Extensión Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA Y
AUTOMATIZACIÓN
Tesis de grado previo a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Tema:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO GRAFICADOR MEDIANTE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO-CNC
Estudiantes: LUIS EDUARDO BALCÁZAR RODRIGUEZ ALQUIBAR DE JESÚS ANDRADE CAICEDO
Director de Tesis: ING. JORGE TERÁN
ii
SUSTENTACIÓN Y APROBACIÓN DE LOS INTEGRANTES DEL TRIBUNAL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO GRAFICADOR MEDIANTE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO-CNC. Ing. Jorge Terán
DIRECTOR DE TESIS ________________________________
APROBADO
Ing. Nilo Ortega
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Victor Armijos
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Holger Zapata
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
iii
RESPONSABILIDAD DEL AUTOR
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad de los autores.
_________________________________ Luis Eduardo Balcázar Rodriguez CC. 210008633-5
_________________________________ Alquibar De Jesús Andrade Caicedo CC. 172078494-9
Autores: LUIS EDUARDO BALCÁZAR RODRIGUEZ
ALQUIBAR DE JESÚS ANDRADE CAICEDO Institución: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Título : DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
GRAFICADOR MEDIANTE CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO-CNC
iv
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…....de………del 2013. Ing. Nilo Ortega.
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA. Presente.
De mis consideraciones.
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo de tesis realizado por los señores: LUIS EDUARDO BALCÁZAR RODRIGUEZ Y ALQUIBAR DE JESÚS ANDRADE CAICEDO, cuyo tema es: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO GRAFICADOR MEDIANTE CONTROL NUMÉRICO
COMPUTARIZADO-CNC”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes. Atentamente.
____________________________ Ing. Jorge Terán
v
Dedicatoria
Sin duda este es un logro importante en mi vida y por ello se lo dedico a mi familia
quienes han sido mi fortaleza e inspiración para ser perseverante y alcanzar mi meta
durante este proceso, a mis padres y a mis hermanos, con el mismo amor con el que
ellos me han dedicado su tiempo, su apoyo incondicional, sus consejos de fortaleza en
los momentos difíciles, por eso ahora es a ustedes a quien me complace dedicar esta
meta alcanzada.
vi
Dedicatoria
Dedico la tesis a mis padres, porque creyeron en mí y porque me sacaron adelante,
dándome ejemplos dignos de superación y entrega, porque en gran parte gracias a
ustedes, hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que siempre estuvieron impulsándome en
los momentos más difíciles de mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo
que me hizo ir hasta el final. Va por ustedes, por lo que valen, porque admiro su
fortaleza y por lo que han hecho de mí.
A mis hermanos, gracias por su apoyo y por haber fomentado en mí el deseo de
superación y el anhelo de triunfo en la vida.
A todos, espero no defraudarlos y contar siempre con su valioso apoyo, sincero e
incondicional.
vii
Agradecimiento
Por ser bendecido todos los días de mi vida agradezco a Dios ante todo, a mi familia
por creer en mí y apoyarme siempre para cumplir mis metas, a mis padres por haber
formado en mi valores que me han permitido ser un hombre de bien, por enseñarme con
sus sabios consejos que con perseverancia y empeño puedo cumplir todas mis metas a
pesar de las adversidades que se presenten, a mi madre en especial por su amor infinito
y por ser aquel ser maravilloso que puso Dios en mi vida, a mis hermanos y a todos
quienes me han demostrado su apoyo incondicional.
A mi director de tesis, Ing. Jorge Terán y a todos los catedráticos de la universidad que
han aportado en mi formación profesional con respeto, responsabilidad, y seriedad en
el transcurso de esta maravillosa carrera y por sus consejos oportunos en la
realización de este proyecto.
viii
Agradecimiento
Como prioridad en mi vida agradezco a Dios por su infinita bondad, y por haber estado
conmigo en los momentos que más lo necesitaba, por darme salud, fortaleza,
responsabilidad y sabiduría.
