Introducción al Control Numérico Computarizado ( CNC )

Introducción al CNC (Ingeniería
Industrial – UPIICSA) 

3. Introducción al
   CAD/CAM
4. Procesos de manufactura por
   arranque de viruta
5. Introducción al
   control numérico computarizado
6. Control numérico en la
   ingeniería industrial
7. Unidad de entrada – salida
   de datos
8. Unidad de memoria interna
   e interpretación de órdenes.
9. Programación en
   el control numérico
10. Los famosos
    Blocks en CN
11. Introducción a
    la programación
12. Ciclos
    enlatados o repetitivos.
13. Sinumerik
    3t
14. Características
    técnicas del CNC.
15. Software del
    paquete FAPUC
16. Tendencias de la
    automatización en la industria
    nacional.
17. Referencias

INTRODUCCIÓN:

La máquina herramienta ha jugado un papel
fundamental en el desarrollo
tecnológico del mundo hasta el punto que no es una
exageración decir que la tasa del desarrollo de
máquinas herramientas
gobierna directamente la tasa del desarrollo
industrial.

gracias a la utilización de la máquina
herramienta se ha podido realizar de forma práctica,
maquinaria de todo tipo que, aunque concebida y realizada, no
podía ser comercializada por no existir medios
adecuados para su construcción industrial.

Así, por ejemplo, si para la mecanización
total de un número de piezas fuera necesario realizar las
operaciones de
fresado, mandrinado y perforado, es lógico que se
alcanzaría la mayor eficacia si este
grupo de
máquinas herramientas
estuvieran agrupadas, pero se lograría una mayor eficacia
aún si todas estas operaciones se
realizaran en una misma máquina. Esta necesidad, sumada a
numerosos y nuevos requerimientos que día a día
aparecieron forzaron la utilización de nuevas técnicas
que reemplazaran al operador humano. De esta forma se introdujo
el control
numérico en los procesos de
fabricación, impuesto por
varias razones:

Necesidad de fabricar productos que
no se podían conseguir en cantidad y calidad
suficientes sin recurrir a la automatización del proceso de
fabricación. Necesidad de obtener productos
hasta entonces imposibles o muy difíciles de fabricar, por
ser excesivamente complejos para ser controlados por un operador
humano. Necesidad de fabricar productos a precios
suficientemente bajos.

 Inicialmente, el factor predominante que
condicionó todo automatismo fue el aumento de productividad.
Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de la industria
aparecieron otros factores no menos importantes como la
precisión, la rapidez y la flexibilidad.

Hacia 1942 surgió lo que se podría llamar
el primer control
numérico verdadero, debido a una necesidad impuesta por la
industria
aeronáutica para la realización de hélices
de helicópteros de diferentes configuraciones.

INTRODUCCIÓN AL
CAD/CAM

CAD/CAM, proceso en el
cual se utilizan los ordenadores o computadoras
para mejorar la fabricación, desarrollo y diseño
de los productos. Éstos pueden fabricarse más
rápido, con mayor precisión o a menor precio, con la
aplicación adecuada de tecnología informática.

Los sistemas de
Diseño
Asistido por Ordenador (CAD, acrónimo de Computer Aided
Design) pueden utilizarse para generar modelos con
muchas, si no todas, de las características de un determinado producto.
Estas características podrían ser el
tamaño, el contorno y la forma de cada componente,
almacenados como dibujos bi y
tridimensionales. Una vez que estos datos
dimensionales han sido introducidos y almacenados en el sistema
informático, el diseñador puede manipularlos o
modificar las ideas del diseño con mayor facilidad para
avanzar en el desarrollo del producto.
Además, pueden compartirse e integrarse las ideas
combinadas de varios diseñadores, ya que es posible mover
los datos dentro de
redes
informáticas, con lo que los diseñadores e
ingenieros situados en lugares distantes entre sí pueden
trabajar como un equipo. Los sistemas CAD
también permiten simular el funcionamiento de un producto.
Hacen posible verificar si un circuito electrónico
propuesto funcionará tal y como está previsto, si
un puente será capaz de soportar las cargas pronosticadas
sin peligros e incluso si una salsa de tomate fluirá
adecuadamente desde un envase de nuevo diseño.

