Sistema CNC, control numerico

MATERIA: PROCESOS DE FABRICACIÓN

ING. MECATRÓNICA.

TEMA:

SISTEMA CNC

H. Veracruz, Ver. A 12 de Noviembre del 2012.

1.- ¿QUÉ ES UN SISTEMA CNC?Es un sistema que permite controlar en todo momento la posición de un elemento físico, normalmente una herramienta que está montada en una máquina. Esto quiere decir que mediante un software y un conjunto de órdenes, controlaremos las coordenadas de posición de un punto (la herramienta) respecto a un origen (0,0,0 de máquina), o sea, una especie de GPS pero aplicado a la mecanización, y muchísimo más preciso.

Si vemos el cubo de la imagen, cada una de las aristas tiene unas coordenadas propias e únicas; así, si quisiéramos dirigir una punta de una herramienta, a tocar cada una de estas coordenadas, sólo tendríamos que introducir las órdenes pertinentes en el programa, y cargarlo en la máquina que se encargará de ejecutar los diferentes caminos. La primer cifra representa el desplazamiento sobre el eje X, la segunda sobre el Y, y la tercera sobre el Z.

Así pues, el CNC controla todos los movimientos de la herramienta cuando estamos fabricando, y no solo controla las coordenadas que hemos visto, sino también, la manera de desplazarse entre ellas, su velocidad, y algunos parámetros más. Un CNC es un equipo totalmente integrado dentro de máquinas-herramienta de todo tipo, de mecanizado, de corte, por láser, cortadoras, etc.

Nos permite controlar en todo momento cuales son los movimientos de una herramienta, así que nos servirá para obtener piezas con determinadas medidas, para crear programas que nos repitan con gran precisión piezas iguales, también se utiliza, y mucho, para verificar las medidas de algo que ha sido fabricado.

Componentes de un sistema CN Un sistema CNC está constituido por numerosos componentes.

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El corazón de un sistema CNC es un ordenador que se encarga de realizar todos los cálculos necesarios y de las conexiones lógicas. Tendiendo a que el sistema CNC es el puente de unión entre el operador y la máquina-herramienta se necesitan dos interfaces (traductores):

o El interfaz del operador formado por el panel de control y varios a él conectados relacionados generalmente con dispositivos de periféricos almacenamiento (lectoras de cinta perforada, casete, disqueteras, etc.) o impresión de la información.

o El interfaz de control de la máquina-herramienta que esta subdividido en múltiples conexiones de control y que afectan los actuadores de ejes, del husillo principal, etc. hasta llegar al sistema auxiliar de alimentación de energía.

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1.1 APLICACIONESLas primeras máquinas de control numérico se construyeron en los años

1940 y 1950, basadas en las máquinas existentes con motores modificados cuyos mandos se accionaban automáticamente siguiendo las instrucciones dadas en un sistema de tarjeta perforada. Estos servomecanismos iniciales se desarrollaron rápidamente con equipos analógicos y digitales. El abaratamiento y miniaturización de los microprocesadores ha generalizado la electrónica digital en las máquinas herramienta, lo que dio lugar a la denominación control numérico por computadora , control numérico por computador o control numérico computarizado (CNC), para diferenciarlas de las máquinas que no tenían computadora. En la actualidad se usa el término control numérico para referirse a este tipo de sistemas, con o sin computadora.

Este sistema ha revolucionado la industria debido al abaratamiento de microprocesadores y a la simplificación de la programación de las máquinas de CN.

La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han generado un enorme aumento de los volúmenes de producción y mejorado sustancialmente la productividad, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado, que era difícil de hacer con máquinas convencionales, por ejemplo la realización de superficies esféricas manteniendo un elevado grado de precisión dimensional. Finalmente, el uso de sistemas CNC reducen costos de producción, manteniendo o mejorando la calidad. Es así, que en términos globales se observan notables avances en las capacidades y prestaciones de las máquinas herramientas, a partir de la generalización de esta técnica productiva en la fabricación de sus partes componentes.