A mis Padres, Alquibar y Alicia por ser los mejores, por haber estado conmigo
apoyándome en los momentos difíciles, por dedicar tiempo y esfuerzo para ser un
hombre de bien, y darme excelentes consejos en mi caminar diario. A mis hermanos,
Edwin, Noemí, Xavier y Alexandra que con su ejemplo y dedicación me han instruido
para seguir adelante en mi vida profesional
A mi director de tesis, Ing. Jorge Terán por su esfuerzo y dedicación, quien con sus
conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivación ha logrado en mí que
pueda terminar mis estudios con éxito.
ix ÍNDICE
PORTADA ... i
SUSTENTACIÓN Y APROBACIÓN DE LOS INTEGRANTES DEL TRIBUNAL ... ii
RESPONSABILIDAD DEL AUTOR ... iii
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS ... iv
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTO ... vii
ÍNDICE GENERAL ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... xxii
ÍNDICE DE TABLAS ... xxxv
RESUMEN EJECUTIVO ... xxxviii
EXECUTIVE SUMMARY ... xl CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes ... 1
1.2 Título de la Investigación ... 2
1.3 Problema ... 2
1.3.1 Planteamiento del Problema ... 2
1.3.2 Formulación del problema ... 3
1.3.3 Sistematización del problema ... 3
1.4 Objetivos ... 4
1.4.1 Objetivo General ... 4
1.4.2 Objetivos específicos ... 4
1.5 Justificación de la Investigación ... 5
x
1.5.2 Impacto Social ... 5
1.5.3 Impacto Teórico ... 6
1.5.4 Impacto Metodológico ... 7
1.5.5 Impacto Práctico ... 7
1.5.6 Impacto Ecológico ... 8
1.5.7 Viabilidad ... 8
CAPITULO II MARCO REFERENCIAL 2.1 Control Numérico Computarizado (CNC) ... 9
2.1.1 Definición ... 9
2.1.2 Generalidades ... 9
2.1.2.1 Factores que favorecen la implantación de un sistema CNC ... 9
2.1.2.2 Ventajas de la utilización de sistemas CNC ... 10
2.1.2.3 Limitantes para la utilización de sistemas CNC ... 11
2.1.2.4 Características de un sistema CNC ... 12
2.1.3 Arquitectura de un sistema CNC ... 13
2.1.3.1 Enfoque de la arquitectura de un sistema CNC ... 14
2.1.4 Tipos de control en sistemas CNC según su función ... 16
2.1.4.1 Control punto a punto... 16
2.1.4.2 Control Paraxial ... 17
2.1.4.3 Control Interpolar o continuo ... 18
2.1.5 Tipos de controladores CNC ... 19
xi
2.2.1 Mesa móvil ... 20
2.2.2 Puente móvil ... 21
2.2.3 Verticales: ... 22
2.2.3.1 Puente móvil... 22
2.2.3.2 Monopuente... 22
2.2.3.3 Brazo robótico ... 23
2.3 Diseño y Manufactura asistidos por computadora ... 23
2.3.1 Diseño Asistido por Computadora (CAD)... 23
2.3.1.1 Aplicaciones fundamentales del CAD ... 24
2.3.1.2 Paquetes de CAD disponibles en el mercado ... 25
2.3.2 Manufactura Asistida por Computadora (CAM) ... 25
2.3.3 Integración CAD/CAM Control CNC ... 27
2.3.3.1 CNC Control Software (Machining/Milling/Lathe)... 28
2.4 Sistema de coordenadas de un sistema CNC ... 29
2.4.1 Sistema de coordenadas cartesianas o rectangulares ... 29
2.4.1.1 Coordenadas 2D (en un plano) ... 29
2.4.1.2 Coordenadas 3D (en un plano) ... 30
2.4.1.3 Sistema de coordenadas absolutas ... 30
2.4.1.4 Sistema de coordenadas incrementales ... 31
2.5 Ejes de trabajo de un sistema CNC ... 32
2.5.1 Ejes principales ... 32
2.5.2 Ejes complementarios ... 33
2.6 Sistemas de transmisión y guiado lineal ... 35
2.6.1 Sistemas de transmisión ... 35
xii
2.6.1.1.1 Terminología para roscas estándar de husillos y tuercas ... 36
2.6.1.1.1.1 Paso ... 36
2.6.1.1.1.2 Avance y número de entradas o filetes ... 37
2.6.1.1.1.3 Forma del filete ... 38
2.6.1.1.1.4 Ángulo de la rosca ... 39
2.6.1.1.1.5 Sentido de giro ... 39
2.6.1.1.2 Tipos de husillos y tuercas para aplicaciones CNC ... 40
2.6.1.2 Correas Sincrónicas ... 43
2.6.1.3 Piñones y Cremalleras ... 44
