sistemas de conformaciÓn mecÁnica que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que...
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MÁQUINAS, HERRAMIENTAS, OPERACIONES ....
APUNTES DE CLASE / FICHAS 54-98
DPTO. DE INGENIERÍA MECÁNICA
SISTEMAS DE CONFORMACIÓN
MECÁNICA
2
CONFIGURACIÓN (DISPOSICIÓN Y FUNCIÓN) DE
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS EN UNA MÁQUINA-
HERRAMIENTA DE CONTROL NUMÉRICO.
PARTE I – CONCEPTOS BÁSICOS
3
RELACIÓN ENTRE FACTORES
4
HEIDENHAIN
¿ Qué es el CONTROL NUMÉRICO ?
Es un dispositivo de automatización que implantado en una máquina-
herramienta, automatiza y controla todas las acciones que la máquina puede
desarrollar, y lo hace mediante una serie de instrucciones codificadas.
Es decir que el CN puede controlar:
Los movimientos de los carros o del cabezal.
El valor y el sentido de las velocidades de avance y de corte.
Los cambios de herramientas, así como la de piezas.
Las condiciones de funcionamiento de la máquina.
5
¿ Qué elementos intervienen en la PROGRAMACIÓN?
PROGRAMA CONTROL
NUMÉRICO MÁQUINA
Contiene toda la
información de las
acciones a realizar para
obtener el pieza. Es
escrito en un código
(ISO), por medio de
caracteres
alfanuméricos.
Interpreta estas
instrucciones, las convierte
en las señales
correspondientes para los
órganos de accionamientos
de la máquina y comprueba
los resultados.
Ejecuta las
operaciones previstas.
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¿ Cómo es el proceso de EJECUCIÓN DE UNA PIEZA ?
1º.- Escribir el programa ( código ISO), a partir de los datos técnicos que se tienen en el plano de la pieza, y en el proceso de fabricación definido anteriormente.
2º.- Preparación de todos los elementos que se necesitan para empezar la serie de piezas a obtener, como utillajes, herramientas, piezas en bruto, etc.
3º.- Realizar la puesta a punto de la máquina, que normalmente consiste en poner a punto las herramientas de corte, el utillaje de sujeción, y la introducción del programa en el propio CN de la máquina.
4º.- Realización de una pieza de prueba, para comprobar la obtención de los resultados planificados.
7
TALLER CONVENCIONAL vs TALLER FLEXIBLE.
8
VIDEO
“ Fabricación con MHCN y ejemplos
de mecanizado en MHCN “
9
TALLER CONVENCIONAL vs TALLER FLEXIBLE
10
NOMENCLATURA DE EJES Y MOVIMIENTOS en las MHCN
(ISO-841UNE 71-018).
El control de posicionado del útil exige la elección de unos ejes de coordenadas y un origen de los mismos.
Un sistema de ejes cartesianos XYZ, sitúa la herramienta en el punto del espacio deseado y unas rotaciones A, B y C sobre estos ejes le dan la orientación correcta.
11
NOMENCLATURA DE EJES Y MOVIMIENTOS en las MHCN
12
NOMENCLATURA DE EJES Y MOVIMIENTOS en las MHCN
13
NOMENCLATURA DE EJES Y MOVIMIENTOS en las MHCN
14
¿ Qué es el número de EJES ?
1.- MAQUINA DE 2 EJES.
En este tipo de máquinas se puede realizar cualquier mecanizado en el plano definido por los mismos, ejemplo.:torno.
2.- MAQUINA DE 2 EJES Y MEDIO.
El CN gobierna coordinadamente dos ejes y puede situar el tercero en distintas posiciones, pero sin sincronización con los dos primeros.
3.- MAQUINA DE 2 EJES CONMUTABLES.
La máquina posee tres ejes de libertad pero no se pueden sincronizar más que dos a la vez (X,Y) o (X,Z) por conmutación.
El número de ejes gobernados coordinadamente por el CN de la máquina, nos da una clasificación que sirve para medir la complejidad de los mecanizados que puede realizar. No se deberá confundir el nº de ejes, con la cantidad de ejes de movimiento de que dispone la máquina. Solo se contarán los ejes accionados coordinadamente por el controlador de la máquina para posicionar la herramienta de corte.
15
4.- MAQUINA DE 3 EJES.
En estas máquinas podemos mecanizar superficies en tres dimensiones, pero manteniendo la herramienta siempre en la misma dirección.
5.- MAQUINAS DE 4 EJES.
Permite efectuar mecanizados en el espacio manteniendo la herramienta siempre en el mismo plano pero en este puede tomar diferentes orientaciones.
6.- MAQUINAS DE 5 EJES.
Cuando se gobiernan 5 ejes coordinadamente se pueden mecanizar superficies en el espacio manteniendo la herramienta siempre normal a una superficie.
7.- MAQUINAS DE 6 EJES.
¿Es posible?
¿ Qué es el número de EJES ?
Máquinas basadas en cinemática paralela
y cinemática mixta.