Algunas aplicaciones de un CNC son:o Máquinas de corte láser para laminas de metalo Máquina de corte para carpinteríao Máquinas para la creación de circuitos impresoso Máquinas para la creación de objetos en 3 dimensiones, etc...

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1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.Ventajas de un Sistema CNC

o Alto grado de calidad debido a la precisión, repetibilidad y ausencia de variaciones introducidas por un operador.

o Desperdicios reducidos. Son menos probables los errores debidos a la fatiga del operador, interrupciones y otros factores.

o Inspección simplificada. Una vez que la primera pieza ha pasado la inspección, se requiere una inspección mínima en las partes subsecuentes.

o Menores costos de herramientas debido a la menor necesidad de montajes y reparaciones complejas.

o Tiempo de servicio reducido.o Las operaciones complejas de la maquinaria se realizan más fácilmente

debido al control avanzado de la máquina.

Desventajas de un Sistema CNCo Las herramientas de una máquina numéricamente controlada no cortan el

metal tan rápido como las máquinas convencionales. o El control numérico no elimina la necesidad de herramientas caras.

Además, hay un gasto inicial mayor.o El control numérico no elimina los errores por completo. Los operadores

todavía se pueden equivocar al presionar los botones equivocados, al realizar alineaciones erradas, y fallan al ubicar las piezas adecuadamente en una montura.

o Se necesita escoger y entrenar a programadores y a personal de mantención.

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1.3 APOYOS EN SOFTWARE DE DISEÑOEl sistema CAD y CAM para máquinas CNC, ofrece una solución automatizada para el diseño y mecanizado industrial. El programa le permitirá llevar la producción de piezas complejas desde un punto conceptual a su producción real.

El CAD y CAM está diseñado para ser un programa útil, fácil de aprender y al alcance de sus necesidades. La plataforma de programación del software está diseñada en base a diálogos intuitivos y asociativos. Nuestro CADCAM es un programa que es compatible con cualquier máquina CNC que acepte formato ISO conocido como Código G.

Torno de control numérico computarizado Fresadora de control numérico computarizado Máquina Láser de control numérico computarizado Centros de Mecanizado de control numérico computarizado Router de control numérico computarizado Waterjet de control numérico computarizado EDM machine de control numérico computarizado Máquina Plasma de control numérico computarizado

El sistema CADCAM que ofrecemos es un software que permite crear diseños en 2D y 3D para luego ser mecanizados, sin necesidad de exportar sus archivos a otro programa.

Información del CAD CAM:

Genera los Códigos G para el mecanizado de su pieza Completamente funcional en 2, 3, y 4 ejes Simulador de control numérico integrado Vectorización de imágenes (requiere componente adicional de Arte) Programa de Nesting (requiere componente adicional de Nesting) Ver archivos DWG, DXF, IGES, STEP, SLDPRT, 3DM Traducción y Conversión de Archivos Más de 3.000 post procesadores para máquinas CNC Apoyo técnico

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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.

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.

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2.- DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL HUSILLO (RPM).

Un husillo es un tipo de tornillo largo y de gran diámetro, utilizado para accionar los elementos de apriete tales como prensas o mordazas, así como para producir el desplazamiento lineal de los diferentes carros de fresadoras y tornos, o en compuertas hidráulicas. Puede ser de metal, metálico (el material más utilizado es acero templado), de madera o PVC. En ocasiones se le menciona como tornillo sin fin.

La tuerca husillo es un tipo de mecanismo que está constituido por un tornillo (husillo) que al girar produce el desplazamiento longitudinal de la tuerca en la que va enroscado (movimiento rectilíneo).

Los husillos de trabajo en las máquinas con CNC son movidos con motores de corriente continua, generalmente, ya que los mismos permiten incrementar o decrecer el número de R.P.M. (revolución por minuto) sin escalonamientos.

Cuando hablamos de ejes de trabajo o de rotación, nos referimos a las máquinas en las cuales la mesa de trabajo o el cabezal del husillo son orientables pudiendo adoptar distintas posiciones angulares, tal es el caso de los centros de maquinado o las fresas, o algunos tornos verticales con varios montantes.

Conocemos como ejes de avances a las direcciones en las cuales se mueven los carros, el husillo o la mesa de trabajo.

