En mecanizado , el control numérico , también llamado control numérico por computadora ( CNC ), [1] es el control automatizado de herramientas por medio de una computadora . [2] Se utiliza para operar herramientas como taladros , tornos , fresadoras , amoladoras , enrutadores 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 envían 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 por un software gráfico de diseño asistido por computadora (CAD) o de fabricación asistida por computadora (CAM). En el caso de las impresoras 3D, la pieza que se va a imprimir se "corta" antes de que se generen las instrucciones (o el programa). Las impresoras 3D también utilizan código G. [3]
El CNC ofrece una productividad mucho mayor que el mecanizado no computarizado para la producción repetitiva, donde la máquina debe controlarse manualmente (por ejemplo, utilizando dispositivos como volantes o palancas) o mecánicamente mediante guías de patrones prefabricadas (consulte el laminador de pantógrafo ). Sin embargo, estas ventajas tienen un costo significativo en términos de inversión de capital y tiempo de preparación del trabajo. Para algunos trabajos de creación de prototipos y de lotes pequeños , un buen operador de máquina puede tener piezas terminadas con un alto estándar 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 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 , sondas de contacto , etc.), las máquinas modernas suelen combinar varias herramientas en una única "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 varios ejes, normalmente al menos dos (X e Y), [4] y un husillo de herramienta que se mueve en Z (profundidad). La posición de la herramienta se controla mediante motores paso a paso de accionamiento directo o servomotores para proporcionar movimientos de gran 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 bucle cerrado son estándar y necesarios para proporcionar la precisión, la velocidad y la repetibilidad exigidas.
A medida que el hardware del controlador evolucionó, las fresadoras también lo hicieron. Uno de los cambios fue encerrar todo el mecanismo en una gran caja como medida de seguridad (con vidrio de seguridad en las puertas para permitir que el operador controle el funcionamiento de la máquina), a menudo con enclavamientos de seguridad adicionales para garantizar que el operador esté lo suficientemente lejos de la pieza de trabajo para una operación segura. La mayoría de los nuevos sistemas CNC que se construyen hoy en día están controlados 100% electrónicamente.
Los sistemas tipo CNC se utilizan para cualquier proceso que pueda describirse como movimientos y operaciones. Entre ellos se incluyen el corte por láser , la soldadura , la soldadura por fricción y agitación , la soldadura ultrasónica , el corte por llama y plasma , el doblado, el hilado , la perforación de agujeros, el clavado, el pegado, el corte de tela, la costura, la colocación de cintas y fibras, el fresado, la selección y colocación y el aserrado.
Las primeras máquinas CNC se construyeron en las décadas de 1940 y 1950, basadas en herramientas existentes que se modificaron con motores que movían la herramienta o la pieza para seguir los puntos introducidos en el sistema en una cinta perforada . [3] 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 se ha extendido mucho, no solo el fresado y torneado tradicionales , también se instalan otras máquinas y equipos con el CNC correspondiente, lo que hace que la industria manufacturera en su apoyo, mejore enormemente la calidad y la eficiencia. Por supuesto, la última tendencia en CNC [5] es combinar la fabricación sustractiva tradicional con la fabricación aditiva (impresión 3D) para crear un nuevo método de fabricación [6] : la fabricación sustractiva aditiva híbrida (HASM). [7] Otra tendencia es la combinación de IA , utilizando una gran cantidad de sensores , con el objetivo de lograr una fabricación flexible . [8]
Muchas otras herramientas tienen variantes CNC, entre ellas:
En CNC, un "accidente" 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 da como resultado la flexión o rotura de las herramientas de corte, las abrazaderas de accesorios, las prensas y los accesorios, o causando daños a la propia máquina al doblar los rieles guía, romper los tornillos de accionamiento o hacer que los componentes estructurales se agrieten o deformen bajo tensión. Un choque leve puede no dañar la máquina ni las herramientas, pero puede dañar la pieza que se está mecanizando de modo que deba desecharse. Muchas herramientas CNC no tienen un sentido inherente de la posición absoluta de la mesa o las herramientas cuando se encienden. Deben "ponerse en cero" o "regresar a casa" 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 son 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 resulta en una colisión consigo misma o daño 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 modificados 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 husillos y accionamientos de ejes, pero algunas no. Siguen ciegamente el código de mecanizado proporcionado y es responsabilidad del operador detectar si se está produciendo o está a punto de producirse un choque, y cancelar manualmente el proceso activo. Las máquinas equipadas con sensores de carga pueden detener el movimiento de ejes o husillos en respuesta a una condición de sobrecarga, pero esto no evita que se produzca un choque. Solo puede limitar el daño resultante del choque. Es posible que algunos choques nunca sobrecarguen ningún eje o accionamiento de 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". La máquina herramienta puede no detectar 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 próximos movimientos de la herramienta estarán desviados en −178 mm en el eje X y todos los movimientos futuros ahora serán inválidos, lo que puede resultar en más colisiones con abrazaderas, prensas o la propia máquina. Esto es común en sistemas de 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 bucle cerrado, la máquina seguirá 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 prevención de colisiones es posible mediante el uso de sensores de posición absoluta (bandas o discos codificadores ópticos) para verificar que se produjo el movimiento, o sensores de par o sensores de consumo de energía en el sistema de accionamiento para detectar tensiones anormales cuando la máquina debería estar simplemente en movimiento y no cortando, 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 motor paso a paso es perfectamente preciso y nunca da pasos en falso, por lo que el control de la posición de la herramienta simplemente implica contar la cantidad de pulsos enviados al motor paso a paso a lo largo del tiempo. Por lo general, no hay un medio alternativo de control de la posición del motor paso a paso, por lo que no es posible la detección de colisiones o deslizamientos.