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¿ Cómo funciona una MÁQUINA-HERRAMIENTA DE CN ?
CNC = Control numérico
PLC = Autómata programable
V: Pres. = Valor teórico.
C. Real = Valor real
CNC
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AUTOMATISMO O
PARTE DE
CONTROL
SEÑALES DE DETECCIÓN
TRABAJO
CAPTADORES
MÁQUINAS O PROCESO
OPERATIVO
ACTUADORES
Principio de un sistema automático
¿ Cómo funciona una MÁQUINA-HERRAMIENTA DE CN ?
18
¿ Cómo funciona una MÁQUINA-HERRAMIENTA DE CN ?
CARRO
MOTOR EJE X
CARRO
100 mm
IMP
UL
SO
S
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¿ Cómo funciona una MÁQUINA-HERRAMIENTA DE CN ?
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Esquema funcional de un equipo CNC
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Automatismos eléctricos / mecánicos
22
Automatismos eléctricos / mecánicos en una MHCN
Podemos definir un automatismo como un conjunto de elementos capaces de
realizar secuencias de trabajo que debidamente ordenadas y siguiendo una
lógica dan como resultado una maniobra completa. La mayoría de los
automatismos que encontramos en las máquinas herramienta son combinaciones de
elementos mecánicos, eléctricos, neumáticos e hidráulicos.
PUEDEN EXISTIR DIFERENTES TIPOS DE AUTOMATÍSMOS DEPENDIENDO
DE LAS CARACTERÍSTICAS DE SUS ELEMENTOS:
• AUTOMATÍSMOS ELÉCTRICOS.
- AUTOMATÍSMOS MECÁNICOS.
- AUTOMATÍSMOS NEUMÁTICOS.
- AUTOMATISMOS HIDRÁULICOS.
- AUTOMATISMOS MIXTOS.
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PLC (MÓDULOS DE ENTRADA /
SALIDAS)
Componentes eléctricos de una MHCN - PLC
En la mayoría de los automatísmos
empleados en las máquinas herramienta de
cnc, la lógica de dichos automatísmos es
eléctrica, debido a su complejidad y a la
integración necesaria de todos estos
automatísmos en un control único (plc -
control lógico programable) que trabaja
por medio de señales eléctricas.
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Componentes neumáticos-hidráulicos
CILINDROS ELECTROVÁLVULAS
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ELEMENTOS DE SEGURIDAD
Componentes eléctricos de una MHCN
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN
REGLETAS DE CONEXIÓN
CONTACTORES
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Componentes eléctricos de una MHCN
TRANSFORMADORES
PRESOSTATOS
DETECTORES DE PROXIMIDAD
INTERRUPTORES O PULSADORES
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MOTORES AUXILIARES
Componentes eléctricos de una MHCN
ELEMENTOS DE MEDIDA
28
ÍNDICE
CONFIGURACIÓN (DISPOSICIÓN Y FUNCIÓN) DE
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS EN UNA MÁQUINA-
HERRAMIENTA DE CONTROL NUMÉRICO.
PARTE II – EQUIPO DE CONTROL NUMÉRICO
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Configuración de un EQUIPO CN
30
Configuración de un EQUIPO CN
31
Configuración de un EQUIPO CN
32
100
Configuración de un EQUIPO CN
33
Configuración de un EQUIPO CN
34
Configuración de un EQUIPO CN
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Requisitos actuales de MÁQUINA. CNC´s para MAV.
Tiempo de proceso de bloque
es el mínimo tiempo que transcurre entre la
ejecución de dos bloques del programa de CNC.
1 ms = 1000s
Tiempo de ciclo del servoaccionamiento
tiempo que transcurre entre cada medida de
posición y actualización de la consigna que el
CNC envía a los servoacionamientos.
0,1 ms
Look-Ahead
el procesador evalúa por adelantado los cambios
en los movimientos de los ejes que aparecen en
el programa de pieza que se está ejecutando
100 / 1000 bloques
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Interpolación polinómica. NURBS.
El empleo los NURBS para definir una
trayectoria de mecanizado precisa
evidentemente de la disponibilidad de un
CNC con interpolador polinómico, capaz de
procesar la información codificada en esta
forma
Capacidad de almacenamiento. Ethernet.
CNCs están, cada vez más, basados en
arquitecturas PC y conexión a red
Control de aceleraciones, suavización
posibilidad de limitar el valor del jerk, lo que
hace que el perfil de la aceleración no sea
una constante, sino que tenga forma
trapezoidal
curva de la aceleración= función sen2. Controles abiertos
aprovechan la arquitectura PC para permitir
al usuario implementar funciones propias,
poniendo a su alcance muchos recursos
internos del control
Requisitos actuales de MÁQUINA. CNC´s para MAV.
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ÍNDICE
CONFIGURACIÓN (DISPOSICIÓN Y FUNCIÓN) DE
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS EN UNA MÁQUINA-
HERRAMIENTA DE CONTROL NUMÉRICO.
