control numérico computarizado

En los sistemas de control numérico, la posición de la herramienta se define mediante un conjunto de instrucciones denominado programa de pieza . El control de posicionamiento se realiza mediante un sistema de lazo abierto o de lazo cerrado. En un sistema de lazo abierto, la comunicación se produce en una sola dirección: del controlador al motor. En un sistema de lazo cerrado, se proporciona retroalimentación al controlador para que pueda corregir errores de posición, velocidad y aceleración, que pueden surgir debido a variaciones de carga o temperatura. Los sistemas de lazo abierto suelen ser más económicos, pero menos precisos. Los motores paso a paso pueden utilizarse en ambos tipos de sistemas, mientras que los servomotores solo pueden utilizarse en sistemas de lazo cerrado.

El movimiento consiste en controlar múltiples ejes, normalmente al menos dos (X e Y), ^{[ 6 ]} y un husillo de herramienta que se mueve en el eje Z (profundidad). La posición de la herramienta se controla mediante motores paso a paso de accionamiento directo o servomotores para proporcionar movimientos de alta precisión, o, en diseños más antiguos, mediante motores a través de una serie de engranajes reductores. El control de lazo abierto funciona siempre que las fuerzas se mantengan lo suficientemente pequeñas y las velocidades no sean excesivas. En las máquinas de metalurgia comerciales , los controles de lazo cerrado son estándar y necesarios para proporcionar la precisión, la velocidad y la repetibilidad requeridas.

Las posiciones de los códigos G y M se basan en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional . Este sistema es un plano típico que se utiliza a menudo en matemáticas para graficar. Es necesario para trazar las trayectorias de la máquina herramienta y cualquier otra acción que deba realizarse en una coordenada específica. Las coordenadas absolutas son las que se utilizan con mayor frecuencia en las máquinas y representan el punto (0,0,0) en el plano. Este punto se establece en el material base para proporcionar un punto de partida o "posición inicial" antes de comenzar el mecanizado.

A medida que evolucionaba el hardware de control, también lo hacían las fresadoras. Un cambio importante fue encerrar todo el mecanismo en una caja grande como medida de seguridad (con vidrio de seguridad en las puertas para que el operario pueda supervisar el funcionamiento de la máquina), a menudo con enclavamientos de seguridad adicionales para garantizar que el operario se mantenga a una distancia suficiente de la pieza de trabajo para una operación segura. La mayoría de los nuevos sistemas CNC que se fabrican 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 láser , soldadura , soldadura por fricción-agitación , soldadura ultrasónica , corte por llama y plasma , doblado , hilado, perforación, fijación, pegado, corte de tela, costura, colocación de cinta y fibra, fresado, recogida y colocación, y aserrado.

En el mecanizado CNC, un "choque" ocurre cuando la máquina se mueve de forma perjudicial para la máquina, las herramientas o las piezas que se están mecanizando, lo que a veces provoca la flexión o rotura de las herramientas de corte, las abrazaderas de accesorios, las mordazas y los dispositivos de fijación, o bien daña 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. Un choque leve puede no dañar la máquina ni las herramientas, pero sí 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 "inicializarse" o "ponerse a cero" manualmente para tener alguna referencia de trabajo, y estos límites solo sirven para determinar la ubicación de la pieza con la que trabajar y no constituyen un límite de movimiento fijo 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 en el mecanismo de accionamiento. Muchas máquinas implementan parámetros de control que limitan el movimiento de los ejes más allá de un cierto límite, además de los interruptores de límite físicos . Sin embargo, estos parámetros a menudo pueden ser modificados por el operador.

Muchas máquinas CNC desconocen su entorno de trabajo. Si bien algunas cuentan con sistemas de detección de carga en los accionamientos del husillo y los ejes, otras no. Estas máquinas siguen ciegamente el código de mecanizado proporcionado, y es responsabilidad del operario detectar si se está produciendo o está a punto de producirse una colisión, y abortar manualmente el proceso. Las máquinas equipadas con sensores de carga pueden detener el movimiento del eje o del husillo en respuesta a una sobrecarga, pero esto no evita que se produzca una colisión. Solo puede limitar los daños resultantes. En algunos casos, es posible que no se produzca ninguna sobrecarga en los accionamientos del eje o del husillo.