2.6.1.4 Cadena y Catarina ... 45
2.6.1.5 Poleas y Cables ... 46
2.6.2 Guiado lineal ... 46
2.6.2.1 Rieles y patines de bolas recirculantes ... 47
2.6.2.2 Ruedas de acero sobre rieles ... 48
2.6.2.3 Rulemanes sobre pistas de acero ... 49
2.6.2.4 Rulemanes sobre pistas blandas ... 49
2.6.2.5 Barras de acero con rodamientos lineales ... 50
2.6.2.6 Barras de acero con bujes de bronce ... 51
2.6.2.7 Barras de acero con bujes plásticos ... 52
2.7 Actuadores para sistemas CNC ... 52
2.7.1 Motor paso a paso ... 53
2.7.1.1 Partes de un motor paso a paso ... 54
2.7.1.2 Secuencia de operación y principio de funcionamiento de un motor paso a paso ………...……55
xiii
2.7.1.3.1 Grados por paso ó Resolución ... 56
2.7.1.3.2 Frecuencia de funcionamiento ... 57
2.7.1.3.3 Voltaje ... 57
2.7.1.3.4 Resistencia ... 57
2.7.1.3.5 Pull-in y Pull-out rate ... 57
2.7.1.3.6 Resonancia ... 57
2.7.1.4 Tipos de motores paso a paso ... 58
2.7.1.4.1 Motores paso a paso de reluctancia variable ... 58
2.7.1.4.2 Motores paso a paso de imán permanente ... 59
2.7.1.4.2.1 Bipolar ... 59
2.7.1.4.2.2 Unipolar ... 59
2.7.1.4.2.3 Híbridos ... 60
2.7.1.4.2.4 Secuencias para manejar motores paso a paso de imán permanente ... 60
2.7.2 Servomotor ... 63
2.7.2.1 Estructura interna ... 64
2.7.2.1.1 Motor de corriente continúa ... 64
2.7.2.1.2 Engranajes reductores ... 64
2.7.2.1.3 Circuito de control ... 64
2.7.2.1.4 Terminales ... 64
2.7.2.2 Principio de funcionamiento ... 64
2.7.2.3 Control... 65
2.8 Controladores CNC ... 65
2.8.1 Tipos de controladores CNC ... 66
2.8.1.1 Controladores Integrados ... 66
xiv
2.8.2 Partes de un controlador CNC ... 67
2.8.2.1 Interfaz ... 67
2.8.2.2 Driver ... 69
2.8.2.2.1 Driver para motor paso a paso ... 69
2.8.2.2.1.1 Unipolar ... 69
2.8.2.2.1.2 Bipolar ... 70
2.8.2.2.2 Driver para Servomotor ... 71
2.9 Programación CNC ... 71
2.9.1 Introducción ... 71
2.9.2 Estándares de programación que rigen para sistemas CNC ... 71
2.9.3 Estructura la programación CNC ... 72
2.9.3.1 Estructura según los grupos de información ... 73
2.9.3.1.1 Datos Geométricos ... 73
2.9.3.1.2 Datos Tecnológicos ... 73
2.9.3.2 La programación según el tipo de estructura ... 74
2.9.3.2.1 Programación estructural ... 74
2.9.3.2.2 Programación Abierta ... 74
2.9.3.3 La programación según la forma de introducción de datos ... 75
2.9.3.3.1 Programación estándar ... 75
2.9.3.3.2 Programación conversacional ... 75
2.9.3.3.3 Programación mixta ... 76
2.9.3.4 La programación según el sistema de escritura del programa ... 77
2.9.3.4.1 Programación manual a pie de máquina ... 77
2.9.3.4.2 Programación manual desde el computador ... 78
xv
2.9.4 Estructura de un bloque de programación CNC ... 79
2.9.4.1 Normas mínimas de escritura de bloque de programa ... 87
2.9.4.2 Restricciones en los bloques de programación ... 88
2.9.5 Códigos de programación CNC (Lenguaje de programación CNC) ... 88
2.9.6 Software de un sistema CNC ... 90
CAPITULO III DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DEL PROTOTIPO GRAFICADOR CNC 3.1 Diseño del sistema mecánico ... 91
3.1.1 Parámetros del diseño mecánico ... 91
3.1.2 Componentes mecánicos a diseñar ... 92
3.1.2.1 Análisis de alternativas de diseño ... 92
3.1.2.1.1 Guiado lineal ... 94
3.1.2.1.2 Sistema de trabajo ... 95
3.1.2.1.3 Sistemas de transmisión ... 96
3.1.2.1.4 Actuadores ... 97
3.1.2.2 Selección de la alternativa para los componentes del sistema ... 97
3.1.2.3 Diseño del carro transversal, coordenada “X” ... 98
3.1.2.4 Diseño del carro longitudinal, coordenada “Y” ... 102
3.1.2.5 Diseño del carro vertical, coordenada “Z” ... 106
3.1.2.6 Diseño de ejes guías ... 109