Las máquinas CNC comerciales para trabajar metales utilizan controles de retroalimentación de bucle cerrado para el movimiento de los ejes. En un sistema de bucle cerrado, el controlador monitorea la posición real de cada eje con un codificador absoluto o incremental . Una programación de control adecuada reducirá la posibilidad de un choque, pero aún depende del operador y del programador garantizar que la máquina se opere de manera segura. Sin embargo, durante las décadas de 2000 y 2010, el software para la simulación de mecanizado ha estado madurando rápidamente y ya no es raro que todo el entorno de la máquina herramienta (incluidos todos los ejes, husillos, mandriles, torretas, portaherramientas, contrapuntos, accesorios, abrazaderas y material) se modele con precisión con modelos sólidos 3D , lo que permite que el software de simulación prediga con bastante precisión si un ciclo implicará un choque. Aunque dicha simulación no es nueva, su precisión y penetración en el mercado están cambiando considerablemente debido a los avances informáticos. [11]
En los sistemas numéricos de programación CNC, el generador de código puede suponer que el mecanismo controlado es siempre perfectamente preciso, o que las tolerancias de precisión son idénticas para todas las direcciones de corte o movimiento. Si bien el uso común de husillos de bolas en la mayoría de las máquinas de control numérico modernas elimina la gran mayoría de las holguras, aún se deben tener en cuenta. Las herramientas CNC con una gran cantidad de holgura mecánica pueden seguir siendo muy precisas si el mecanismo de accionamiento o de corte solo se acciona para aplicar fuerza de corte desde una dirección, y todos los sistemas de accionamiento se presionan firmemente juntos en esa dirección de corte. Sin embargo, un dispositivo CNC con una gran holgura y una herramienta de corte desafilada pueden provocar vibraciones en la cuchilla y posibles ranuras en la pieza de trabajo. La holgura también afecta a 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 holgura se conoce con precisión mediante codificadores lineales o medición manual.
No se depende necesariamente del mecanismo de gran holgura para que sea preciso en todo momento durante el proceso de corte, pero se puede utilizar algún otro objeto de referencia o superficie de precisión para poner a cero el mecanismo, aplicando una presión firme contra la referencia y estableciéndola como referencia cero para todos los movimientos codificados por CNC siguientes. Esto es similar al método de la máquina herramienta manual de sujetar un micrómetro sobre una viga de referencia y ajustar el cuadrante Vernier a cero utilizando ese objeto como referencia. [ cita requerida ]
En los sistemas de control numérico, la posición de la herramienta se define mediante un conjunto de instrucciones llamado programa de pieza . El control de posicionamiento se maneja utilizando un sistema de bucle abierto o de bucle cerrado. En un sistema de bucle abierto, la comunicación se realiza en una sola dirección: desde el controlador hasta el motor. En un sistema de bucle 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 bucle 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 solo se pueden utilizar en sistemas cerrados.
Las posiciones de los códigos G&M se basan en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensionales . Este sistema es un plano típico que se suele ver en matemáticas al realizar gráficos. Este sistema es necesario para trazar las trayectorias de las máquinas herramienta y cualquier otro tipo de acción que deba realizarse en una coordenada específica. Las coordenadas absolutas son las que se utilizan más comúnmente para las máquinas y representan el punto (0,0,0) en el plano. Este punto se establece en el material en bruto para proporcionar un punto de inicio o "posición inicial" antes de comenzar el mecanizado real.
Los códigos G se utilizan para ordenar movimientos específicos de la máquina, como movimientos de la máquina o funciones de taladrado. 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, y luego otro símbolo de porcentaje (%) 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 fresadora y una de torno, por ejemplo:
[Funciones diversas del código (código M)] [ cita requerida ] . Los códigos M son comandos de máquina diversos que no ordenan el movimiento de los ejes. 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 corte, desactivación de 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 dirección positiva, compensación de longitud de la herramienta)M03 S1200 (el husillo gira en sentido horario a 1200 RPM)G00 X0. Y0. (Travesía rápida a X=0. Y=0.)G00 Z.5 (Travesía rápida a z=.5)G00X1. Y-.75 (Desplazamiento rápido a X1. Y-.75)G01 Z-.1 F10 (Sumergir en la pieza en Z-.25 a 10 pulgadas por minuto)G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (arco cortado en sentido antihorario hasta X.875 Y-.5 con origen del radio en I.625 J-.75)G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (arco cortado en sentido antihorario hasta X.5 Y-.75 con origen de radio en I0.0 J0.0)G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0(arco cortado en sentido antihorario hasta 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 origen de radio que el arco anterior)G00 Z.5 (Travesía rápida a z.5)M05 (el husillo se detiene)G00 X0.0 Y0.0 (El molino regresa al origen)M30 (Fin del programa)%Tener las velocidades y avances correctos en el programa permite una ejecución más eficiente y fluida del producto. Las velocidades y avances incorrectos provocarán daños en la herramienta, el husillo de la máquina e incluso el 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}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
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