1.1 ANTECEDENTES

En principio, el control numérico de las máquinas herramienta no fue concebido para mejorar los procesos de fabricación, sino para dar solución a problemas técnicos surgidos por el diseño de piezas cada vez más difíciles de maquinar. En 1942, la compañía Bendix en EUA, tuvo problemas de fabricación con una leva tridimensional para el regulador de una bomba de inyección para motores de avión, el perfil especial de dicha leva era prácticamente imposible realizar con máquinas herramienta comandadas manualmente; la dificultad venía de combinar los movimientos de la herramienta simultáneamente según varios ejes de coordenadas, se acordó entonces confiar los cálculos a una máquina automática que definiera gran número de puntos de la trayectoria, siendo la herramienta conducida sucesivamente de un punto a otro. En 1944, John Parsons, constructor americano de hélices de helicóptero, concibe un mando automático con entrada de información numérica, la idea de utilizar tarjetas perforadas

(transportando las coordenadas de los ejes de los agujeros) en un lector que permitiera traducir las señales de mando a los dos ejes, permitió a Parsons desarrollar su sistema digitón mostrado en la figura 1.

Con el apoyo de la fuerza  área de los EUA, Parsons junto con el laboratorio de servomecanismos del Instituto Tecnológico de Massachusetts, desarrolló el sistema digitón con algunas variantes en su estructura inicial, figura 2.

Con base en estos trabajos desarrollados, en 1953 se utiliza por primera vez el nombre de NC Numerical Control; con la evolución de los microprocesadores, el desarrollo del control numérico ha sido acelerado mediante el uso de la computadora. Actualmente se ha llegado a una lógica por Software o lógica programada, en donde el equipo de control no está  realizado por montaje de elementos digitales sino por programación de una computadora dando lugar así al control numérico computarizado (CNC). Actualmente, en la mayoría de las grandes empresas existe personal calificado en materia de controles numéricos, esta demanda sigue aumentando, de allí la importancia de la

formación en las escuelas y empresas personal capacitado en las siguientes especialidades:

Técnicos en procesos industriales. Técnicos en máquinas herramienta. Diseñadores en CAD/CAM. Técnicos en producción.

Las especialidades anteriores se apoyan con la tecnología del control numérico computarizado, por tal motivo, para la carrera de técnico en procesos industriales, el laboratorio de control numérico computarizado cuenta con los siguientes programas y máquinas:

Software mastercam-torno (diseño), versión 8.

Software mastercam-fresadora (diseño), versión 8.

Torno didáctico de control numérico computarizado (Starturn).

Centro de torneado de control numérico computarizado (Mirac).

Fresadora didáctica de control numérico computarizado (Starmill).

Centro de maquinado de control numérico computarizado (Triac).

Máquinas convencionales. El desarrollo de las máquinas herramienta ha sido un factor importante para la producción de piezas en serie, en este contexto, la aparición de las máquinas herramienta con control numérico tiene una estrecha relación con las que se indican a continuación: Torno paralelo horizontal. Es una de las máquinas-herramienta más antiguas para el mecanizado de piezas de la industria metal mecánica, sin este tipo de máquina no hubiera sido posible el gran progreso industrial de este siglo. Torno revólver. Este es un torno de mediana producción que se emplea para realizar cualquier número de partes similares. Cuando se mecaniza una pieza de trabajo compleja sobre un torno de uso general se invierte mucho tiempo cambiando y ajustando las diversas herramientas que se necesitan para completar el trabajo por lo que una de las primeras adaptaciones del torno fue la de introducir una torreta hexagonal girando en su

propio eje a similitud del arma de fuego llamada revólver. Torno revólver vertical. Este torno fue diseñado para realizar una variedad de operaciones de torneado y consiste en una torreta o mesa giratoria y un cabezal lateral con una torreta cuadrada para sujetar las herramientas adicionales a la máquina, es utilizada para trabajos pesados. Tornos copiadores o duplicadores. Estos tornos están diseñados para producir automáticamente partes de forma irregular, la operación básica de este torno es que utiliza una plantilla ya sea plana o de forma tridimensional una guía que se mueve siguiendo el perfil deseado para realizar conos, radios, ranuras, contornos, etc. Estos tornos copiadores o seguidores siguen una plantilla para reproducir una forma exacta en una pieza de trabajo. A menudo se emplean aditamentos seguidores o copiadores. Roscadoras múltiples. Son similares a los tornos revólver, sus cabezas están diseñadas para sujetar y hacer avanzar barras largas utilizando ya sean rodillos o peines con el paso de la rosca que se desea realizar. Tornos automáticos de levas. Este tipo de torno fue

diseñado para trabajos de alta producción, por su propio diseño de levas permite tener alta producción y mayor rapidez en sus mecanizados permitiendo elaborar infinidad de perfiles.