3.1.2.6.1 Diseño de ejes guías transversal, coordenada “X” ... 111
3.1.2.6.2 Diseño de ejes guías longitudinal, coordenada “Y” ... 115
xvi
3.1.2.7 Diseño referencial de los diámetros de los husillos ... 123
3.1.2.7.1 Cálculo referencial husillo transversal, eje “X” ... 124
3.1.2.7.2 Cálculo referencial husillo longitudinal, eje “Y” ... 125
3.1.2.7.3 Cálculo referencial husillo vertical, coordenada “Z” ... 127
3.1.2.8 Cálculo del torque de los husillos ... 129
3.1.2.8.1 Torque del husillo transversal, coordenada “X” ... 129
3.1.2.8.1.1 La inercia del husillo (Jh) ... 129
3.1.2.8.1.2 La inercia del motor (JMT) ... 129
3.1.2.8.1.3 La inercia total (JT) ... 130
3.1.2.8.1.4 El torque requerido por la inercia total del sistema (TJ) ... 130
3.1.2.8.1.5 El torque requerido para vencer la fuerza de fricción (Tf) ... 131
3.1.2.8.1.6 Torque total (TT) ... 132
3.1.2.8.2 Torque del husillo longitudinal, coordenada “Y” ... 132
3.1.2.8.2.1 La inercia del husillo (Jh) ... 132
3.1.2.8.2.2 La inercia del motor (JML) ... 133
3.1.2.8.2.3 La inercia total (JT) ... 133
3.1.2.8.2.4 El torque requerido por la inercia total del sistema (TJ) ... 133
3.1.2.8.2.5 El torque requerido para vencer la fuerza de fricción (Tf) ... 134
3.1.2.8.2.6 Torque total (TT) ... 135
3.1.2.8.3 Torque del husillo vertical, coordenada “Z” ... 135
3.1.2.9 Diámetros de los husillos ... 137
3.1.2.9.1 Cálculo del diámetro del husillo transversal, coordenada “X” ... 137
3.1.2.9.2 Cálculo del diámetro del husillo longitudinal, coordenada “Y” ... 138
3.1.2.9.3 Cálculo del diámetro del husillo vertical, coordenada “Z” ... 140
xvii
3.2.1 Selección de los ejes guías longitudinal, transversal y vertical ... 141
3.2.2 Selección de husillos longitudinal, transversal y vertical ... 142
3.2.3 Selección del torque de los actuadores ... 143
3.2.4 Selección de rodamientos ... 144
3.2.4.1 Tipo de rodamiento ... 144
3.2.4.2 Espacio disponible ... 144
3.2.4.3 Vida útil ... 145
3.2.4.3.1 Carga de los rodamientos ... 149
3.2.4.4 Selección de los rodamientos para los husillos longitudinal, transversal y vertical……… ... 149
3.2.5 Selección de Casquillos de fricción lineales ... 152
3.2.6 Selección de bujes ... 153
3.3 Análisis estructural en estructura soporte de equipo ... 154
3.3.1 Análisis de estructura ... 154
3.3.1.1 Cálculo del peso en un punto de apoyo ... 155
3.3.1.2 Cálculo del radio de giro ... 155
3.3.1.3 Cálculo de la carga máxima crítica ... 156
3.3.2 Análisis de esfuerzos en perfil de estructura ... 158
3.3.2.1 Cálculo de momento flector ... 159
3.3.2.2 Cálculo del esfuerzo de corte sobre la soldadura de las bases de soporte ... 160
3.3.2.3 Cálculo del esfuerzo de corte sobre el pasador del soporte ... 162
3.3.2.4 Cálculo del esfuerzo flector en el perfil de soporte ... 164
3.4 Selección del sistema de control ... 167
3.4.1 Selección del sistema de control para los ejes X, Y, Z ... 169
xviii
3.4.2.1 Tarjeta interfaz puerto paralelo C10 ... 170
3.4.2.1.1 Características: ... 171
3.4.2.1.2 Funcionamiento: ... 172
3.4.2.1.3 Especificaciones: ... 172
3.4.2.1.4 Configuración de la interfaz ... 173
3.4.2.1.4.1 Configuración de los pines COM ... 173
3.4.2.1.4.2 Configuración de dirección de 2-9 pines ... 174
3.4.2.1.4.3 Funciones especiales ... 174
3.4.2.1.4.4 Pines de alimentación de la interfaz ... 175
3.4.2.1.4.5 Distribución general de los pines de la interfaz ... 176
3.4.3 Selección del driver (Stepper driver) ... 176
3.4.3.1 Tarjeta controladora de motores a pasos DM542A ... 177
3.4.3.1.1 Características: ... 178
3.4.3.1.2 Especificaciones: ... 178
3.4.3.1.3 Asignaciones de pines y descripción ... 179
3.4.3.1.3.1 Configuraciones de pines ... 179