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De esta manera, en un torno tendremos un eje X determinado por un avance en el sentido perpendicular al husillo, y un eje Z que será colineal al eje del torno.

En una fresa, generalmente los ejes X e Y son coplanares y generados ambos por el movimiento de la mesa, y el eje Z, coincidirá con el movimiento vertical del husillo.

Las instrucciones con la letra “M” son instrucciones para indicaciones tecnológicas como encender o apagar el husillo, prender o apagar el refrigerante.M0: Parar.M2: Finalizar programa.M3: Prender el husillo en sentido horario (CW: Clockwise).M4: Prender el husillo en sentido anti horario (CCW: Counter Clockwise).M5: Apagar el husillo

Para prender el husillo se requiere de dar la velocidad, por lo tanto M4 y M3 van acompañadas de la letra S que es la velocidad en RPM.

La velocidad del husillo puede ser controlada especificando valores para S. Para este sistema de CNC, el valor de S no es igual al valor correspondiente de velocidad del husillo (r/min.). Para cada bloque del programa de la pieza puede contener solo un valor para S. Existen dos tipos de códigos que pueden ser enviados por este sistema: 1) Señales de código binario (rango: 0-15) son transmitidas a la máquina herramienta para controlar el husillo. 2) Señales analógicas (ancho de pulso modulado, rango: 0-255) son transmitidas a la máquina desde diferentes puertos de la interface con código binario.

Refiérase al manual apropiado entregado junto con la máquina herramienta por el fabricante para detalles como que código es valido o que tipo de código S en utilizado para controlar el husillo.

Esta velocidad lógicamente dependerá de factores tales como: tipo de material de la herramienta, números de filos de corte, rigidez de sujeción de la pieza de trabajo, material por cortar, entre otros.

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3.- DETERMINACIÓN DEL AVANCE DE CORTE O CÁLCULO DEL CORTE VERTICAL

La velocidad de corte es el factor principal que determina la duración de la herramienta. Una alta velocidad de corte permite realizar el mecanizado en menos tiempo pero acelera el desgaste de la herramienta. Los fabricantes de herramientas y prontuarios de mecanizado, ofrecen datos orientativos sobre la velocidad de corte adecuada de las herramientas para una duración determinada de la herramienta, por ejemplo, 15 minutos. En ocasiones, es deseable ajustar la velocidad de corte para una duración diferente de la herramienta, para lo cual, los valores de la velocidad de corte se multiplican por un factor de corrección. La

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relación entre este factor de corrección y la duración de la herramienta en operación de corte no es lineal.

Se entiende por Avance al movimiento de la herramienta respecto a la pieza o de esta última respecto a la herramienta en un periodo de tiempo determinado.

El Avance se designa generalmente por la letra" s" y se mide en milímetros por una revolución del eje del cabezal o porta-herramienta, y en algunos casos en milímetros por minuto.

El avance de un torno se define como la distancia que avanza la herramienta de corte a lo largo de la pieza de trabajo por cada revolución del husillo.

Se define como velocidad de corte la velocidad lineal de la periferia de la pieza que está en contacto con la herramienta. La velocidad de corte, que se expresa en metros por minuto (m/min), tiene que ser elegida antes de iniciar el mecanizado y su valor adecuado depende de muchos factores, especialmente de la calidad y tipo de herramienta que se utilice, de la profundidad de pasada, de la dureza y la maquinabilidad que tenga el material que se mecanice y de la velocidad de avance empleada. Las limitaciones principales de la máquina son su gama de velocidades, la potencia de los motores y de la rigidez de la fijación de la pieza y de la herramienta.

A partir de la determinación de la velocidad de corte se puede determinar las revoluciones por minuto que tendrá el cabezal del torno.

La velocidad de avance de la herramienta (F) puede determinarse o programarse en mm/revolución (G95) o en mm/minuto (G94). Normalmente, los avances del torno se programan en mm/revolución y los de fresadora en mm/minuto.