Si el sistema de accionamiento es más débil que la integridad estructural de la máquina, simplemente empuja contra la obstrucción y los motores de accionamiento se deslizan. La máquina herramienta puede no detectar la colisión o el deslizamiento; por ejemplo, la herramienta debería estar a 210 mm en el eje X, pero en realidad está a 32 mm, donde chocó con la obstrucción y continuó deslizándose. Todos los movimientos posteriores de la herramienta estarán desviados 178 mm en el eje X, y todos los movimientos futuros serán inválidos, lo que puede provocar nuevas colisiones con abrazaderas, mordazas o la propia máquina. Esto es común en sistemas de motor paso a paso de lazo abierto, pero no es posible en sistemas de lazo cerrado a menos que se haya producido un deslizamiento mecánico entre el motor y el mecanismo de accionamiento. En cambio, en un sistema de lazo cerrado, la máquina seguirá intentando moverse contra la carga hasta que el motor de accionamiento se sobrecargue o un servomotor no logre alcanzar la posición deseada.

La detección y prevención de colisiones es posible mediante el uso de sensores de posición absoluta (tiras o discos de codificador óptico) para verificar que se produjo movimiento, o sensores de par o de consumo de energía en el sistema de accionamiento para detectar esfuerzos anormales cuando la máquina debería estar simplemente moviéndose y no cortando, pero estos no son un componente común en 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 un número específico de grados en respuesta a los cambios del campo magnético. A menudo se asume que el motor paso a paso es perfectamente preciso y nunca falla, por lo que el monitoreo de la posición de la herramienta simplemente implica contar el número de pulsos enviados al motor paso a paso a lo largo del tiempo. Por lo general, no se dispone de un método alternativo para monitorear la posición del motor paso a paso, por lo que no es posible la detección de colisiones o deslizamientos.

Las máquinas CNC comerciales para el mecanizado de metales utilizan controles de retroalimentación de bucle cerrado para el movimiento de los ejes. En un sistema de bucle cerrado, el controlador monitoriza la posición real de cada eje con un codificador absoluto o incremental . Una programación de control adecuada reduce la posibilidad de un choque, pero sigue siendo responsabilidad del operador y del programador garantizar el funcionamiento seguro de la máquina. Sin embargo, durante las décadas de 2000 y 2010, el software de simulación de mecanizado ha madurado rápidamente, y ya no es raro que todo el conjunto de la máquina herramienta (incluidos todos los ejes, husillos, mandriles, torretas, portaherramientas, contrapuntos, fijaciones, abrazaderas y material) se modele con precisión mediante modelos sólidos 3D , lo que permite al software de simulación predecir con bastante exactitud si un ciclo implicará un choque. Aunque este tipo de simulación no es nueva, su precisión y penetración en el mercado están cambiando considerablemente debido a los avances informáticos. ^{[ 7 ]}

En los sistemas numéricos de programación CNC, el generador de código 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. Si bien el uso común de husillos de bolas en la mayoría de las máquinas NC modernas elimina la mayor parte del juego mecánico, este aún debe tenerse en cuenta. Las herramientas CNC con un gran juego mecánico 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 están firmemente sujetos en esa dirección de corte. Sin embargo, un dispositivo CNC con un juego mecánico elevado y una herramienta de corte desafilada puede provocar vibraciones en la herramienta y posibles daños en la pieza de trabajo. El juego mecánico también afecta la precisión de algunas operaciones que implican inversiones de movimiento de ejes durante el corte, como el fresado de un círculo, donde el movimiento de los ejes es sinusoidal. Sin embargo, esto se puede compensar si la cantidad de juego mecánico se conoce con precisión mediante codificadores lineales o mediciones manuales.

No es necesario confiar en que el mecanismo de alta holgura sea preciso de forma repetida durante el proceso de corte, sino que se puede utilizar algún otro objeto de referencia o superficie de precisión para ponerlo a cero. Para ello, se aplica una presión firme contra la referencia y se establece como punto de referencia cero para todos los movimientos posteriores programados por el CNC. Esto es similar al método manual de las máquinas herramienta, en el que se sujeta un micrómetro a una viga de referencia y se ajusta el dial Vernier a cero utilizando dicho objeto como referencia.