3.4.3.1.3.2 Configuración de resolución del controlador ... 179
3.4.3.1.3.3 Configuración de corriente de parada ... 180
3.4.3.1.3.4 Configuración de corriente de salida ... 180
3.4.3.1.3.5 Función semi-flow ... 180
3.4.3.1.3.6 Conectores de poder ... 181
3.4.4 Selección de la fuente de alimentación ... 181
3.4.5 Selección de los programas de control ... 182
3.4.5.1 Selección de los programas CAD ... 182
xix
3.4.5.2 Selección del programa CAM ... 184
3.4.5.3 Selección del programa CNC ... 185
3.4.5.3.1 Mach 3 ... 185
3.4.5.3.1.1 Características del Mach3 ... 185
3.4.5.3.1.2 Estudio del Mach3Mill ... 186
3.4.5.4 Selección del equipo de cómputo ... 187
CAPITULO IV CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO GRAFICADOR 4.1 Adquisición de materiales y equipos. ... 189
4.2 Construcción ... 190
4.2.1 Construcción de carros longitudinal Y, transversal X y vertical Z ... 190
4.2.1.1 Construcción del carro longitudinal Y ... 190
4.2.1.2 Construcción de los carros transversal X y vertical Z ... 193
4.2.1.3 Construcción del porta herramienta del prototipo graficador ... 194
4.3 Ensamblaje ... 200
4.3.1 Ensamble de elementos mecánicos ... 200
4.4 Ensamble, cableado y conexionado eléctrico ... 204
4.5 Costos totales ... 209
CAPITULO V CONFIGURACIÓN Y PRUEBAS DEL PROTOTIPO GRAFICADOR 5.1 Configuración de Software ... 214
xx
5.1.2 Instalación de los programas Mach3 y LazyCam ... 219
5.1.3 Controles del programa Mach3Mill ... 225
5.1.3.1 Barra de herramientas principal ... 226
5.1.3.2 Sección de control y edición del programa código G ... 228
5.1.3.3 Sección de posición y estado de los ejes de trabajo ... 230
5.1.3.4 Sección de control del husillo ... 231
5.1.3.5 Pantalla de visualización y monitoreo del programa. ... 231
5.1.3.6 Pantalla de diagnóstico ... 232
5.1.4 Controles del programa LazyCam ... 233
5.1.4.1 Barra de herramientas principal LazyCam ... 233
5.1.4.1.1 Menú File ... 234
5.1.4.1.2 Menú Tools ... 235
5.1.4.2 Barra de submenú ... 237
5.2 Configuración de Hardware ... 238
5.2.1 Configuración de la interfaz C10R10.2-S948-33 del puerto paralelo ... 238
5.2.1.1 Configuración de los pines COM de la interfaz C10R10.2-S948-33 del puerto paralelo………..239
5.2.1.2 Configuración de dirección de pines del 10-9 ... 239
5.2.1.3 Configuración de salidas para los pines del 2-9 de la Interfaz C10R10.2-S948-33………...…………240
5.2.1.4 Configuración de entradas para los pines del 10-15 de la interfaz C10R10.2-S948-33……….……….240
5.2.2 Configuración y conexionado de los drivers de los motores paso a paso ... 241
5.2.2.1 Configuración y conexionado de los drivers de los motores paso a paso de los ejes X y Y ... 241
xxi
5.3 Pruebas de configuración software/hardware para puesta en marcha del prototipo
graficador ... 244
5.3.1 Configuración de Mach3Mill ... 244
5.3.1.1 Crear un nuevo perfil de configuración ... 244
5.3.1.2 Configuración de unidades nativas de programa ... 247
5.3.1.3 Configuración de puertos y pines en Mach3 para la interfaz C10R10.2-S948-33….……….……….247
5.3.1.3.1 Port Setup and Axis Selection ... 247
5.3.1.3.2 Motor Outputs ... 248
5.3.1.3.3 Input Signals ... 249
5.3.1.4 Calibración de Ejes X, Y, Z ... 250
5.3.1.5 Sintonización de motores ... 254
5.3.1.6 Máxima velocidad de avance. ... 258
5.3.1.7 Configuración de Soft Limits ... 259
5.4 Pruebas de puesta en marcha y funcionamiento del prototipo graficador CNC 265 5.4.1 Prueba del sistema de control y mecánico ... 266
5.4.1.1 Aplicación práctica de prueba ... 266
CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones ... 280
6.2 Recomendaciones ... 282
Bibliografía………284
xxii
ÍNDICE DE FIGURAS
xxiii
