce sobre la cinta magnética el medio exterior (temperatura, humedad, campos magnéticos); también el desgaste bastante rápido de la capa magnética; la acción abrasiva de la capa magnética sobre los elementos del mecanismo de arrastre de la cinta; la necesidad de tener unos aparatos especiales para registrar el programa en la cinta; el consumo de grandes cantidades de cinta [3] 40
2.2. Características de un programador en una maquina de Control Numérico Computarizado. El programador tiene un gran campo de actuación en las máquinas de control numérico ya que tiene que establecer el proceso idóneo a seguir, tipos de instalaciones, cuales son las herramientas a utilizar, que trayectorias deben seguir estas herramientas durante el proceso de mecanizado, establecer las velocidades de operación y el avance en cada fase del trabajo, definir el número de pasadas y ciclos automáticos de a seguir, etc. Por tanto, está claro que el rendimiento de una máquina de control numérico depende en mayor grado del tecnólogo programador, en el caso de las máquinas convencionales el programador decide propiamente la habilidad y profesionalidad del operario, pues el método de trabajo queda en la práctica bajo su influencia, en esencia, el programador debe tener un conocimiento exacto de las prestaciones que le ofrece tanto el control como la maquina y las herramientas. El operador no determina por si el trabajo, sino que su papel consiste en supervisar las operaciones e informar al programador los errores detectados o posibles mejoras susceptibles a introducir durante el trabajo de fabricación. De ahí que es muy importante en el operador la capacidad de analizar tal que se puedan optimizar los siguientes programas. Podemos decir que el programador es el nuevo elemento que aparece en la empresa tras la implantación de la primera máquina de control numérico [3] 2.3. Requisitos de un programador. Buen conocedor de la tecnología a mecanizar, en el caso de un torno, especialista en torneado. Estar al día en sus conocimientos en cuanto a herramientas. Estas evolucionan rápidamente y las máquinas de control numérico están sobredimensionadas para ser capaces de adaptarse a las nuevas herramientas por lo que el programador puede aumentar el rendimiento de la máquina con la aplicación de las nuevas herramientas. Conocer los sistemas de instalación. Ser cuidadoso y responsable en su trabajo. No necesita amplios conocimientos en matemática y electrónica. Sin embargo debe tener algunos conocimientos de geometría y trigonometría para poder calcular puntos que no vengan especificados en los planos. Tener toda la documentación y herramientas necesarias a pie de máquina en el momento de empezar el mecanizado de la pieza o controlar que así sea. Ser responsable máximo del mecanizado de la pieza. Estar a pie de máquina cada vez que se comienza el maquinado de una pieza nueva para, con la colaboración del operario y otros, poder optimizar el programa de mecanizado. 2.4. Etapas en el proceso de mecanizado para un programador. Las prestaciones que ofrece un control son muy variables, dependiendo de la complejidad y sofisticación de la máquina herramienta que gobierna. El control de un centro de mecanizado con cambio automático de piezas y herramientas precisará unas características muy superiores al CN de una taladradora. El control de un torno es diferente al de una fresadora de 5 ejes y un CN convencional tiene poco que ver con un CNC. 41
Dentro de la preparación del trabajo se puede establecer un planteo de cómo y qué secuencias deberá seguir el proceso para poder realizar el mecanizado de una forma segura y rápida. Conocidos los elementos de fabricación disponibles, la definición del proceso de mecanización puede dividirse en las siguientes etapas [4]: Estudio del plano de la pieza a fabricar. Análisis de las operaciones elementales. Selección de la maquina. Selección de las herramientas. Definición de las condiciones técnicas de mecanizado. Diseño de utensilios. Secuenciación de las fases de trabajo. En la fase de estudio del plano, el preparador se informa de las características de las piezas a fabricar: material, dimensiones, cotas, tolerancias, acabados superficiales, etc., datos todos ellos que determinan las máquinas a utilizar. En la fase de análisis de las operaciones elementales, el programador descompone las superficies a mecanizar en tramos correspondientes a las trayectorias que las herramientas pueden seguir. En general sólo son lineales y circulares, sobre superficies planas o de revolución. Este estudio geométrico implica