PARTE IV – CENTRO DE TORNEADO
38
VIDEOS
“ Configuración centro de torneado
SHAUBLIN “
“ Diferentes arquitecturas:
TRAUB-NAKAMURA-SCHAUBLIN “
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TORNO DE CNC (Centro de torneado)
PARTES PRINCIPALES:
1.- Estructura.
2.- Guiado de carros.
3.- Husillo principal (Cabezal).
4.- Accionamiento.
5.- Contrapunto.
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TORNO: partes principales
41
SOPORTE O BASE SOBRE LA CUAL SE ASIENTAN TODOS LOS
DISPOSITIVOS O ELEMENTOS DE LA MÁQUINA HERRAMIENTA
TORNO – Estructura (bancada)
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FUNDICIÓN: - Tiene buen amortiguamiento.
- Contracciones durante el envejecimiento.
- Tiempo de fabricación elevado.
- Consumo de energía elevado.
- Tratamiento anticorrosión.
- Fácil obtención de formas complicadas.
ACERO SOLDADO: - Bajo amortiguamiento.
- Elevada rígidez.
- Costes de fabricación elevados.
- Tratamientos para reducir tensiones residuales.
- Tratamiento anticorrosión.
- Tiempos de fabricación elevados.
- Tendencia a producir ruidos.
CARACTERISTICAS DE APLICACIÓN DE LOS MATERIALES PARA
ESTRUCTURAS DE MÁQUINAS
HORMIGÓN: - Elevado amortiguamiento.
- Tiempo de curado elevado.
- Tendencia a las grietas bajo determinadas condiciones.
- Cambios dimensionales con la humedad.
- Tratamiento de superficies.
HORMIGÓN-EPOXI: - Elevado amortiguamiento.
- Tiempo de fabricación corto.
- Estabilidad dimensional.
- Coste de fabricación reducidos.
- Resistencia al agua y a los fluidos de corte.
TORNO – Estructura (bancada)
43
Capacidad de la máquina para
absorber la vibración provocada por la
acción del corte, herramienta o porta
desequilibrado.
TORNO – Estructura (bancada) - AMORTIGURACIÓN
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SUMINISTRAN LA POTENCIA NECESARIA PARA LAS
OPERACIONES DE CORTE
Torno Centro de mecanizado horizontal
TORNO – Husillo principal (CABEZAL)
45
TORNO – Husillo principal (CABEZAL)
Cabezales de taladrado / fresado a velocidades de 20000 rpm o
superiores.
Elevadas características de marcha concéntrica del sistema cabezal y
regulación de la velocidad.
Nuevos rodamientos basados en tecnologías de recubrimiento en las
pistas de rodadura y combinando materiales y lubricaciones.
Estabilidad térmica y control de temperatura.
46
Requisitos de MÁQUINA. El Cabezal. ¿engranajes?
Transmisión por engranajes
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Requisitos de MÁQUINA. El Cabezal integrado.
Cabezal con acoplamiento directo
Cabezal integrado
48
TORNO – Configuraciones posibles
49
TORNO – Configuraciones posibles
50
PERMITE EL DESPLAZAMIENTO DE LAS HERRAMIENTAS DE
CORTE O BIEN DE LA PIEZA A MECANIZAR
TORNO – Guiado de carros
51
TORNO – Guiado de carros
52
TORNO – Máquina-herramienta. Torreta.
Permite la sujeción de herramientas estándar de
torneado así como de herramientas rotativas
frontales y radiales para operaciones de fresado y
taladrado.
Dada la evolución de las herramientas de corte
actuales, debe posibilitar la alimentación interna
de refrigerante
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Proporcionan la potencia necesaria para el desplazamiento de la herramienta de
corte a lo largo de la trayectoria a mecanizar, mediante el movimiento de los diferentes
carros a lo largo de sus guías.
Los husillos pueden permitir la transmisión de potencias de accionamiento del orden de
37Kw. y superiores, pares de 1200 Nm. y mayores o velocidades medias del orden de
las 8500 r.p.m. y más elevadas. Se les exige una excelente estabilidad de marcha, así
como una elevada rigidez tanto a esfuerzos de flexión como de torsión.
El accionamiento de los carros de guiado puede ser indirecto o bien directo.
TORNO – Accionamientos de avance
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Requisitos de MÁQUINA. Motor lineal.
¿ síncronos o asíncronos ?
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Requisitos de MÁQUINA. Motor lineal vs husillo de bolas.
Husillo a bolas
Motor lineal
Velocidad máxima
0,5 m/s
2 m/s (3 ó 4 posible)
Aceleración máxima
0,5 – 1 g
2 – 10 g
Rigidez dinámica
9 – 18 kgf/mm
6– 21 kgf/mm
Tiempo posicionado
100 ms
10 – 20ms
Fuerza máxima
26.700 N
9.000 N/bobina
Fiabilidad
6.000 – 10.000 h
50.000 h
56
Uniones INDIRECTAS
Las uniones indirectas incorporan un
sistema polea-correa-polea entre el
motor y el husillo a bolas. Esta
solución se adopta básicamente para
problemas de espacio en el montaje
del motor o bien para multiplicar el par
o la velocidad de salida del motor con
una proporción reductora o
multiplicadora respec-tivamente.