Cuando los sistemas CAD se conectan a equipos de
fabricación también controlados por ordenador
conforman un sistema integrado
CAD/CAM (CAM, acrónimo de Computer Aided
Manufacturing).

La Fabricación Asistida por Ordenador ofrece
significativas ventajas con respecto a los métodos
más tradicionales de controlar equipos de
fabricación con ordenadores en lugar de hacerlo con
operadores humanos. Por lo general, los equipos CAM conllevan la
eliminación de los errores del operador y la
reducción de los costes de mano de obra. Sin embargo, la
precisión constante y el uso óptimo previsto del
equipo representan ventajas aún mayores. Por ejemplo, las
cuchillas y herramientas de corte se desgastarán
más lentamente y se estropearían con menos
frecuencia, lo que reduciría todavía más los
costes de fabricación. Frente a este ahorro pueden
aducirse los mayores costes de bienes de
capital o las
posibles implicaciones sociales de mantener la productividad con
una reducción de la fuerza de
trabajo. Los equipos CAM se basan en una serie de códigos
numéricos, almacenados en archivos
informáticos, para controlar las tareas de
fabricación. Este Control Numérico por Computadora
(CNC) se obtiene describiendo las operaciones de la
máquina en términos de los códigos
especiales y de la geometría
de formas de los componentes, creando archivos
informáticos especializados o programas de
piezas. La creación de estos programas de
piezas es una tarea que, en gran medida, se realiza hoy
día por software informático
especial que crea el vínculo entre los sistemas CAD y
CAM.

Las características de los sistemas CAD/CAM son
aprovechadas por los diseñadores, ingenieros y fabricantes
para adaptarlas a las necesidades específicas de sus
situaciones. Por ejemplo, un diseñador puede utilizar el
sistema para crear rápidamente un primer prototipo y
analizar la viabilidad de un producto, mientras que un fabricante
quizá emplee el sistema porque es el único modo de
poder fabricar
con precisión un componente complejo. La gama de prestaciones
que se ofrecen a los usuarios de CAD/CAM está en constante
expansión. Los fabricantes de indumentaria pueden
diseñar el patrón de una prenda en un sistema CAD,
patrón que se sitúa de forma automática
sobre la tela para reducir al máximo el derroche de
material al ser cortado con una sierra o un láser CNC.
Además de la información de CAD que describe el contorno
de un componente de ingeniería, es posible elegir el material
más adecuado para su fabricación en la base de datos
informática, y emplear una variedad de
máquinas CNC combinadas para producirlo. La
Fabricación Integrada por Computadora
(CIM) aprovecha plenamente el potencial de esta tecnología al
combinar una amplia gama de actividades asistidas por ordenador,
que pueden incluir el control de existencias, el cálculo de
costes de materiales y
el control total de cada proceso de producción. Esto ofrece una mayor
flexibilidad al fabricante, permitiendo a la empresa
responder con mayor agilidad a las demandas del mercado y al
desarrollo de nuevos productos.

La futura evolución incluirá la integración aún mayor de sistemas de
realidad
virtual, que permitirá a los diseñadores
interactuar con los prototipos virtuales de los productos
mediante la
computadora, en lugar de tener que construir costosos
modelos o
simuladores para comprobar su viabilidad. También el
área de prototipos rápidos es una evolución de las técnicas
de CAD/CAM, en la que las imágenes
informatizadas tridimensionales se convierten en modelos reales
empleando equipos de fabricación especializado, como por
ejemplo un sistema de estereolitografía.

PROCESOS DE MANUFACTURA
POR ARRANQUE DE VIRUTA

La aplicación del control numérico abarca
gran variedad de procesos.
Aquí se dividen las aplicaciones en dos categorías:
(1) aplicaciones con máquina herramienta, tales como el
taladrado, laminado, torneado, etc., y (2) aplicaciones sin
máquina herramienta, tales como el ensamblaje, trazado e
inspección. El principio de operación común
de todas las aplicaciones del control numérico es el
control del la posición relativa de una herramienta o
elemento de procesado con respecto al objeto a
procesar.