xxiv
xxv
xxvi
xxvii
xxviii
xxix
xxx
xxxi
xxxii
xxxiii
xxxiv
xxxv
Figura 5.109: Medición de los lados del triángulo 100mm ... 278 Figura 5.110 Medición de los lados del cuadrado 100mm ... 279
ÍNDICE DE TABLAS
xxxvi
Tabla 3.4: Asignación de valores de ponderación (sistemas de transmisión) ... 96 Tabla 3.5: Asignacion de valores de ponderación (actuadores) 97
xxxvii
xxxviii
RESUMEN EJECUTIVO
En el presente proyecto se desarrolla un Prototipo graficador mediante control numérico Computarizado CNC, utilizando tecnología CNC y demás recursos encontrados en el medio industrial. El control en general del prototipo graficador CNC es un sistema de lazo abierto formado por el sistema de software y hardware; la parte de software lo constituyen los programas AutoCAD/LazyCam/Mach3, mientras que el hardware lo conforman la tarjeta principal C10, los drivers DM542A y los motores a pasos.
El trabajo realizado está dividido en 6 capítulos, en los que se detalla cada uno de los aspectos que componen el proyecto como son: descripción de los equipos a utilizar, diseño del prototipo, construcción y pruebas de funcionamiento; en el sexto capítulo se determinan las conclusiones y recomendaciones del trabajo realizado.
En el capítulo I; se muestra la introducción, el planteamiento del problema, el objetivo general, los objetivos específicos del estudio y la justificación del proyecto.
En el capítulo II; se detalla todos y cada uno de los aspectos y fundamentos teóricos de los elementos que son fundamentales para el desarrollo del proyecto. Se muestra información recopilada acerca del control numérico computarizado, sobre el sistema de coordenadas CNC, controladores y programación CNC. En la parte mecánica tenemos información acerca de los ejes de trabajo CNC, los sistemas de transmisión y guiado lineal y los tipos de actuadores CNC.
En el capítulo III; se desarrolla el cálculo y diseño físico o parte mecánica de los elementos que conformarán en si el graficador CNC, los elementos primarios lo constituyen los ejes guías, los husillos y el torque de los motores. A partir de lo cual procederá a la selección de estos elementos secundarios como tuercas, bujes, rodamientos y casquillos. Conjuntamente se seleccionara los elementos de control y sistema electrónico que conforma el control del prototipo graficador CNC.
xxxix
ensamble de los componentes del prototipo hasta tener el equipo ensamblado en su totalidad.
En el capítulo V; se procede a realizar las respectivas configuraciones tanto en la parte del software como también del hardware que componen el equipo y en complemento a esto la realización de las pruebas de funcionamiento y puesta a punto del mismo para con ello obtener los resultados finales del proyecto..
xl ABSTRACT
The present project develops a prototype plotter through CNC computer computerized numerical control, using CNC technology and additional resources found in the industrial field. The control of the CNC prototype plotter in general is an open loop system formed by the software and hardware system; the software part is constituted with the programs AutoCAD/LazyCam/Mach3, while the hardware is constituted with the main board C10, drivers DM542A and stepper motors.
This work is divided in six chapters; each of them is detailed with the aspects comprised in the project such as: description of the equipment to use, prototype design, construction and performance tests, in chapter six conclusions and recommendations of this work will be determined.
In Chapter I, some aspects are stated, as: the introduction, the problem statement, and the general and specific objectives of the study.