Esta solución no es recomendable en
una máquina de alta velocidad, porque
la transmisión a correa rebaja la rigidez
del sistema debido a la elasticidad de
la correa y, especialmente, a
frecuencias de trabajo altas. La ventaja
más importante de estos montajes es
el aislamiento térmico del motor, cosa
que evita evacuar con tanta urgencia el
calor que genera.
TORNO – Accionamientos de avance
57
Uniones DIRECTAS
Las uniones directas consisten en una unión
doble que fija los extremos del husillo y del
eje del motor. Estas uniones pueden tener
diferentes grados de rigidez.
Las uniones más rígidas son simplemente una
pieza sólida de acero. Éstas proporcionan
mucha precisión, pero obligan a un montaje muy
preciso porque no absorben ninguna
desalineación de los ejes motor y husillo. Esta
desalineación crea un esfuerzo cíclico, que
puede producir la rotura de alguno de los ejes
por fatiga.
Para evitar estos problemas se utilizan unas
uniones que proporcionan cierta flexibilidad
radial y axial, pero en cambio tienen mucha
rigidez torsional. Éstas son, sin duda, las más
utilizadas en las máquinas de alta velocidad.
Zona de unión del eje
TORNO – Accionamientos de avance
58
Operaciones
complementarias de
Fresado y taladrado
TORNO – Configuraciones posibles
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TORNO – Configuraciones posibles
60
TORNO – Configuraciones posibles
61
TORNO – Configuraciones posibles
62
TORNO – Configuraciones posibles
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TORNO – Configuraciones posibles
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TORNO – Configuraciones posibles
65
TORNO – Configuraciones posibles
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TORNO – Configuraciones posibles
67
TORNO – Configuraciones posibles
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TORNO – Configuraciones posibles
CENTRO DE TORNEADO
FLEXIBLE MULTITAREA
1 husillo principal +
contrahusillo – con 11 ejes
de posición y 5 ejes
controlados
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TORNO – Configuraciones posibles
TORNEADO EN 4 EJES SOBRE UN HUSILLO Y MECANIZADO A LA VEZ EN EL OTRO
MECANIZADO INDIVIDUALIZADO POR HUSILLO Y TORRETA
70
TORNO – Configuraciones posibles
CENTRO DE TORNEADO
MULTIEJES
1 husillo principal + contrahusillo
– con 9 ejes de posición y 4 ejes
controlados
71
TORNO – Configuraciones posibles
TORRETA SUPERIOR CON POSICIÓN ANGULAR (eje B)
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TORNO – Configuraciones posibles
CENTRO DE TORNEADO
FLEXIBLE MULTITAREA
1 husillo principal +
contrahusillo – con 11 ejes
de posición y 5 ejes
controlados
73
TORNEADO EN 4 EJES SIMULTANEOS FRESADO, TALADRADO Y ROSCADO
SIMULTANEO POR TRES TORRRETAS
TORNEADO Y FRESADO SIMULTANEO EN
TRES TORRETAS SOPORTE DE CENTRADO EN TORRETA
TORRETA COMO APOYO CENTRAL
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ÍNDICE
CONFIGURACIÓN (DISPOSICIÓN Y FUNCIÓN) DE
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS EN UNA MÁQUINA-
HERRAMIENTA DE CONTROL NUMÉRICO.
PARTE V – CENTRO DE MECANIZADO
75
VIDEO
“ Configuración centro de mecanizado
SHAUBLIN “
“Diferentes arquitecturas:
SCHAUBLIN - HECKERT- DECKEL ...“
76
PARTES PRINCIPALES:
1.- Estructuras.
2.- Guiado de carros.
3.- Husillo principal.(Cabezal).
4.- Accionamientos.
5.- Almacén de herramientas.
CENTRO DE MECANIZADO
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Palets de sujeción y
manipulación de
piezas
Almacén y cambiador de
herramientas
Extractor de
virutas
Armario eléctrico. Equipo
neumático e
hidráulico
Husillo principal,
eje Z
Husillo Longitudinal,
eje X
Husillo Longitudinal,
eje X
CENTRO DE MECANIZADO – Partes principales
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Tipo C
Columna
fija
Tipo C
Columna
Fija
Columna
móvil
Columna
fija con
caña
Columna
móvil
Tipo C
Columna
fija Puente o
pórtico
fijo
138
CENTRO DE MECANIZADO – Configuración de bancada
79
El MAV requiere máquinas con estructuras
muy rígidas
La arquitectura de la máquina debe tener
una configuración estudiada y modular
144
CENTRO DE MECANIZADO – Configuración de bancada
80 145
CENTRO DE MECANIZADO – Configuración de bancada
81
CENTRO DE MECANIZADO – Guiado
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CENTRO DE MECANIZADO – Guiado.