INTRODUCCIÓN AL CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO

El CNC tuvo su origen a principios de los
años cincuenta en el Instituto de Tecnología de
Massachusetts (MIT), en donde se automatizó por primera
vez una gran fresadora.

En esta época las computadoras
estaban en sus inicios y eran tan grandes que el espacio ocupado
por la computadora
era mayor que el de la máquina.

Hoy día las computadoras son cada vez más
pequeñas y económicas, con lo que el uso del CNC se
ha extendido a todo tipo de maquinaria: tornos, rectificadoras,
eletroerosionadoras, máquinas de coser, etc.

CNC significa "control numérico
computarizado".

En una máquina CNC, a diferencia de una
máquina convencional o manual, una
computadora controla la posición y velocidad de los
motores que
accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede
hacer movimientos que no se pueden lograr manualmente como
círculos, líneas diagonales y figuras complejas
tridimensionales.

Las máquinas CNC son capaces de mover la
herramienta al mismo tiempo en los
tres ejes para ejecutar trayectorias tridimensionales como las
que se requieren para el maquinado de complejos moldes y
troqueles como se muestra en la
imagen.

En una máquina CNC una computadora controla el
movimiento de la mesa, el carro y el husillo. Una vez programada
la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por
sí sola, sin necesidad de que el operador esté
manejándola. Esto permite aprovechar mejor el tiempo del
personal para
que sea más productivo.

El término "control numérico" se debe a
que las órdenes dadas a la máquina son indicadas
mediante códigos numéricos. Por ejemplo, para
indicarle a la máquina que mueva la herramienta
describiendo un cuadrado de 10 mm por lado se le darían
los siguientes códigos:

G90 G71
G00 X0.0 Y0.0
G01 X10.0
G01 Y10.0
G01 X0.0
G01 Y0.0

Un conjunto de órdenes que siguen una secuencia
lógica
constituyen un programa de
maquinado. Dándole las órdenes o instrucciones
adecuadas a la máquina, ésta es capaz de maquinar
una simple ranura, una cavidad irregular, la cara de una persona en
altorrelieve o bajorrelieve, un grabado artístico un molde
de inyección de una cuchara o una botella… lo que se
quiera.

 Al principio hacer un programa de
maquinado era muy difícil y tedioso, pues había que
planear e indicarle manualmente a la máquina cada uno de
los movimientos que tenía que hacer. Era un proceso que
podía durar horas, días, semanas. Aún
así era un ahorro de
tiempo comparado con los métodos
convencionales.

Actualmente muchas de las máquinas modernas
trabajan con lo que se conoce como "lenguaje
conversacional" en el que el programador escoge la
operación que desea y la máquina le pregunta los
datos que se requieren. Cada instrucción de este lenguaje
conversacional puede representar decenas de códigos
numéricos. Por ejemplo, el maquinado de una cavidad
completa se puede hacer con una sola instrucción que
especifica el largo, alto, profundidad, posición, radios
de las esquinas, etc. Algunos controles incluso cuentan con
graficación en pantalla y funciones de
ayuda gerométrica. Todo esto hace la programación mucho más rápida
y sencilla.

También se emplean sistemas CAD/CAM que generan
el programa de maquinado de forma automática. En el
sistema CAD (diseño asistido por computadora) la pieza que
se desea maquinar se diseña en la computadora con
herramientas de dibujo y
modelado sólido. Posteriormente el sistema CAM
(manufactura asistida por computadora) toma la información del diseño y genera la
ruta de corte que tiene que seguir la herramienta para fabricar
la pieza deseada; a partir de esta ruta de corte se crea
automaticamente el programa de maquinado, el cual puede ser
introducido a la máquina mediante un disco o enviado
electronicamente.

Hoy día los equipos CNC con la ayuda de los
lenguajes conversacionales y los sistemas CAD/CAM, permiten a las
empresas
producir con mucha mayor rapidez y calidad sin
necesidad de tener personal
altamente especializado.

CONTROL
NUMÉRICO EN LA INGENIERÍA INDUSTRIAL

Definición general:

Se considera control numérico a todo dispositivo
capaz de dirigir posicionamientos de un órgano
mecánico móvil, en el que las órdenes
relativas a los desplazamientos del móvil son elaboradas
en forma totalmente automática a partir de informaciones
numéricas definidas, bien manualmente o por medio de un
programa.