1.2 DEFINICIÓN DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO (CNC)

Como definición de control numérico en un carácter más amplio, se puede decir que es todo dispositivo, generalmente electrónico capaz de dirigir posicionamientos de uno o varios elementos mecánicos móviles, de tal forma que las órdenes relativas a sus desplazamientos son elaboradas, en forma automática a partir de datos numéricos y simbólicos definidos por un programa.

De lo anterior se establece, que una máquina herramienta con control numérico es aquella en la que se introducen números y letras, al procesar estas indicaciones por un controlador se convierten en instrucciones de un proceso de mecanizado (Arriaga, pp26).

1.3 PRINCIPIOS BÁSICOS DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO.

Sistemas de Control. Las primeras máquinas de CN fueron taladros, que no permitían movimientos del cuerpo de la máquina mientras trabajaba la herramienta. La máquina de CN actual viene a resolver con éxito este problema permitiendo además el movimiento de la herramienta mientras ejecuta el trabajo, en los programas de las máquinas de CN se pueden incluir actualmente operaciones tales como fresado, torneado, conformación de perfiles y cambios de herramientas cuantas veces sea necesario.

El control de las máquinas de CN era mediante cintas perforadas que se leían por medio de una unidad lectora de la máquina, la lectora de cinta transmitía información al sistema de control mediante una serie de pulsos eléctricos provocando el movimiento del mecanismo de la máquina y de la herramienta según los programas suministrados.

Actualmente, para gobernar las funciones del control numérico se usan dos controles:

a) Control cerrado.

Se emplea cuando se requiere un alto grado de precisión, su sistema de funcionamiento se indica en la figura 3.

b) Control abierto (lazo o bucle abierto).

Al no utilizarse la retroalimentaci¢n, se elimina la necesidad de un sistema cero, este sistema usa un motor a pasos el cual requiere de pulsos para girar, por ejemplo; un número determinado de pulsos da una revolución o

giro y un pulso hace girar el motor a un valor fijo en grados el cual mueve a un deslizador un cierto incremento fijo por medio de un tornillo, figura 4.

El sistema mostrado anteriormente es más simple y permite ser usado en el torno didáctico de control numérico starturn.

Servomecanismos empleados para el desplazamiento de los carros.

Los motores empleados en la construcción de máquinas de CNC se clasifican en cuatro grupos: motores de paso, servos de CA, de CD e hidráulicos.

Los motores de paso pueden girar una fracción de rotación por un impulso electrónico, en el caso de los servos de CD y CA son motores de velocidad variable y generalmente se utilizan en máquinas pequeñas y medianas con trayectoria continua por lo que tienen aplicación en los centros de maquinado. En maquinaria de CNC de gran capacidad se emplean los servos hidráulicos con sistemas de control electrónicos o neumáticos ya que producen mayor potencia que los motores eléctricos, de tal forma que las máquinas de CNC poseen un cierto número de motores: uno para el eje X y el otro para el eje Z, con algunas de las características mencionadas, figura 5.

Formato de los ejes.

El torno didáctico de control numérico starturn, se programa desde una computadora externa empleando el código ISO, la descripción geométrica de la pieza y la trayectoria seguida por la herramienta son factores que tienen relación con el origen a considerar para la ejecución de cualquier programa de CNC, por lo que una máquina herramienta de CNC emplea un sistema de coordenadas en donde los ejes de referencia son oblicuos o paralelos entre sí, correspondiendo a los ejes principales, el husillo y la mesa de trabajo. Para cumplir lo anterior se tienen que establecer las dimensiones de la pieza, es decir, si se trabaja en modo absoluto o relativo.

Absoluto. En este formato, todas las medidas de Z hacia al mandril son negativas y todas las medidas de Z alejándose del mandril son positivas. Las medidas de X con respecto al eje de giro del husillo hacia arriba son negativas y viceversa, de esta forma, el origen de coordenadas es común para todos los puntos de

dimensión y posicionamiento de la máquina (figura 6).