Guías de fricción hidrodinámicas
Se trata de dos superficies planas o inclinadas, rectificadas
y tratadas térmicamente para aumentar la dureza superficial,
que incorporan una película intermedia de aceite para
mejorar el deslizamiento. Las superficies pueden ser
rasqueteadas dependiendo de la precisión geométrica
requerida, y una de las superficies lleva un recubrimiento
de “Turcite” para disminuir el deslizamiento y mecanizar los
conductos de aceite
Estas guías presentan una buena absorción de las
vibraciones para la película de aceite, y el coeficiente de
amortiguación es proporcional a la superficie de
contacto. Esta característica las hace ideales para
aplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en
aplicaciones donde el acabado superficial es crítico.
83
Además, se produce un efecto de “stick-slip”
debido a la diferencia de valor del coeficiente
estático y dinámico de fricción. Cuando la
máquina se para, el espesor de aceite
disminuye aumentando la fricción del sistema.
Este efecto es muy perjudicial para los
servosistemas cuando se producen constantes
cambios de sentido en los ejes, ya que se
presenta una resistencia diferente al movimiento
cuando el eje justo empieza a moverse y después
de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip” o
pegar-deslizar.
Este efecto no favorece, en principio, a las
máquinas que deben describir trayectorias de 3D
de grandes precisiones.
CENTRO DE MECANIZADO – Guiado.
84
Guías de rodadura
Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El
elemento fijo monta unas guías rectificadas con unas superficies donde ruedan las bolas o
cilindros, que dan vueltas a un circuito contenido en un bloque precargado y que se fija al
elemento móvil de la máquina. Para cada guía se monta un mínimo de dos bloques. Cuanto
más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá que montar.
Estas guías no necesitan ajuste, y su vida es presumiblemente mayor que la de las guías
hidrodinámicas, si bien no se dispone todavía de valores estadísticos suficientes para
asegurarlo.
Sección de una guía de rodadura con cilindros de la marca IKO (izquierda) y una guía de rodadura de bolas montada al carro de una máquina horizontal de la marca THK (derecha)
CENTRO DE MECANIZADO – Guiado.
85
Las guías de rodadura presentan una mayor
rigidez que las guías hidrodinámicas del mismo
tamaño, pero la capacidad de absorción de las
vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de
fricción es mucho más bajo y, por tanto, se
pueden conseguir respuestas dinámicas mucho más
cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.
Estas guías son hoy en día la solución casi
exclusiva a las máquinas de producción que
requieren aceleraciones y velocidades muy
elevadas para reducir los tiempos de
posicionamiento. Como ejemplo se muestra el
centro de mecanizado vertical de la fotografía
siguiente.
Este centro tiene movimientos en rápido de 40
m/min, y está destinado básicamente a la
producción de pequeñas piezas de aluminio
prefundido.
Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la producción de piezas. Todas las
guías son de rodadura
CENTRO DE MECANIZADO – Guiado.
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SON TODOS AQUELLOS DISPOSITIVOS QUE SIRVEN PARA REALIZAR MANIOBRAS
RELACIONADAS INDIRECTAMENTE CON LA ACCIÓN DE MECANIZADO, PERO QUE
CONTRIBUYEN A LA MEJORA O AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO
ENTRE ESTOS DISPOSITIVOS AUXILIARES, PODEMOS CITAR COMO EJEMPLO:
- CAMBIADORES AUTOMÁTICOS DE HERRAMIENTAS.
- EQUIPOS DE SUMINISTRO DE REFRIGERANTE DE CORTE.
- EXTRACTORES DE VIRUTAS.
- SISTEMAS HIDRÁULICOS O NEUMÁTICOS DE AMARRE DE PIEZAS.
- ...
CENTRO DE MECANIZADO – Dispositivos auxiliares
87
CENTRO DE MECANIZADO – Dispositivos auxiliares: pallets
88
Accionamiento por engranajes
Disposición del husillo mixta
VERTICAL-HORIZONTAL
CENTRO DE MECANIZADO – Dispositivos auxiliares: orientación
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Lineal
Cartucho
Esférico
Tambor
CENTRO DE MECANIZADO – Dispositivos auxiliares: almacén htas.
90
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
91
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
92
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
93
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
94
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
95
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
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Util de amarre
Cambio de herramienta
Cambiador de palets
Cambiador de palets
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
97
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
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Máquinas basadas en cinemática paralela
y cinemática mixta.
El Seyanka, muestra de la tecnología más avanzada en la actualidad. Se trata
de una arquitectura de cinemática paralela de tipo hexápodo, desarrollada
por la Fundación Tekniker. Todavía falta algún tiempo para que se
generalice. En el futuro, tal vez, este tipo de máquinas sean consideradas
historia.
CENTRO DE MECANIZADO– Configuración
99
Requisitos de MÁQUINA. Configuración básica
100
Requisitos de MÁQUINA. Control de temperatura.
FUENTES DE DISTORSIÓN
TÉRMICA:
Los cambios de temperatura
ambiente.
El calor generado por la propia
máquina.
