En el mecanizado , el control numérico , también llamado control numérico por ordenador ( CNC ), [1] es el control automatizado de herramientas por medio de un ordenador . Se utiliza para operar herramientas como taladros , tornos , fresas , amoladoras , fresadoras e impresoras 3D . El CNC transforma una pieza de material ( metal , plástico , madera, cerámica, piedra o compuesto) en una forma específica siguiendo instrucciones programadas codificadas y sin un operador manual que controle directamente la operación de mecanizado.
Una máquina CNC es una herramienta maniobrable motorizada y, a menudo, una plataforma maniobrable motorizada, ambas controladas por una computadora, de acuerdo con instrucciones de entrada específicas. Las instrucciones se entregan a una máquina CNC en forma de un programa secuencial de instrucciones de control de la máquina, como código G y código M, y luego se ejecutan. El programa puede ser escrito por una persona o, mucho más a menudo, generado mediante software de diseño gráfico asistido por computadora (CAD) o de fabricación asistida por computadora (CAM). En el caso de las impresoras 3D, la pieza a imprimir se "corta" antes de generar las instrucciones (o el programa). Las impresoras 3D también utilizan código G. [2]
El CNC ofrece una productividad mucho mayor que el mecanizado no computarizado para producción repetitiva, donde la máquina debe controlarse manualmente (por ejemplo, utilizando dispositivos como volantes o palancas) o mecánicamente mediante guías de patrones prefabricadas (ver molino de pantógrafo ). Sin embargo, estas ventajas tienen un costo significativo tanto en términos de gasto de capital como de tiempo de preparación del trabajo. Para algunos prototipos y trabajos de lotes pequeños , un buen operador de máquina puede tener piezas terminadas con un alto nivel mientras un flujo de trabajo CNC aún está en configuración.
En los sistemas CNC modernos, el diseño de una pieza mecánica y su programa de fabricación están altamente automatizados. Las dimensiones mecánicas de la pieza se definen mediante software CAD y luego se traducen en directivas de fabricación mediante software CAM. Las directivas resultantes se transforman (mediante el software de " postprocesador ") en los comandos específicos necesarios para que una máquina en particular produzca el componente y luego se cargan en la máquina CNC.
Dado que cualquier componente en particular puede requerir el uso de varias herramientas diferentes ( taladros , sierras , etc.), las máquinas modernas a menudo combinan varias herramientas en una sola "célula". En otras instalaciones se utilizan varias máquinas diferentes con un controlador externo y operadores humanos o robóticos que mueven el componente de una máquina a otra. En cualquier caso, la serie de pasos necesarios para producir cualquier pieza está altamente automatizada y produce una pieza que cumple con todas las especificaciones del dibujo CAD original, donde cada especificación incluye una tolerancia.
El movimiento consiste en controlar múltiples ejes, normalmente al menos dos (X e Y), [3] y un husillo de herramienta que se mueve en Z (profundidad). La posición de la herramienta es impulsada por motores paso a paso de accionamiento directo o servomotores para proporcionar movimientos de alta precisión o, en diseños más antiguos, motores a través de una serie de engranajes reductores. El control de bucle abierto funciona siempre que las fuerzas se mantengan lo suficientemente pequeñas y las velocidades no sean demasiado grandes. En las máquinas comerciales para trabajar metales , los controles de circuito cerrado son estándar y necesarios para proporcionar la precisión, velocidad y repetibilidad exigidas.
A medida que el hardware del controlador evolucionó, las propias fábricas también evolucionaron. Un cambio ha sido encerrar todo el mecanismo en una caja grande como medida de seguridad (con vidrio de seguridad en las puertas para permitir al operador monitorear el funcionamiento de la máquina), a menudo con interbloqueos de seguridad adicionales para garantizar que el operador esté lo suficientemente lejos del lugar de trabajo. pieza para una operación segura. La mayoría de los nuevos sistemas CNC construidos hoy en día están controlados 100% electrónicamente.