Relativo. En el modo relativo o incremental, todas las medidas de Z hacia el mandril son negativas y alejándose son positivas. Con respecto a las medidas de X, acercándose hacia el centro de giro del husillo son negativas y alejándose del centro de giro del husillo son positivas, cabe mencionar que se toma el origen de coordenadas a partir de la última dimensión o cota de referencia de tal forma que el modo relativo o incremental traslada el punto de referencia al último punto de posicionamiento, figura 7.

1.4 APLICACIÓN INDUSTRIAL

Para mantener las demandas de crecimiento industrial, los equipos de control numérico deben ser capaces de fabricar una gran variedad de productos de alta calidad con ciclos de producción cortos y de bajo costo eliminando de esta forma las incertidumbres de las operaciones manuales, por lo que estas máquinas presentan sistemas de control automático.

Los modernos sistemas de manufactura como las máquinas herramientas con control numérico computarizado ofrecen grandes ventajas en la fabricación mecánica, estos sistemas ya han sido aceptados e instalados en

muchas empresas ofreciendo las siguientes ventajas:

Aumento de productividad. Exactitud y confiabilidad en los procesos

de manufactura. Flexibilidad y repetibilidad en los procesos

de maquinado. Disminución de costos en los productos

terminados.

La filosofía de las nuevas técnicas de calidad y producción se dirige principalmente a mejorar la productividad y esto implica que el responsable de los medios de producción debe tener información de los sistemas de mecanizado para la selección de máquinas y equipos adecuados. El papel del técnico en procesos industriales es conocer las ventajas de los modernos sistemas de manufactura, por lo que la capacitación en estos adelantos tecnológicos exige una preparación adecuada en nuestra institución.

CÓDIGOS G, M Y DE APOYO PARA EL TORNO DE CONTROL NUMÉRICO

COMPUTARIZADO STARTURN.

OBJETIVO: Aplicará los diferentes códigos de control numérico para la realización de programas en el torno starturn.

2.1 CODIGOS DE PROGRAMACIÓN

2.2 FUNCIONES PREPARATORIAS

2.3 CÓDIGOS MISCELÁNEO

2.4 CÓDIGOS DE APOYO

CÓDIGOS G, M Y DE APOYO PARA EL TORNO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO STARTURN.

Actualmente existen varios fabricantes de controles numéricos y cada fabricante especifica los códigos de programación utilizados en su máquina, los controladores más usados en la industria metal mecánica son:

Control General Electric.

Control Fanuc (el que se usa en el laboratorio de CNC).

Control Anilam. Control Mazatrol. Control Siemens. Control Milacron. Control Denford. Control Heidenhain.

Para la elaboración de un programa de control numérico, el técnico programador debe conocer las características de la pieza a fabricar, la máquina y accesorios, por lo que se tendrán que analizar los siguientes factores:

El plano de fabricación de la pieza y el tamaño del lote.

Las dimensiones de la pieza. Los maquinados a realizar. Elección de la máquina de CNC. Tipos de herramientas a utilizar.

2.1 CÓDIGOS DE PROGRAMACIÓN

Existe una gran variedad de lenguajes de programación para las máquinas herramienta

con CNC, el fabricante es quien determina el diseño y lenguaje a emplear con base en las normas establecidas para tal propósito.

La ejecución de un programa en una máquina herramienta con CNC como el torno con control numérico starturn se realiza siguiendo unas normas fijadas que definen las órdenes deseadas para determinado tipo de maquinado que se desee, lo anterior conforma diferentes bloques y cada bloque consiste en una o varias palabras, las cuales se componen de letras, signos y cifras.

2.2 FUNCIONES PREPARATORIAS

Un código de programación para las máquinas herramienta con CNC es el desarrollo normalizado de instrucciones definidas en donde se señala el tipo de acción que la máquina debe ejecutar. Así, las instrucciones descritas por el programa de maquinado determinan la forma que la herramienta de corte debe dar a la pieza por maquinar. En el torno starturn se indica a la herramienta la ruta para maquinar una pieza mediante

coordenadas cartesianas establecidas en el diseño, implicando en este caso, el uso de instrucciones que conforman un programa.