El calor que se genera en el
propio proceso de mecanizado. .
101
Requisitos de MÁQUINA. Control de temperatura.
Refrigeración
de un cabezal
integrado
102
Deformación térmica, un factor importante.
La bancada.
Debido a que se trata de estructuras de
grandes dimensiones, desde el punto de vista
económico sería difícil de compensar
deformaciones con modificaciones en su
arquitectura.
Lo normal es recubrir las zonas más
expuestas con materiales aislantes que, si
bien reduce la influencia de la temperatura
ambiente, no aquella que se genera durante
largos tiempos de mecanizado que pueden
producir modificaciones estruc-turales tipo S
(fig.1).
Además del calor del mecanizado -que se transfiere con las virutas y el refrigerante- otros elementos
que influyen en la temperatura de la estructura son los circuitos hidráulicos y los componentes
eléctricos del control.
103
En muchos equipos la deformación continúa
después que empiece a disminuir la
temperatura, o bien aquélla se genera en
dirección opuesta y las formas no vuelven a su
forma original hasta mucho después de
alcanzar la temperatura inicial.
Este comportamiento se puede explicar porque
el valor varía en cada componente. Como
muestra la fig.2, el diseño que acusa estas
diferencias se inclina hacia el lado donde la
temperatura es más baja.
Los elementos de la máquina mas susceptibles
a generar error por este hecho son la columna
y el cabezal del husillo.
Deformación térmica, un factor importante.
104
La fig.3 muestra en una máquina vertical, la
posición de la columna (y cabezal).
Cuando las temperaturas de la parte frontal y
posterior aumentan un mismo valor, la
posición del husillo se mueve
proporcionalmente hacia arriba y al frente; si
hay diferencia se curva generándose errores
de posición acentúandose si las variaciones
de temperatura son irregulares. Si se desea
alta precisión debe corregirse este problema
(solución TAS-C de Okuma).
Deformación térmica, un factor importante.
105
La fig.9 muestra los gráficos registrados
durante dos días de la temperatura
ambiente e inclinación de la columna. El
gráfico superior se refiere al comportamiento
antes de la modificación.
La inclinación de la columna va siguiendo
casi proporcional a la temperatura que es
más estable en días nubosos o lluviosos y
también lo son las inclinaciones de la
columna.
El gráfico inferior muestra el estado después
de la modificación tras dos días de buen
tiempo en que a pesar de oscilaciones mas
amplias de la temperatura ambiente, la
inclinación mejoraba respecto a la registrada
en el caso anterior (menos de 1/3).
Deformación térmica, un factor importante.
106
Deformación térmica, un factor importante.
Evaluación de nuevos productos el valor de la deformación térmica con un cambio de 8ºC en el
ambiente de prueba del laboratorio. Los resultados se ven en la figura. Las dimensiones varían
según lo previsto; pero se garantiza una precisión de 0.01mm, o menor gracias al conjunto de
medidas correctoras.
107
Comparativa de materiales con Velocidad de corte
Actualmente las deformaciones térmicas del cabezal de los centros de mecanizado del fabricante
OKUMA, se compensan con un algoritmo de corrección interno de programa que considera los
aspectos mencionados tal como muestra la figura siguiente.
108
Deformación térmica, un factor importante.
Se puede utilizar programas NC con curvas NURBS o
definidas como diminutas interpolaciones lineales y las
intervenciones manuales durante la operación son tan
prácticas como las de un control normal NC: corrección,
parada de avance, verificación, modificación, etc.
109
Comparativa de materiales con Velocidad de corte
Esta función consigue un control óptimo según las especificaciones de la maquina; las formas curvas o
aristas vivas de la pieza; las condiciones de mecanizado; etc. Calculando la velocidad de avance óptima
(función Hi-Cut), control de aceleración, etc. Para garantizar una precisión de mecanizado segura y
amortiguar las rampas de aceleración y deceleración de la máquina sin sacudidas (función Hi-G), para un
mecanizado de calidad y alta velocidad.
110
CENTRO DE MECANIZADO – Control de vibraciones
Las vibraciones en la máquina son provocadas por la aceleración y desaceleración de los
ejes, afectando al tiempo y precisión de mecanizado. Algunas máquinas disponen de un
control de vibración durante el mecanizado que mejora sustancialmente el acabado de las
superficies.
111
Requisitos de MÁQUINA. Seguridad redoblada.
El control numérico tiene que permitir
entradas y salidas rápidas para
reaccionar inmediatamente y las masas
en rotación tienen que estar equilibradas
con mucho más cuidado.
En las máquinas actuales existe también
un factor añadido, que es el riesgo que
supone una masa moviéndose a muy alta
velocidad. Recordemos que la energía
cinética aumenta con el cuadrado de la
velocidad, y ésta resulta ser en la
práctica hasta un orden de magnitud
superior a la del mecanizado
convencional.