Los códigos G se utilizan para controlar movimientos específicos de la máquina, como desplazamientos 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 (por ejemplo, "O0001") en la segunda línea, y otro símbolo de porcentaje (%) en la última línea. 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 fresadora y un torno, por ejemplo:

[G00 Posicionamiento de movimiento rápido]

[G01 Interpolación lineal del movimiento]

[G02 Interpolación circular - Sentido horario]

[G03 Interpolación circular - Movimiento en sentido antihorario]

[Molino G04 Dwell (Grupo 00)]

[G10 Establecer compensaciones (Grupo 00) Fresadora]

[G12 Bolsillos circulares - Sentido horario]

[G13 Bolsillo circular - En sentido contrario a las agujas del reloj]

[Código de funciones misceláneas (código M)] . Los códigos M son comandos de máquina misceláneos que no controlan el movimiento de los ejes. El formato de un código M es la letra M seguida de dos o tres dígitos; por ejemplo:

[M01 Parada operativa]

[M02 Fin del programa]

[M03 Arranque del husillo - Sentido horario]

[M04 Arranque del husillo - En sentido contrario a las agujas del reloj]

[M05 Parada del husillo]

[Cambio de herramienta M06]

[M07 Refrigerante sobre refrigerante en niebla]

[M08 Refrigerante de inundación activado]

[M09 Refrigerante desactivado]

[M10 Chuck abierto]

[M11 Chuck cerca]

[M12 Husillo hacia arriba]

[M13 M03&M08 Rotación del husillo en sentido horario y refrigeración por inundación]

[M14 M04 y M08 Rotación del husillo en sentido antihorario y refrigeración por inundación]

[M15 AMBOS M05&M09 Parada del husillo y desactivación del refrigerante de inundación]

[Llamada a herramienta especial M16]

[Orientación del husillo M19]

[Modo DNC M29]

[Restablecimiento y rebobinado del programa M30]

[M38 Puerta abierta]

[M39 Puerta cerrada]

[Engranaje del husillo M40 en el centro]

[M41 Selección de marcha baja]

[Selección de marcha alta M42]

[M53 Retracción del husillo] (Eleva el husillo de la herramienta por encima de su posición actual para permitir al operador realizar las tareas que necesite)

[Cierre del mandril hidráulico M68]

[M69 Mandril hidráulico abierto]

[M78 Contrapunto avanzando]

[M79 Inversión del contrapunto]

% O0001 G20 G40 G80 G90 G94 G54 (pulgadas, cancelación de compensación de corte, desactivación de todos los ciclos preprogramados, mueve los ejes a coordenadas de la máquina, avance por minuto, sistema de coordenadas de origen) M06 T01 (Cambio de herramienta a la herramienta 1) G43 H01 (Compensación de longitud de la herramienta en dirección positiva, compensación de longitud para la herramienta) M03 S1200 (El husillo gira en sentido horario a 1200 RPM) G00 X0. Y0. (Recorrido rápido hasta X=0. Y=0.) G00 Z.5 (Recorrido rápido hasta z=.5) G00X1. Y-.75 (Desplazamiento rápido a X1. Y-.75) G01 Z-.1 F10 (Inmersión 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 del radio en I0.0 J0.0) G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0(Corte de arco en sentido antihorario a X.75 Y-.9375 con origen del radio en I0.0 J0.0) G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (arco en sentido horario cortado a X1. Y-1.25 con origen del radio en I.75 J-1.25) G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (arco en sentido horario 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 en sentido horario cortado a X.5 Y-1.25 con el mismo radio de origen que el arco anterior) G00 Z.5 (Trayectoria rápida hasta z.5) M05 (paradas del husillo) G00 X0.0 Y0.0 (El molino regresa al origen) M30 (Fin del programa) % 

Configurar correctamente las velocidades y avances del programa permite un proceso de producción más eficiente y fluido. Velocidades y avances incorrectos pueden dañar la herramienta, el husillo de la máquina e incluso el producto. La forma más rápida y sencilla de obtener estos valores es usar una calculadora en línea. También se puede usar 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 .

Las primeras máquinas de control numérico (CNC) se construyeron en las décadas de 1940 y 1950, basándose en herramientas existentes que se modificaron con motores que movían la herramienta o la pieza siguiendo puntos introducidos en el sistema mediante cinta perforada . ^{[ 4 ]} Estos primeros servomecanismos se complementaron rápidamente con computadoras analógicas y digitales, creando las modernas máquinas herramienta CNC que han revolucionado los procesos de mecanizado.

El control numérico computarizado (CNC) desempeña un papel fundamental en el sector de la fabricación, no solo en el fresado y torneado tradicionales , sino que también se instalan otras máquinas y equipos con el CNC correspondiente, lo que beneficia a la industria manufacturera y mejora significativamente la calidad y la eficiencia. La fabricación sustractiva tradicional se puede combinar con la fabricación aditiva (impresión 3D) para crear un nuevo método de fabricación ^{[ 10 ]} : la fabricación híbrida aditiva sustractiva (HASM) ^{[ 11 ]} . Otra tendencia es la combinación de la inteligencia artificial (IA) , mediante el uso de numerosos sensores , con el objetivo de lograr una fabricación flexible ^{[ 12 ]} .