Los sistemas tipo CNC se utilizan para cualquier proceso que pueda describirse como movimientos y operaciones. Estos incluyen corte por láser , soldadura , soldadura por fricción y agitación , soldadura ultrasónica , corte por llama y plasma , doblado , hilado, perforado, fijación con alfileres, pegado, corte de tela, costura, colocación de cinta y fibra, enrutamiento, selección y colocación, y aserrado.
Las primeras máquinas CNC se construyeron en las décadas de 1940 y 1950, basándose en herramientas existentes que se modificaban con motores que movían la herramienta o pieza para seguir puntos alimentados al sistema en cinta perforada . [2] Estos primeros servomecanismos se ampliaron rápidamente con computadoras analógicas y digitales, creando las modernas máquinas herramienta CNC que han revolucionado los procesos de mecanizado.
Ahora el CNC en el campo de la fabricación de procesamiento ha sido muy extenso, no solo el fresado y torneado tradicional , también se instalan otras máquinas y equipos con el CNC correspondiente, lo que hace que la industria manufacturera lo apoye, mejorando enormemente la calidad y la eficiencia. Por supuesto, la última tendencia en CNC [4] es combinar la fabricación sustractiva tradicional con la fabricación aditiva (impresión 3D) para crear un nuevo método de fabricación [5] : la fabricación sustractiva aditiva híbrida (HASM). [6] Otra tendencia es la combinación de la IA , utilizando una gran cantidad de sensores , con el objetivo de lograr una fabricación flexible . [7]
Muchas otras herramientas tienen variantes CNC, que incluyen:
En CNC, un "choque" ocurre cuando la máquina se mueve de tal manera que es perjudicial para la máquina, las herramientas o las piezas que se están mecanizando, lo que a veces resulta en la flexión o rotura de herramientas de corte, abrazaderas accesorias, prensas y accesorios, o provocando Daños a la propia máquina al doblar los rieles guía, romper los tornillos de accionamiento o provocar que los componentes estructurales se agrieten o deformen bajo tensión. Es posible que un choque leve no dañe la máquina ni las herramientas, pero puede dañar la pieza que se está mecanizando, por lo que debe desecharse. Muchas herramientas CNC no tienen un sentido inherente de la posición absoluta de la mesa o las herramientas cuando se encienden. Deben "colocarse" o "ponerse a cero" manualmente para tener alguna referencia desde la cual trabajar, y estos límites son solo para determinar la ubicación de la pieza con la que trabajar y no constituyen un límite de movimiento estricto en el mecanismo. A menudo es posible conducir la máquina fuera de los límites físicos de su mecanismo de accionamiento, lo que provoca una colisión consigo misma o daños al mecanismo de accionamiento. Muchas máquinas implementan parámetros de control que limitan el movimiento del eje más allá de un cierto límite, además de interruptores de límite físicos . Sin embargo, estos parámetros a menudo pueden ser cambiados por el operador.
Muchas herramientas CNC tampoco saben nada sobre su entorno de trabajo. Las máquinas pueden tener sistemas de detección de carga en los ejes y husillos, pero algunas no. Siguen ciegamente el código de mecanizado proporcionado y depende del operador detectar si se está produciendo o está a punto de ocurrir un accidente, y del operador cancelar manualmente el proceso activo. Las máquinas equipadas con sensores de carga pueden detener el movimiento del eje o del husillo en respuesta a una condición de sobrecarga, pero esto no evita que se produzca un choque. Sólo podrá limitar los daños resultantes del accidente. Es posible que algunos accidentes nunca sobrecarguen ningún eje o accionamiento del husillo.
Si el sistema de accionamiento es más débil que la integridad estructural de la máquina, entonces el sistema de accionamiento simplemente empuja contra la obstrucción y los motores de accionamiento "se deslizan en su lugar". Es posible que la máquina herramienta no detecte la colisión o el deslizamiento, por lo que, por ejemplo, la herramienta ahora debería estar a 210 mm en el eje X, pero, de hecho, está a 32 mm donde golpeó la obstrucción y siguió deslizándose. Todos los siguientes movimientos de la herramienta tendrán un desfase de −178 mm en el eje X y todos los movimientos futuros ahora no serán válidos, lo que puede provocar más colisiones con abrazaderas, prensas o la propia máquina. Esto es común en sistemas paso a paso de bucle abierto, pero no es posible en sistemas de bucle cerrado a menos que se haya producido un deslizamiento mecánico entre el motor y el mecanismo de accionamiento. En cambio, en un sistema de circuito cerrado, la máquina continuará intentando moverse contra la carga hasta que el motor de accionamiento entre en una condición de sobrecarga o un servomotor no pueda llegar a la posición deseada.