la definición de las cotas de los puntos inicio y final de cada tramo, así como el centro en las circulares. En la fase de selección de máquina se estudia las operaciones que se pueden efectuarse en cada una de las máquinas disponibles, intentando disminuir al máximo el número de cambios de máquina y de atadas de la pieza. En la fase de selección de herramientas se eligen las más adecuadas para cada operación en función de las características de la misma y de las tolerancias y acabados superficiales deseados. En la fase de selección de diseño se estudia, en general, la colocación y fijación de la pieza sobre la máquina, procurando disponer de] máximo de caras y superficies libres para mecanizado y procedimientos flexibles, precisos y rápidos de fijación. En la fase de definición de características técnicas de mecanizado se establecen las velocidades de avance, profundidad de pasada y velocidad de corte adecuadas al material de la pieza según la máquina y herramienta utilizadas, para obtener los ciclos de mecanizado más cortos compatibles con la calidad exigida. En la fase de secuenciación de operaciones se establece el orden en que se mecanizarán las distintas fases dibujando en cada caso un croquis de la zona a mecanizar, las herramientas y fijaciones utilizadas y los parámetros técnicos de fabricación. Terminada la definición del proceso y conocidos los medios a utilizar y las operaciones a efectuar, el programador puede empezar a codificar. En general, esta fase de codificaciones es la que recibe el nombre de programación del control numérico [4] 42 2.5. Programación del Control Numérico. Teniendo la definición del proceso, conocidos los medios a utilizar y las operaciones a efectuar, el programador puede empezar a codificar, esta fase de codificación es la que recibe el nombre de programación del control numérico. En la fase de codificación se transcribe toda la información, según los símbolos y
reglas de sintaxis de un lenguaje comprensible por la máquina un soporte que el control pueda leer. Se recomienda conocer las reglas del lenguaje que facilita el fabricante de la máquina en su manual. 2.5.1. La programación manual. Recibe este nombre la codificación del programa en lenguaje maquina realizada sin apoyo informativo. En este tipo de lenguaje, el programador descompone la información en operaciones elementales a ejecutar por la máquina, por ejemplo, un recorrido, un cambio de herramienta, etc. Cada una de estas operaciones elementales constituye un "bloque" o una fase del programa y es una línea horizontal del mismo. Las diferentes funciones a realizar por la máquina dentro de cada bloque se identifican por el formato del bloque. En los lenguajes de bloques de formato fijo cada posición tiene un significado determinado. En los bloques de formato variable las funciones se identifican con una letra o dirección y los caracteres que siguen a esta letra especifican el valor directo o codificado de esta función. Es decir, un bloque se descompone en "funciones" o palabras definidas por una letra dirección seguida de caracteres numéricos [5]. 2.5.2. Significado según norma DIN 66 o 25, equivalentes a la ISO 1057, las direcciones utilizadas y sus significados son: N. Numeración del bloque. C. Función preparativa. X Y Z. Desplazamiento en las direcciones principales. U V W. Desplazamiento en las direcciones secundarias. P Q R. Desplazamiento según direcciones terciarias. I J K. Coordenadas de centros de círculos. A B C. Rotaciones alrededor de los ejes principales. D E. Rotaciones alrededor de ejes secundarios. F. Velocidad de avance de la herramienta. S. Velocidad de rotación de la herramienta. M. Función auxiliar. Una vez realizada la codificación del programa, se comprueba que en realidad la maquina ejecuta cada operación para la obtención final de una pieza con la forma y acabado deseado. Según el procedimiento utilizado se puede efectuar una simulación previa del mecanizado antes de efectuar la prueba sobre la maquina. Si los medios disponibles no permiten realizar esta simulación, la prueba se realiza en vacío o con un material muy blando para evitar que los posibles errores de programación dañen la pieza o la maquina. En un proceso iterativo de prueba y modificación se obtiene finalmente el programa correcto [5] 2.6. Pasos a seguir para la ejecución de una pieza en una maquina herramienta de CNC. Este diagrama de tareas es el indicado para reducir al mínimo los tiempos improductivos de la maquinas y herramientas de CNC debidos a programación al pie de máquina, prueba, detección de errores, etc. 43