Los avances programados se hacen efectivos cuando se trabaja en interpolación lineal G01 o interpolación circular G02/G03. El avance máximo programable de la máquina está limitado por un parámetro. En el caso de no programar el avance o indicarlo de la forma F0, los desplazamientos se realizan a la velocidad establecida en dicho parámetro. Las funciones G94, G95 son modales.

La velocidad de avance determina la velocidad con la que la pieza es mecanizada. La elección de esta velocidad depende de: la herramienta (geometría y material), el material a ser mecanizado el acabado de superficie requerido geometría y rigidez de la herramienta.

Velocidad de avance en mm/min: una vez conocido el valor de mm/rev de la herramienta y conocidas las RPM a las que girara la herramienta, el cálculo se

obtendrá con la sig. Formula:

Velocidad de avance en mm/rev:

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Un sistema experto calcula constantemente la velocidad de avance óptima para cada herramienta y cada pieza, ajustándola automáticamente en tiempo real. Esto permite reducciones importantes en el tiempo de ciclo mientras se previenen daños al husillo, herramientas y piezas a maquinar, especialmente en operaciones de desbaste o semi-desbaste, donde las condiciones de carga varían constantemente.

En las tablas proporcionadas por la mayoría de los fabricantes de herramientas de corte, se establecen básicamente dos parámetros de maquinado para la obtención de las velocidades de giro y avance de la herramienta, estos son: valor de la velocidad tangencial en pies/minuto o metros/minuto, y el corte por diente por cada revolución.

Para fresa, las velocidades y los avances correctos son determinados en parte por el diámetro del cortador, del husillo en RPM, del número de dientes en la fresa, la viruta por el diente, y de los pies por minuto que pasa por la superficie de la pieza en particular.

Refiera al manual del operador para la máquina para encontrar los avances y las velocidades específicas para un material y un cortador particular. El apéndice D muestra una tabla de un manual operador.

4.- ESPESOR DEL MATERIAL CORTADO (VIRUTA O ASERRÍN)

Los factores y condiciones principales afectan al corte y deben ser tenidos en consideración a la hora de elaborar los programas de CN. Los siguientes factores son los más importantes:

Factor máquina,- herramienta: La máquina herramienta seleccionada debe ser capaz de llevar a cabo el trabajo de mecanizado bajo requerimientos de precisión y economía prestablecidos. El programador debe conocer las especificaciones de la máquina y condicionantes que hay que tener en cuenta a la hora de elaborar los programas CN. El volumen de viruta extraído por unidad de tiempo o de avance (ratio de viruta removida) es un parámetro productivo que depende de la potencia que la máquina-herramienta puede proporcionar para el giro de su husillo principal.

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Para conseguir unas condiciones de mecanizado óptimas es necesaria la intervención de un refrigerante. Sus funciones son: Disipar el calor generado durante el corte en la punta de la herramienta manteniendo la temperatura de la pieza lo más baja posible. Reducir la fricción y el desgaste de la herramienta por lubricación. Facilitar la extracción de la viruta. El uso de refrigerantes permite aumentar las velocidades de corte.

Pieza (geometría básica). Un programador debe determinar qué propiedades de la pieza requieren atención especial a la hora de confeccionar el programa CN partiendo de su plano.

El factor que corresponde a este tema es el material : Con referencia al material de la pieza las características esenciales que

deben ser tenidas en cuenta son la resistencia y la maquinabilidad. La resistencia a la compresión es importante a la hora de seleccionar el sistema de amarre y las presiones de apriete (cuando se trata de un sistema hidráulico). La maquinabilidad afecta a la elección de herramientas y a las fuerzas de corte a aplicar. Un síntoma característico de un mecanizado correcto es la formación de viruta favorable a velocidad de corte elevada, combinado con un bajo desgaste de herramienta y un buen acabado superficial.

La geometría y el acabado superficial de la pieza determinan la elección de las plaquitas de mecanizado:

o La forma de la punta suele ser función del tipo de contorno a obtener.o Las dimensiones y materiales de la plaquita se eligen en concordancia con

las velocidades de corte y avances.

El estado superficial deseado se obtiene mediante la selección del radio de punta de la herramienta y el avance.