ÁMBITO DE APLICACIÓN DEL CONTROL
NUMÉRICO:

Como ya se mencionó, las cuatro variables
fundamentales que inciden en la bondad de un automatismo son:
productividad, rapidez, precisión y velocidad.

De acuerdo con estas variables,
vamos a analizar qué tipo de automatismo es el más
conveniente de acuerdo al número de piezas a fabricar.
Series de fabricación:

Grandes series: (mayor a 10.000 piezas)

Esta producción está cubierta en la
actualidad por las máquinas transfert, realizadas por
varios automatismos trabajando simultáneamente en forma
sincronizada. Series medias: (entre 50 y 10.000)

Existen varios automatismos que cubren esta gama, entre
ellos los copiadores y los controles numéricos. La
utilización de estos automatismos dependerá de la
precisión, flexibilidad y rapidez exigidas. El control
numérico será especialmente interesante cuando las
fabricaciones se mantengan en series comprendidas entre 5 y 1.000
piezas que deberás ser repetidas varias veces durante el
año. Series pequeñas: (menores a 5 piezas) Para
estas series, la utilización del control numérico
suele no ser rentable, a no ser que la pieza sea lo
suficientemente compleja como para justificarse su programación con ayuda de una computadora.
Pero en general, para producciones menores a cinco piezas, la
mecanización en máquinas convencionales resulta ser
más económica. A continuación, podemos ver
un gráfico que ilustra de forma clara lo expresado
anteriormente.

VENTAJAS DEL CONTROL NUMÉRICO:

 Las ventajas, dentro de los parámetros de
producción explicados anteriormente son:

Posibilidad de fabricación de piezas imposibles o
muy difíciles. Gracias al control numérico se han
podido obtener piezas muy complicadas como las superficies
tridimensionales necesarias en la fabricación de
aviones.

Seguridad. El control numérico es especialmente
recomendable para el trabajo con
productos peligrosos.

Precisión. Esto se debe a la mayor
precisión de la máquina herramienta de control
numérico respecto de las clásicas.

Aumento de productividad de las máquinas. Esto se
debe a la disminución del tiempo total de
mecanización, en virtud de la disminución de los
tiempos de desplazamiento en vacío y de la rapidez de los
pocisionamientos que suministran los sistemas electrónicos
de control.

Reducción de controles y desechos. Esta
reducción es debida fundamentalmente a la gran fiabilidad
y repetitividad de una máquina herramienta con control
numérico. Esta reducción de controles permite
prácticamente eliminar toda operación humana
posterior, con la subsiguiente reducción de costos y tiempos
de fabricación.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL NUMÉRICO.

 Se dividen fundamentalmente en:

Equipos de control numérico de posicionamiento o
punto a punto.

Equipos de control numérico de
contorneo.

 Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior

Supongamos una pieza colocada sobre la mesa (ver
figura), y que en el punto A se quiere realizar una
perforación. Sea el eje X el eje longitudinal de la mesa y
el eje Y el eje transversal. B representa la proyección
del eje del útil sobre la mesa. El problema de llevar el
punto A al punto B se puede resolver de las siguientes
formas:

Accionar el motor del eje Y
hasta alcanzar el punto A´y a continuación el
motor del eje X
hasta alcanzar al punto B.

Análogo al anterior, pero accionando primero el
motor del eje longitudinal y después el del transversal.
Estos dos modos de posicionamiento
reciben el nombre de posicionamiento secuencial y se realiza
normalmente a la máxima velocidad que soporta la
máquina.

Accionar ambos motores a la vez
y a la misma velocidad. En este caso la trayectoria seguida
será una recta de 45º. Una vez llegado la altura
del punto B, el motor del eje Y será parado para continuar
exclusivamente el motor del eje X hasta llegar al punto B. Este
tipo de posicionamiento recibe el nombre de posicionamiento
simultáneo (punto a punto).

Accionamiento secuencial de los motores pero realizando
la aproximación a un punto siempre en el mismo sentido.
Este tipo de aproximación recibe el nombre de
aproximación unidireccional y es utilizado exclusivamente
en los posicionamientos punto a punto.