a) Información previa disponible. Información geométrica y tecnológica del plano. Formas, contornos, tolerancias, terminación superficial, material, Nº de piezas a mecanizar, etc. Información de la maquina y herramienta. Potencia disponible, desplazamientos y velocidades máximas, cambio manual o automático de pieza y/o herramienta, herramientas a utilizar, etc. b) Confección del plan de trabajo. Secuencia de operaciones, utensilios, selección de herramientas, selección de avances y velocidades de corte. c) Confección del programa. Estudio geométrico. Determinación de coordenadas de puntos particulares de la pieza, necesarios para la programación. d) Programación en código CNC Prueba del programa. Simulación gráfica en computadora y corrección., e) Preparación de la maquina. Simulación del programa: gráfica y en vacío, corrección y puesta a punto en la maquina herramienta. 3. Características estructurales de los tornos con control numérico. Los tornos de control numérico, comparados con los universales, deben satisfacer requisitos más elevados en cuanto a la fiabilidad, velocidad, rigidez y precisión. Estos tornos pueden clasificarse de la siguiente manera, en tornos con los ejes de husillo horizontal y vertical; por la disposición de las guías, en tornos con ubicación horizontal, vertical e inclinada de éstas; por el número de herramientas usadas durante el trabajo y por el procedimiento aplicado para fijar la pieza a mecanizar, entre las puntas, en el plato o utilizando las puntas o el plato. Los tornos de punta como el mostrado en la figura 3.1 (a), tienen cabezal móvil, dispositivo de apriete y están destinados en lo fundamental para mecanizar diferentes piezas. Los tornos de plato como en la figura 3.1 (b) no tienen cabezal móvil y se destinan para mecanizar piezas cortas fijadas en el plato. Las máquinas y herramientas de puntas y plato se muestran en la figura 3.1 (c) están equipadas con un plato de fijación y la punta móvil. 44
En los tornos de mando numérico programado, la designación de los ejes de coordenadas y de los sentidos de movimientos de los órganos funcionales está ligada con la pieza que se mecaniza y la herramienta [6] Figura 3.1. Variedades estructurales de los tornos con MNP Al programar las operaciones de maquinado, por base se adopta el desplazamiento de la herramienta respecto al sistema de coordenadas de la pieza inmóvil, el cual es un sistema positivo de coordenadas rectangulares (Fig. 3.2) Figura 3.2. Sistema positivo de coordenadas rectangulares X, Y, Z son ejes de coordenadas A, B, C revoluciones respecto a los ejes X, Y, Z respectivamente. 45
El eje Z se establece paralelo al eje del tornillo, el movimiento por este eje en sentido positivo corresponde a la dirección de retiro de la herramienta de la pieza que se maquina. El eje X se adopta paralelo a las guías transversales. El movimiento positivo por el eje X corresponde al retiro de la herramienta instalada en el porta herramienta principal del carrito transversal, a partir del eje de rotación de la pieza que se maquila. Con las letras A, B y C se designan los movimientos rotatorios respecto a los X, Y y Z, respectivamente y a los ejes que están paralelos a aquellos. Los sentidos positivos A, B y C son anti-horario en los sentidos positivos de los ejes X, Y y Z respectivamente. La designación de los ejes de coordenadas y de los sentidos positivos de movimientos en los tornos de control numérico se muestra a continuación. Figura 3.3 Designación de los ejes de coordenadas y de la dirección positiva de movimientos en los tornos de MNP. a) de roscar b) de revolver c) de refrentar d) de carrusel [7] El control numérico se monta sobre todo tipo de máquina herramienta convencional, tanto de arranque de viruta como de trazado y deformación. Sin embargo, el control numérico ha promocionado el desarrollado de dos tipos de máquinas múltiples: El centro de mecanizado, para piezas prismáticas, en el que sobre pieza fija una o más torretas con herramientas giratorias permiten efectuar operaciones de fresado, taladrado, agujereado, etc. Si lleva incorporada mesa giratoria pueden efectuarse operaciones de torno vertical. El centro de torneado, dotado de una o más torretas, con herramientas motorizadas que, además de las clásicas operaciones de torneado permiten efectuar fresados, taladrados, agujereados, etc., tanto axiales como radiales. Las características de precisión exigidas en estas máquinas en condiciones duras de utilización, han modificado las características de diseño de las mismas. En el aspecto estructural se busca una mayor rigidez y 46