La detección y evitación de colisiones es posible mediante el uso de sensores de posición absoluta (tiras o discos codificadores ópticos) para verificar que se produjo movimiento, o sensores de torsión o sensores de consumo de energía en el sistema de transmisión para detectar tensiones anormales cuando la máquina debería estar en movimiento. y no cortar, pero estos no son un componente común de la mayoría de las herramientas CNC para aficionados. En cambio, la mayoría de las herramientas CNC para aficionados simplemente se basan en la supuesta precisión de los motores paso a paso que giran una cantidad específica de grados en respuesta a los cambios del campo magnético. A menudo se supone que el paso a paso es perfectamente preciso y nunca da pasos en falso, por lo que el monitoreo de la posición de la herramienta simplemente implica contar el número de pulsos enviados al paso a paso a lo largo del tiempo. Generalmente no está disponible un medio alternativo para monitorear la posición del motor paso a paso, por lo que no es posible la detección de choques o resbalones.
Las máquinas comerciales para trabajar metales CNC utilizan controles de retroalimentación de circuito cerrado para el movimiento de los ejes. En un sistema de circuito cerrado, el controlador monitorea la posición real de cada eje con un codificador absoluto o incremental . La programación adecuada del control reducirá la posibilidad de un accidente, pero aún depende del operador y del programador garantizar que la máquina funcione de manera segura. Sin embargo, durante las décadas de 2000 y 2010, el software para la simulación de mecanizado ha ido madurando rápidamente y ya no es infrecuente para toda la máquina herramienta (incluidos todos los ejes, husillos, mandriles, torretas, portaherramientas, contrapuntos, fijaciones, abrazaderas, y stock) para ser modelados con precisión con modelos sólidos 3D , lo que permite que el software de simulación prediga con bastante precisión si un ciclo implicará una colisión. Aunque este tipo de simulación no es nueva, su precisión y penetración en el mercado están cambiando considerablemente debido a los avances informáticos. [12]
Dentro de los sistemas numéricos de programación CNC, el generador de códigos puede asumir que el mecanismo controlado es siempre perfectamente preciso o que las tolerancias de precisión son idénticas para todas las direcciones de corte o movimiento. Esta no siempre es una condición real de las herramientas CNC. Las herramientas CNC con una gran cantidad de juego mecánico aún pueden ser muy precisas si el mecanismo de accionamiento o corte solo se acciona para aplicar fuerza de corte desde una dirección, y todos los sistemas de accionamiento se presionan firmemente entre sí en esa dirección de corte. Sin embargo, un dispositivo CNC con un gran juego y una herramienta de corte desafilada pueden provocar vibraciones en el cortador y posibles ranuras en la pieza de trabajo. El juego también afecta la precisión de algunas operaciones que implican inversiones del movimiento del eje durante el corte, como el fresado de un círculo, donde el movimiento del eje es sinusoidal. Sin embargo, esto se puede compensar si la cantidad de juego se conoce con precisión mediante codificadores lineales o mediciones manuales.
No necesariamente se confía en que el mecanismo de alto juego en sí sea repetidamente preciso para el proceso de corte, pero se puede usar algún otro objeto de referencia o superficie de precisión para poner a cero el mecanismo, aplicando una presión fuerte contra la referencia y estableciendo eso como las referencias cero para todos los siguientes movimientos codificados por CNC. Esto es similar al método de la máquina herramienta manual de sujetar un micrómetro a un haz de referencia y ajustar el dial Vernier a cero usando ese objeto como referencia. [ cita necesaria ]
En los sistemas de control numérico, la posición de la herramienta está definida por un conjunto de instrucciones llamado programa de pieza . El control de posicionamiento se maneja mediante un sistema de circuito abierto o de circuito cerrado. En un sistema de bucle abierto, la comunicación se produce en una sola dirección: del controlador al motor. En un sistema de circuito cerrado, se proporciona retroalimentación al controlador para que pueda corregir errores de posición, velocidad y aceleración, que pueden surgir debido a variaciones en la carga o la temperatura. Los sistemas de circuito abierto son generalmente más baratos pero menos precisos. Los motores paso a paso se pueden utilizar en ambos tipos de sistemas, mientras que los servomotores sólo se pueden utilizar en sistemas cerrados.