Los códigos preparatorios cambian la forma de operación de las máquinas herramienta de CNC y están formados por la letra G seguida por una cifra de dos números; las indicaciones más comunes en estos códigos son: movimiento rápido de un punto a otro, interpolación lineal, interpolación circular, interpolación parabólica, programación absoluta o incremental, programación de sistema de unidades de medición etc., a continuación se indican algunos de lo códigos más empleados.

G00 interpolación lineal

Se usa para desplazamientos de un punto a otro con una velocidad máxima sin corte de 1200 mm/min. La única información que requiere la computadora para ejecutar este bloque del programa son valores X y Z ya sea uno o ambos a la vez.

Ejemplo: la herramienta debe desplazarse con un movimiento rápido del punto A al punto B, figura 8.

A X= 15mm Z= 5mm

B X= 10mm Z= 1mm

G01 Interpolación lineal con corte

Indica un movimiento con corte mediante la localización de valores intermedios en una recta.

Características del G01.

Torneado en eje Z. Cilindrar a una velocidad de avance definido, de tal manera que no tiene interpolación alguna (Movimiento x=0), figura 9.

Torneado en eje X. Refrentar a una velocidad de avance definida, por lo que no tiene interpolación alguna (movimiento Z=0), figura 10.

Torneado cónico. Cilindrar con velocidad de avance definido, por lo que se interpolan valores de X y Z (movimientos de X y Z= S1, S2 respectivamente, figura 11.

G02 interpolación circular sentido horario

Cuando se requiere ejecutar un perfil curvo se establecen las condiciones geométricas que dan la solución. Las coordenadas de inicio (A), las coordenadas de llegada (B), el radio que enlazan ambos puntos R más el avance (F) en el sentido de las manecillas del reloj, figura 12.

Ejemplo: en las coordenadas de inicio (A) se posiciona la herramienta, se introduce el valor

del radio R más el valor del avance (F), figura 13.

N5 G01 X10 Z20 F60

N6 G02 X15 Z-25 R5 F60

G03 Interpolación circular sentido antihorario.

La ejecución del perfil curvo es en el sentido contrario a las manecillas del reloj con las mismas condiciones establecidas que en el G02, figura 14.

Ejemplo:

N05 G01 X10 Z-20 F60

N06 G03 X15 Z-25 R5 F60

Parada programada G04

La parada programada detiene la herramienta en un tiempo determinado por el programa, debe especificarse este tiempo que puede ser entre 1 y 99 segundos, se aplica para dejar la herramienta en la posición final de una ranura con el propósito de mejorar el acabado superficial, figura 15.

Programa a escala G20

Este comando permite que un programa cuyas dimensiones son demasiado grandes para la capacidad de la máquina, sea ejecutado reduciendo su escala a los límites permitidos.

También puede ser usado para aumentar la escala de un programa, cuando se introduce un comando G20 la computadora preguntar  por el valor de la escala siendo el rango de 0.10 a 10 veces.

Si se introducen valores menores de la unidad, la computadora entender  que el programa debe ejecutarse reduciendo las dimensiones de la pieza según el valor asignado.

0.25 a la cuarta parte del valor real

0.50 a la mitad del valor real

0.754 a tres cuartas partes del valor real.

Si se introducen valores mayores de la unidad, la computadora entender  que el programa debe ejecutarse, aumentando las dimensiones de la pieza según sea el valor asignado.

1.25 a la cuarta parte del valor asignado

1.50 a la mitad del valor asignado

1.75 a tres cuartas partes del valor asignado.

Compensación del programa G54

El G54 permite compensar una parte a la totalidad del programa, el efecto del offset dentro del programa es de agregar una compensación en la dimensión a las figuras.

Si se introduce un G54 de X12.3, la dimensión de x para el resto del programa se incrementara por 12.3 mm, este código se puede usar para realizar una prueba lejos de la pieza de trabajo, esto se logra dándole una

compensación al valor de Z. El G54 se puede utilizar en combinación con un ciclo fijo para repetir partes de un componente en diferente posición, también un radio puede ser realizado en una pieza con un desplazamiento de 15mm mediante la introducción de un G54 en la figura en X o Z repitiendo el movimiento.

Unidades inglesa y métrica G70 y G71.

El torno Starturn trabaja tanto en el Sistema Inglés como en el Sistema Internacional, por lo que en un programa se tiene que especificar el sistema a utilizar. Si se introduce el código G70, el programa se realizar  en el Sistema Inglés. De otra forma si se quiere trabajar en el Sistema Internacional se debe introducir el código G71.