112
CENTRO DE MECANIZADO – Seguridad simulada
Cuando el operario mueve manualmente
los ejes de la durante la medida de la
herramienta o en el cambio de plaquitas,
se visualiza simulataneamente en la
pantalla del control los movimientos para
comprobar posibles interferencias,
parandose la máquina en el caso de
detectar dicha interferencia.
113
PRECISION Y SERVICIO.
FACTORES QUE ENCABEZAN LA LISTA DE PARAMETROS EN LA EVALUACION
PREVIA A LA ADQUISICIÓN DE NUEVAS MÁQUINAS.
Resultados de una encuesta entre 200 responsables de compras e ingeniería,
sobre los parámetros que se evalúan al adquirir nueva maquinaria y la
importancia que le han dado a cada concepto.
En cuanto a los encuestados, el 19% pertenecían a empresas con 1-49
empleados, el 28% a empresas con 50-99 empleados, el 19% a aquellas con entre
100-199, 20% a las de 200-499, 12% a las de 500-999 y un 1% superiores a 1000.
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
114
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
115
Requisitos actuales de MÁQUINA-HERRAMIENTA DE CN.
Posibilidades y limitaciones del cabezal
(husillo).
Suministro del fluido.
Velocidades de mecanizado.
Programación de los controles numéricos
mediante funciones especiales de anticipación
de trayectorias.
La temperatura de cara a la obtención de
tolerancias.
La estrategia del mecanizado, donde los
detalles estén definidos alrededor del filo
herramienta, geometría, material y el proceso
que ha de seguir el programa de control
numérico.
116
ÍNDICE
CONFIGURACIÓN (DISPOSICIÓN Y FUNCIÓN) DE
DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS EN UNA MÁQUINA-
HERRAMIENTA DE CONTROL NUMÉRICO.
PARTE III – PRESTACIONES FUNCIONALES
117
CARACTERISTICAS BÁSICAS DE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA
DISEÑO MECÁNICO DE MÁQUINAS-HERRAMIENTA.
a.- ¿Como podemos considerar el concepto DISEÑO?
Proceso de elaboración de soluciones que partiendo del análisis funcional, llega a la definición física de un producto capaz de satisfacer los requisitos funcionales con limitaciones definidas.
El paso de lo funcional a lo formal requiere el desarrollo de especificaciones y la determinación de los
parámetros básicos de diseño. Estos parámetros básicos deben permitir el análisis mecánico de las soluciones parciales y globales, dadas al problema del diseño de la máquina-herramienta.
El desarrollo de especificaciones y determinación de los parámetros básicos es una etapa crítica en el
diseño de las máquinas-herramienta, pues determina sus características funcionales y su competitividad.
Definición de las especificaciones técnicas y los parámetros mecánicos básicos.
118
CARACTERISTICAS BÁSICAS DE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA
ESPECIFICACIONES FUNCIONALES.
Definen características de la máquina desde el punto de vista de su utilización. La clasificación puede hacerse mediante los siguientes grupos:
1.- ARQUITECTURA Y CARACTERÍSTICAS DIMENSIONALES.
2.- CAPACIDAD DE ARRANQUE.
3.- PRECISIÓN DE TRABAJO.
4.- AUTOMATIZACIÓN.
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
Definen las características "internas" a que debe responder la máquina.
1.- RIGIDEZ ESTÁTICA.
2.- RIGIDEZ DINÁMICA.
3.- DURACIÓN O VIDA DE ELEMENTOS MECÁNICOS (engranajes, cojinetes,...)
119
CARACTERISTICAS BÁSICAS DE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA
PARÁMETROS MECÁNICOS BÁSICOS
Se derivan de la capacidad de arranque de material de la máquina y constituyen las acciones a que deben responder su diseño.
Parámetros:
W POTENCIA (KW)
Tmax Par máximo (N.m)
nmin Velocidad angular mínima (r.p.m.)
nmáx Velocidad angular máxima (r.p.m.)
Vf Velocidad de avance (mm/min)
Fx, Fy y Fz Esfuerzos de corte según ejes X, Y, Z. (N)
Determinan el diseño de elementos y subconjuntos de la máquina-herramienta.
120
Máquina-herramienta - ¿ Exigencias, parámetros ?
Material Vc Herramienta
mínimo Velocidad angular (S)
Aeronáutica: piezas de estructuras
Aluminio 1200 15 25.500
Moldes de inyección de plásticos multicavidad de precisión
Acero DIN 1.2344
220 1 70.000
Aeronáutica: piezas estructurales
Titanio 60 Ø 10 1.900
Tabla 1.- Velocidad angular máxima del cabezal
Material Z Herramienta
mínimo Velocidad
(S)
Avance por diente
(fz)
Avance de trabajo
(F)
Aeronáutica: piezas de estructuras
Aluminio 3 15 25.500 0,25 19.125
Moldes de inyección plásticos
Acero DIN 1.2344
2 1 70.000 0,05 7.000
Aeronáutica: piezas estructurales
Titanio 3 Ø 10 1.900 0,2 1.140
Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente
121
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
Material Avance de trabajo (F)
Ae Ap MRR MRp Ps
Aeronáutica: piezas estructuras
Aluminio 19.125 15 15 4303 71,4 60,2
Moldes inyección plástico
Acero DIN 1.2344
7.000 0,4 0,04 0,112 14,7 0,008
Aeronáutica: piezas estructurales
Titanio 1.140 6 5 34,2 20 1,8
Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello
122
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
Unidades automatizadas, de tres ejes interpolados que trabajan en alta velocidad de
translación, de giro y en los cambios de herramienta
Fiabilidad sin disminuir las exigencias de productividad.