Todas las posiciones de los códigos G&M se basan en un sistema de coordenadas cartesiano tridimensional . Este sistema es un plano típico que se ve a menudo en matemáticas al realizar gráficas. Este sistema es necesario para trazar las trayectorias de la máquina herramienta y cualquier otro tipo de acciones que deban ocurrir en una coordenada específica. Las coordenadas absolutas son las que generalmente se usan más comúnmente para las máquinas y representan el punto (0,0,0) en el plano. Este punto se establece en el material original para proporcionar un punto de partida o "posición inicial" antes de comenzar el mecanizado real.
Los códigos G se utilizan para controlar movimientos específicos de la máquina, como movimientos de la máquina o funciones de perforación. La mayoría de los programas de código G comienzan con un símbolo de porcentaje (%) en la primera línea, seguido de una "O" con un nombre numérico para el programa (es decir, "O0001") en la segunda línea, luego otro porcentaje (% ) símbolo en la última línea del programa. El formato de un código G es la letra G seguida de dos o tres dígitos; por ejemplo G01. Los códigos G difieren ligeramente entre una aplicación de fresado y de torno, por ejemplo:
[Código de funciones varias (código M)] [ cita necesaria ] . Los códigos M son comandos diversos de máquina que no controlan el movimiento del eje. El formato de un código M es la letra M seguida de dos o tres dígitos; Por ejemplo:
%O0001G20 G40 G80 G90 G94 G54 (pulgadas, cancelación de compensación de cortador, desactiva todos los ciclos fijos, mueve los ejes a las coordenadas de la máquina, avance por minuto, sistema de coordenadas de origen)M06 T01 (Cambio de herramienta a herramienta 1)G43 H01 (Compensación de longitud de herramienta en sentido positivo, compensación de longitud de la herramienta)M03 S1200 (El husillo gira en sentido horario a 1200 RPM)G00X0. Y0. (Viaje rápido a X=0. Y=0.)G00 Z.5 (Avance rápido a z=.5)G00X1. Y-.75 (Desplazamiento rápido a X1. Y-.75)G01 Z-.1 F10 (Sumérgete en la pieza en Z-.25 a 10 pulgadas por minuto)G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (arco CCW cortado a X.875 Y-.5 con origen de radio en I.625 J-.75)G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (arco CCW cortado a X.5 Y-.75 con origen de radio en I0.0 J0.0)G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0 (arco CCW cortado a X.75 Y-.9375 con origen de radio en I0.0 J0.0)G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (arco CW cortado a X1. Y-1.25 con origen de radio en I.75 J-1.25)G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (arco CW cortado a X.75 Y-1.5625 con el mismo radio de origen que el arco anterior)G02 X.5 Y-1.25 I0.0 J0.0 (Arco CW cortado a X.5 Y-1.25 con el mismo radio de origen que el arco anterior)G00 Z.5 (Marcha rápida a z.5)M05 (paradas del husillo)G00 X0.0 Y0.0 (El molino regresa al origen)M30 (Fin del programa)%Tener las velocidades y avances correctos en el programa proporciona una ejecución del producto más eficiente y fluida. Las velocidades y avances incorrectos causarán daños a la herramienta, al husillo de la máquina e incluso al producto. La forma más rápida y sencilla de encontrar estos números sería utilizar una calculadora que se puede encontrar en línea. También se puede utilizar una fórmula para calcular las velocidades y avances adecuados para un material. Estos valores se pueden encontrar en línea o en el Manual de maquinaria .
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
Medios relacionados con el control numérico informático en Wikimedia Commons