Las virutas: Los tipos de viruta dependen de: Factor de compresión, Material de la pieza, Velocidad de corte, Estado superficial de flanco de desprendimiento,

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Material de la herramienta, Presencia de rompe virutas.

Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias características de maquinabilidad, lo que nos marcará los límites operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar: • Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados, titanio, níquel, etc.). • Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).

Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros de corte, estrategias de mecanizado, volumen de material extraído por unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de proceso en general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica muestra los rangos de velocidades de corte en función del material mecanizado.

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¿Qué espesor de material puede cortarse?En primer lugar hay que tener en cuenta la altura de paso de puente de

cada máquina, además de la altura libre necesaria para los desplazamientos en vacío.

Existen fresadoras que tiene una altura de Z de 120 mm y 220 mm.Cuanto más larga es una herramienta, más riesgo de vibración y de rotura tiene. Por eso, no se encuentran en el mercado herramientas con un paso de corte alto. Además la longitud de los labios de corte tiene está en relación con el diámetro de la herramienta.

No podemos cortar un centímetro de una pasada con una herramienta de 2 mm de diámetro, porque la herramienta se rompería.

Lo que deberemos hacer para cortar materiales especialmente gruesos, es tener en cuenta la longitud total de los labios de corte de la herramienta para calcular en cuantas pasadas nos interesa cortar un material concreto. También deberemos tener en cuenta que el diámetro de herramienta no sea demasiado delgado.

Cortar metracrilato de 2 o 3 cm, PVC o DM de hasta 4 cm y materiales de resistencia y dureza similares, en una sola pasada, no supone ningún problema con las herramientas correctas. Igualmente, es normal cortar aluminio de 1 cm en una sola pasada.

Cuando un material, dado su grosor, necesite ser cortado de múltiples pasadas, lo indicaremos en el programa y se realizará con una sola orden y sin la posterior intervención del usuario.

El diámetro de la herramienta y el material a trabajar son los que determinarán la velocidad de corte y la profundidad a cortar en cada pasada. Por ejemplo, para cortar aluminio no conviene que la profundidad de corte sea superior al diámetro de herramienta utilizada. Con una herramienta de diámetro 6 mm, sería lógico cortar 5 mm de profundidad por pasada. Seguir estas indicaciones permitirá una buena calidad de corte a la par que una mayor duración de la herramienta y el equipamiento en general.

El espesor del material que se quiera cortar también tiene mucho que ver en la composición de la mesa y el sistema de salida de humos.

En conclusión el espesor del material cortado tiene como factores fundamentales:

El tipo de maquina-herramienta. El tipo de corte a efectuar. La atura de la maquina y sus capacidades. El tipo de material a cortar o maquinar. Las características físicas del material.

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CONCLUSIÓN:El control numérico por computadora (CNC) es un sistema de

automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual mediante volantes o palancas. Los criterios técnicos para delimitar el proceso de trabajo o metodología en cada tipo de maquina-herramienta del tipo del sistema CNC varia con su tipo y fabricante, pero en general para cortar se toma en cuenta estos factores, se deben conocer para la correcta determinación de los parámetros de corte necesarios:

Velocidad de giro del cabezal, Velocidad de corte, avance,

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Profundidad de corte.

Todo ello en función de los límites técnicos, requerimientos de acabado (calidad superficial y precisión dimensional).

Cada método domina un área de aplicación en función de las dimensiones y la estructura de las formas a producir. Como es común en los procesos de producción, entre tecnologías en competición existe también una razonable área de solapamiento. Las decisiones económicas darán prioridad a un método u otro en función de las limitaciones monetarias en la instalación de ambos. Las sobrecargas temporales en una máquina o dificultades causadas por cambios súbitos en los programas de producción pueden también condicionar las prioridades.

La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han hecho aumentar enormemente la producción, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado que era difícil de hacer con máquinas convencionales, Con el apoyo de software de diseño, como los mencionados, dan más factibilidad para implementarlos y desarrollarlos más y más en la industria.

Y por ultimo cada material tiene diferentes propiedades físicas y químicas que hacen a la maquina-herramienta y al usuario de la misma proporcionar más o menos datos para su corte, y de esto depende el espesor de corte del material.

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