En un sistema punto a punto, el control determina, a
partir de la información suministrada por el programa y
antes de iniciarse el movimiento, el camino total a recorrer.
Posteriormente se realiza dicho posicionamiento, sin importar en
absoluto la trayectoria recorrida, puesto que lo único que
importa es alcanzar con precisión y rapidez el punto en
cuestión.

Siempre que se quiera realizar trayectorias que no sean
paraxiales (rectas según los ejes) es necesario que el
sistema de control posea características
especiales.

Los equipos que permiten generar curvas reciben el
nombre de equipos de contorneo.

Los sistemas de contorneo gobiernan no sólo la
posición final sino también el movimiento en cada
instante de los ejes en los cuales se realiza la
interpolación. En estos equipos deberá existir una
sincronización perfecta entre los distintos ejes,
controlándose, por tanto, la trayectoria real que debe
seguir la herramienta. Con estos sistemas se pueden generar
recorridos tales como rectas con cualquier pendiente, arcos de
circunferencia, cónicas o cualquier otra curva definible
matemáticamente. Estos sistemas se utilizan, sobre todo,
en fresados complejos, torneados, etc.

Por último, se puede decir que un equipo de
control numérico paraxial puede efectuar los trabajos que
realiza un equipo punto a punto y un equipo de contorneo
podrá realizar los trabajos propios de los equipos punto a
punto y paraxial.

 ARQUITECTURA
GENERAL DE UN CONTROL NUMÉRICO.

 Podemos distinguir cuatro subconjuntos
funcionales:

Unidad de entrada – salida de datos.

Unidad de memoria interna e
interpretación de órdenes.

Unidad de cálculo.

Unidad de enlace con la máquina herramienta y
servomecanismos.

 En la figura de la pagina siguiente se muestra un
diagrama
funcional simplificado de un control numérico de contorneo
de tres ejes.

Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior

UNIDAD DE ENTRADA – SALIDA DE
DATOS

 La unidad entrada de datos sirve para introducir
los programas de mecanizado en el equipo de control
numérico, utilizando un lenguaje inteligible para
éste.

En los sistemas antiguos se utilizaron para la introducción de datos sistemas tipo ficha
(Data Modul) o preselectores (conmutadores rotativos
codificados); los grandes inconvenientes que presentaron estos
métodos, sobre todo en programas extensos, provocó
su total eliminación.

Posteriormente se utilizaba para dicho propósito
la cinta perforada (de papel, milar o
aluminio), por
lo que el lector de cinta se constituía en el
órgano principal de entrada de datos.

Esta cinta era previamente perforada utilizando un
perforador de cinta o un teletipo. El número de agujeros
máximo por cada carácter
era de ocho (cinta de ocho canales). Además de estos
agujeros, existía otro de menor tamaño, ubicado
entre los canales 3 y 4 que permitía el arrastre de la
cinta.

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

Los primeros lectores de cinta fueron
electromecánicos; los cuales utilizaban un sistema de
agujas palpadoras que determinaban la existencia de agujeros o no
en cada canal de la cinta, luego esto actuaba sobre un conmutador
cuyos contactos se abren o cierran dependiendo de la existencia o
no de dichos agujeros.

Luego se utilizaron lectores de cinta
fotoeléctricos, los cuales permitían una velocidad
de lectura de
cinta muy superior. Los mismos constaban de células
fotoeléctricas, fotodiodos o fototransistores como
elementos sensores. Estos
elementos sensibles a la luz, ubicados
bajo cada canal de la cinta (incluso bajo el canal de arrastre).
Una fuente luminosa se colocaba sobre la cinta, de tal forma que
cada sensor producía una señal indicando la
presencia de un agujero que sería amplificada y
suministrada al equipo de control como datos de
entrada.

Otro medio que se utilizaba para la entrada de datos era
el cassette, robusto y pequeño, era más
fácil de utilizar, guardar y transportar que la cinta,
siendo óptima su utilización en medios
hostiles. Su capacidad variaba entra 1 y 5 Mb.