ausencia de vibraciones, lo que lleva a la utilización de bastidores de chapa soldada y de hormigón en vez de la clásica fundición. En el diseño de la cadena cinemática se busca disminuir los juegos, rozamientos, vibraciones e inercia de las masas móviles para mejorar la precisión y repetibilidad del posicionamiento de la herramienta, aumentando la rigidez de las guías y utilizando materiales de bajo coeficiente de fricción o sistemas hidrostáticos o de rodadura. Otros puntos en los que se ha mejorado son la estabilidad y uniformidad térmica con potentes sistemas de refrigeración de herramienta, pieza e incluso máquina, y la evacuación de virutas. Sobre las funciones desarrolladas por las máquinas convencionales las máquinas a control numérico incorporan básicamente: Sistemas de posicionado de la herramienta. Sistemas de medición del desplazamiento. Sistemas de medición de piezas y herramientas. Sistemas de control de condiciones de mecanizado. Sistemas de cambio de herramientas. Sistemas de cambio de pieza. A continuación se muestran algunos modelos de tornos de control numérico computarizado y sus características principales [8] Características: Figura 3.4. Torno especial de plato de precisión elevada MK6713C5 con MNP. Carro de movimientos perpendiculares. Portaherramientas para seis cuchillas. Presenta transmisiones hidráulicas. 47
Figura 3.5 Torno modelo 16K2003C5 con MNP. Características: Usado para el mecanizado de superficies exteriores. Ciclo semiautomático cerrado. Para trabajos preferentemente entre centros. El programa de desplazamiento se recoge en la cinta perforada. Grado de precisión elevado. Características: Figura 3.6. Torno automático a CNC modelo INDEX GFG 250. Presenta forma y disposición particular de las torretas revolver. Incorporación libre de colisiones de todas las herramientas. Concebido para trabajos de barra o plato sin contrapunto. Gran potencia de accionamiento y mayor gama de velocidades de las herramientas giratorias. Garantiza una flexibilidad óptima de mecanizado y reducidos costos de fabricación. 48
Datos Técnicos. Paso de la barra ø 60 mm. Diámetro máximo del plato 315 mm. Velocidad máxima 4000 r.p.m. Diámetro sobre bancada 540 mm. Diámetro de torneado 280 mm. Longitud de torneado 500 mm. Figura 3.7. Torno automático de carros múltiples a CNC Modelo INDEX GB 65. Figura 3.8. Disposición de los cabezales automáticos [8] Características: Disminución del tiempo mediante el empleo de varias herramientas simultáneamente. Presenta mando numérico por contorneado CNC, para ambos carros transversales superiores. El motor principal y los accionamientos de los ejes son motores de corriente trifásica regulable. Exento de mantenimientos. Datos Técnicos 49
Paso de la barra ø 65 mm. Diámetro máximo del plato 160 mm. Velocidad máxima 5000 r.p.m. Longitud de torneado 200 mm. Características: Figura 3.9. Torno automático a CNC modelo INDEX GL 200 [8] Sistema automatizado para el suministro de piezas. Ubicación y manipulación por el operario. Disposición de las herramientas en los cabezales transversal y longitudinal. Como se puede ver en la figura 3.10. Figura 3.10 Disposición de las herramientas en los cabezales transversal y longitudinal [8] 50
4. Conclusión. En éste documento podemos apreciar de forma indirecta una aplicación de la informática y las herramientas matemáticas en un conjunto de herramientas que requieren de alta precisión para el diseño de piezas mecánicas. Se pudo apreciar que en los sistemas de Control Numérico es importante el correcto manejo de los lenguajes de programación, esto porque como se menciona a lo largo del artículo los sistemas CNC realizan sus tareas en base a programación y correcta interpretación de los sistemas matemáticos descritos en el espacio de 3 dimensiones 5. Bibliografía. [1] Álvarez T. Informaciones sobre construcción de maquinarias y automatización. Editorial Juceplan, 1992. [2] Balaskshin B. Fundamentos de la tecnología de construcción de maquinarias. Editorial Mir. 1974. [3] Chernov N. Maquinas herramientas para metales. Editorial Mir. 1974. [4] Feschenko V. U Majmuto, R. El torneado. Editorial Mir. Moscú, 1990. [5] Ferrer E. Piloto N. Teoría del corte de los metales. Editorial Pueblo y educación, la Habana, 1983. [6] Gerling H. Alrededor de las maquinas herramientas. Editorial Ciencia y técnica, 1985. [7] Martínez F. Tecnología de los metales II. Editorial Ministerio de educación superior, 1985. [8] Manual de Bodcad. Camvision DEMO. Industrias Viwa, SA de CV, México, DF. Mayo 2001. 51