Ajustarse a las necesidades de demanda.
Competitividad.
Productividad Máquinas Transfer
(rápidas y con elevado tiempo de funcionamiento (24h), 1
unidad rígida para cada operación de mecanizado,
fabricación de piezas específicas)
Flexibilidad Centros Mecanizado
(baja productividad, gran variedad de piezas, capacidad
de programación)
Alta Velocidad
Alta Aceleración
Alta capacidad de
corte
Módulos Configurables
Objetivo
Combinan
123
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
ESPECIFICACIONES DE
LA MÁQUINA
Solución compacta
Solución Modular
Fácil integración de los sistemas de manipulación
Máxima prestaciones en velocidad y aceleración
ARQUITECTURA DE
LA MÁQUINA PROPIEDADES
Pieza estática y utillaje, no afectan al
comportamiento dinámico de la máquina.
Estructura modular Movimiento de la
herramienta (3 ejes) independiente de la
pieza a mecanizar.
Disposición Horizontal Fácil evacuación
de viruta.
ESPECIFICACIÓN VALORArquitectura Máquina Caja en caja
Curso X 630
Curso Y 500
Curso Z 500
Velocidad de Avance Máxima, ejes X, Y, Z 120 m/min
Aceleración Máxima, (Ejes X, Y) 15 m/s2
Aceleración Máxima, (Eje Z) 20 m/s2
Pallet 630x630
Electromandrinado 24.000 rpm
Como Adaptador Herramienta HSK A-63
ATC 16 herramientas
Material Estructural Perfil comercial
124
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
MOTORES LINEALES
SÍNCRONOS
ASÍNCRONOS
INCONVENIENTES
Gran atracción
magnética.
Necesidad de un buen
aislamiento en la parte
de trabajo para evitar la
presencia de viruta.
VENTAJAS
Mayor eficiencia.
Mayores prestaciones de
velocidad y aceleración.
Mayor fuerza/unidad de
peso.
Menor necesidad de
refrigeración
CABEZAL
Operaciones
Fresado
Planeado
Taladrado
Roscado
etc...
Múltiples condiciones de corte
(velocidad, avance, etc...)
Tiempos de aceleración y
deceleración mínimos.
125
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
ESTUDIO GENERAL
DISEÑO (masa a desplazar
y peso de los motores)
ANÁLISIS
ESTRUCTURAL (deformación de la
estructura debido a los
motores)
CICLO DE TRABAJO (requerimientos de velocidad
y aceleración)
X, Y Z
Tiempo Parado 45 30
Tiempo acel./decel. sin mecanizar 35 10
Tiempo a velocidad constante sin mecanizar 0 10
Tiempo acel./decel. y mecanizado 10 0
Tiempo a velocidad constante y mecanizado 10 50
TOTAL 100% 100%
CICLO DE TRABAJO
126
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
ESTRUCTURA
FIJA
ESTRUCTURA
MÓVIL
Materiales para responder al compromiso
masa/rigidez que debe cumplir una estructura
bajo altos requerimientos de aceleración
acero soldado + aluminio
Método de
Elementos
Finitos
Afectada continuamente por el movimiento a alta
velocidad de las partes móviles de la máquina y
por las fuerzas de atracción de los motores
lineales dotadas de amortiguación
CAMBIADOR DE
HERRAMIENTAS
Tiempos de parada/arranque
Tiempos de aproximación/retirada
Movimientos de almacén
Cambios de herramienta
Mínimos
127
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
CNC
Para conseguir:
Respuesta rápida y amortiguada
Altas velocidades
Altas aceleraciones
Proceso de ajuste de parámetros,
regulación y uso de funciones de
control
Función Lookhead: regula la velocidad de
avance en función de las características
geométricas del recorrido calculando en las
curvaturas y en los cambios de dirección las
velocidades máximas posibles.
Función Feedforward: reduce al
máximo el error de seguimiento en la
respuesta a través de un comando
en adelanto enviado por el CNC.
128
Máquina-herramienta - ¿Exigencias?
Aplicaciones
Refrigeración
Disposiciones
Mínimo espacio (instalación de los tubos de
conexión entre las partes móviles y las partes
fijas)
Garantizar la alta disponibilidad de la
máquina (velocidad y aceleración extrema)
1 única máquina con intercambio de pallets.
Configuración en línea (varias máquinas).
Configuración circular (varias máquinas)
Sector automovilístico
Sector aeronáutico
Fabricación de moldes
Fabricación de matrice, etc.