Luego comenzó a utilizarse el diskette. Su
característica más importante era la de tener
acceso aleatorio, lo cual permitía acceder a cualquier
parte del disco en menos de medio segundo. La velocidad de
transferencia de datos variaba entre 250 y 500 Kb / s.

Con la aparición del teclado como
órgano de entrada de datos, se solucionó el
problema de la modificación del programa, que no
podía realizarse con la cinta perforada, además de
una rápida edición de programas y una
cómoda
inserción y borrado de bloques, búsqueda de una
dirección en memoria,
etc.

 UNIDAD DE MEMORIA INTERNA E
INTERPRETACIÓN DE ÓRDENES.

Tanto en los equipos de programación manual como en
los de programación mixta (cinta perforada o cassette y
teclado), la
unidad de memoria interna almacenaba no sólo el programa
sino también los datos máquina y las compensaciones
(aceleración y desaceleración, compensaciones y
correcciones de la herramienta, etc.). Son los llamdos datos de
puesta en operación.

En las máquinas que poseían sólo
cinta perforada como entrada de datos, se utilizaba memorias
buffer.

Luego, con el surgimiento del teclado y la necesidad de
ampliar significativamente la memoria
(debido a que se debía almacenar en la misma un programa
completo de mecanizado) se comenzaron a utilizar memorias no
volátiles (su información permanece almacenada
aunque desaparezca la fuente de potencia del
circuito, por ejemplo en el caso de un fallo en la red) de acceso aleatorio
(denominadas RAM) del tipo
CMOS.

Además poseían una batería
denominada tampón, generalmente de níquel –
cadmio, que cumplían la función de
guardar durante algunos días (al menos tres) todos los
datos máquina en caso de fallo en la red.

Una vez almacenado el programa en memoria, inicia su
lectura para
su posterior ejecución.

Los bloques se van leyendo secuencialmente. En ellos se
encuentra toda la información necesaria para la
ejecución de una operación de
mecanizado.

UNIDAD DE CÁLCULO: Una vez interpretado un bloque
de información, esta unidad se encarga de crear el
conjunto de órdenes que serán utilizadas para
gobernar la máquina herramienta.

Como ya se dijo, este bloque de información
suministra la información necesaria para la
ejecución de una operación de mecanizado. Por lo
tanto, una vez el programa en memoria, se inicia su
ejecución. El control lee un número de bloques
necesario para la realización de un ciclo de trabajo.
Estos bloques del programa son interpretados por el control, que
identifica:

la nueva cota a alcanzar (x, y, z del nuevo punto en el
caso de un equipo de tres ejes), velocidad de avance con la que
se realizará el trayecto, forma a realizar el trayecto,
otras informaciones como compensación de herramientas,
cambio de
útil, rotación o no del mismo, sentido, refrigeración, etc.). La unidad de
cálculo, de acuerdo con la nueva cota a alcanzar, calcula
el camino a recorrer según los diversos ejes.

SERVOMECANISMOS: La función
principal de un control numérico es gobernar los motores
(servomotores) de una máquina herramienta, los cuales
provocan un desplazamiento relativo entre el útil y la
pieza situada sobre la mesa. Si consideramos un desplazamiento en
el plano, será necesario accionar dos motores, en el
espacio, tres motores, y así sucesivamente.

En el caso de un control numérico punto a punto y
paraxial, las órdenes suministradas a cada uno de los
motores no tienen ninguna relación entre sí; en
cambio en un
control numérico de contorneo, las órdenes
deberán estar relacionadas según una ley bien
definida.

Para el control de los motores de la máquina
herramienta se pueden utilizar dos tipos de servomecanismos, a
lazo abierto y a lazo cerrado.

En los de lazo abierto, las órdenes a los motores
se envían a partir de la información suministrada
por la unidad de cálculo, y el servomecanismo no recibe
ninguna información ni de la posición real de la
herramienta ni de su velocidad.

No así en un sistema de lazo cerrado, donde las
órdenes suministradas a los motores dependen a la vez de
las informaciones enviadas por la unidad de cálculo y de
las informaciones suministradas por un sistema de medidas de la
posición real por medio de un captador de posición
(generalmente un encoder), y uno de medida de la velocidad real
(tacómetro), montados ambos sobre la
máquina.