Ciclo cerrado de desbaste G84

Este código se emplea para un torneado de desbaste implicando la reducción de bloques de información en un programa determinado.

Los movimientos de la herramienta son:

La herramienta de corte se desplaza en dirección X con un G00.

Posteriormente la herramienta se desplaza en dirección Z con un G01

La herramienta se desplaza en dirección X con G01

La herramienta se desplaza en dirección X con un G00, A es el punto de inicio y de llegada, figura 16.

Programación absoluta G90

Se refiere a la descripción geométrica de la pieza y la trayectoria de la herramienta al realizar el mecanizado en la pieza, tomando en cuenta los ejes de referencia que corresponden al husillo y la mesa de trabajo.

La programación absoluta se basa en un origen de coordenadas común para todos los puntos, por lo que el controlador tomar  en cualquier momento ese punto de referencia a menos que se especifique lo contrario, figura 17.

Programación incremental G91

La programación incremental traslada el punto de referencia al último punto de posicionamiento, es decir, indica series lineales de cotas consecutivas, el punto de partida para cada descripción del recorrido es una nueva posición en el desplazamiento de la herramienta, figura 18.

TABLA 1. CÓDIGOS PREPARATORIOS (G)

G00INTERPOLACIÓN LINEAL (SIN CORTE).

G01 INTERPOLACIÓN LINEAL (CORTE).

G02INTERPOLACIÓN CIRCULAR (HORARIO).

G03 INTERPOLACIÓN CIRCULAR

(ANTIHORARIO).G04 PARADA PROGRAMADA.G05 FIN DE SUBRUTINA.G06 FIN DE CICLO FIJO.G20 PROGRAMA A ESCALA.G28 ARRANQUE DE SUBRUTINA.G33 CICLO DE ROSCADO.G54 COMPENSACIÓN DEL PROGRAMA.G65 LLAMADA DE SUBRUTINA.G70 UNIDADES INGLESAS.G71 UNIDADES MÉTRICAS.G73 ARRANQUE DE CICLO FIJO.G84 CICLO CERRADO DE DESBASTE.G90 SISTEMA ABSOLUTO.G91 SISTEMA INCREMENTAL.

2.3 CÓDIGOS MISCELÁNEOS

El código misceláneo o auxiliar está  formado por la letra M seguido de dos números. Este código controla funciones de ayuda para el maquinado de la pieza, también sirven para

asignar funciones de control de la máquina, como encendido y apagado, giro del husillo, cambio de herramienta, apagado y encendido del refrigerante.

M00. Se emplea esta instrucción cuando se requiere detener el funcionamiento de la máquina hasta que el operario indique la reanudación.

M01. Indica lo anterior, siempre y cuando el programador lo indique en el tablero.

M30. Con este código termina el programa regresándolo al bloque inicial.

Tabla 2. CÓDIGOS MISCELÁNEOS (M)

M00 PARADA PROGRAMADA.M01 PARADA OPCIONAL.M02 FIN DE PROGRAMA.

M03ARRANQUE DEL HUSILLO SENTIDO HORARIO.

M04ENCENDIDO DEL HUSILLO SENTIDO ANTIHORARIO.

M05 PARO DEL HUSILLO

M06 CAMBIO DE HERRAMIENTA.M08ENCENDIDO DEL REFRIGERANTE.M09 APAGADO DEL REFRIGERANTE.M14 PARADA DE REFRIGERACIÓN.

M30FIN DE PROGRAMA Y VUELTA A LA SECUENCIA No I.

2.4 CÓDIGOS DE APOYO.

Los códigos de apoyo establecen las características de alguna operación específica en el proceso mecanizado y van acompañados de algunos códigos preparatorios y auxiliares.

CÓDIGOS DE APOYO

F= VALOR DE AVANCE EN MM/MIN UTILIZADO EN LOS CÓDIGOS G01, G02, G03, G84, ETC.

R= VALOR DEL RADIO EN LAS INTERPOLACIONES CIRCULARES G02 Y G03.

P= VALOR DEL PASO EN UNA ROSCA UTILIZADO EN UN CÓDIGO G33.

C= NÚMERO DE CORTES O PASADAS EN UN CÓDIGO G33.

T= NÚMERO DE LA HERRAMIENTA UTILIZADA EN UN CÓDIGO M06.

S= R.P.M.