In Chapter II, each of the basic theoretical foundations for the development of the project is detailed. Furthermore, other issues are explained, like the collected information about the computerized numerical control, the CNC coordinate system, CNC controllers and programming. In the mechanical part, there is available information about axes CNC machining, transmission and linear systems, and CNC actuators.
In Chapter III, there is the development of the information about the calculation and physical design or mechanical part of elements that form the CNC plotter, the primary elements that are guide shafts, as well as the spindle and motor’s torque. From these elements, the selection of the secondary elements such as: nuts, bushings, and cartridge shell. Likewise, the control elements and electronic system, which comprise the CNC prototype plotter, are selected.
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In Chapter V, the respective configurations are carried out in software as well as in hardware. In addition, the development of the performance tests previous operation of the equipment in order to obtain the findings of the project is included.
CAPITULO I
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
El CNC tuvo su origen a principios de los años cincuenta. En esta época las computadoras estaban en sus inicios y eran tan grandes que el espacio ocupado por la computadora era mayor que el de la máquina.
Hoy día las computadoras son cada vez más pequeñas y económicas, con lo que el uso del CNC se ha extendido a todo tipo de maquinaria: taladradoras, tornos, fresadoras, rectificadoras, graficadoras, electroerosionadoras, máquinas de coser, etc.
En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual, una computadora controla la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas bidimensionales o tridimensionales.
Al principio hacer un programa CNC era muy difícil y tedioso, pues había que planear e indicarle manualmente a la máquina cada uno de los movimientos que tenía que hacer. Era un proceso que podía durar horas, días, semanas. Aún así era un ahorro de tiempo comparado con los métodos convencionales.
También se emplean sistemas CAD/CAM que generan el programa CNC de forma automática. En el sistema CAD (diseño asistido por computadora) la pieza que se desea graficar se diseña en la computadora. Posteriormente el sistema CAM (manufactura asistida por computadora) toma la información del diseño y genera la ruta que tiene que seguir la herramienta para graficar la figura deseada; a partir de esta ruta se crea automáticamente el programa de códigos CNC el cual es interpretado por la máquina para ejecutar los movimientos de graficado.
1.2 Título de la Investigación
Diseño y construcción de un prototipo graficador mediante control numérico computarizado-CNC.
1.3 Problema
1.3.1 Planteamiento del Problema
En el avance de la industria en cuanto al procesamiento de materiales cada vez se vuelve imprescindible contar con máquinas que garanticen una alta eficiencia para la aplicación que estas tengan; de igual forma se ve involucrado con ello el avance de la automatización en las industrias que de forma eventual o permanente deben incorporar las nuevas tecnologías para dotar a los procesos de máquinas con muy buenas prestaciones, tales como flexibilidad, precisión, rapidez e incremento de la productividad.
entorno por falta de máquinas con excelentes características de procesamiento como lo es una máquina CNC, empleando ideas propias para su implementación y con ello impulsar el nivel y calidad de producción en las industrias.
1.3.2 Formulación del problema
¿Qué características tecnológicas se pueden adquirir y/o mejorar implementando el sistema de control numérico computarizado aplicado a una máquina común de operación manual y cómo se puede desarrollar este sistema?
1.3.3 Sistematización del problema
¿Qué es el control numérico computarizado y cuál es su funcionalidad?
¿Qué diseño mecánico es necesario aplicar para la construcción del prototipo de graficador-CNC?
¿Qué características tecnológicas se pueden adquirir y/o mejorar al implementar el sistema de control numérico computarizado en un prototipo graficador?
¿Qué tipo de sistema de control será necesario emplear para el prototipo del graficador-CNC?
¿De qué manera se puede lograr con el control numérico computarizado que una máquina graficadora cumpla con los requerimientos tecnológicos de procesamiento con el fin de optimizar el proceso?
¿Cuál será el tipo de máquinas en el que se podrá implementar el sistema de control numérico computarizado CNC que inicialmente será aplicado a un prototipo graficador?
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Diseñar y construir un prototipo graficador mediante control numérico computarizado-CNC en la Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora en el año 2012.
1.4.2 Objetivos específicos
Desarrollar los conocimientos acerca de la programación y los componentes de las máquinas de CNC.
Determinar las funciones básicas empleadas en la programación de máquinas con CNC.
Diseñar un sistema mecánico de movimientos que nos permita el desplazamiento sincronizado en los tres ejes de trabajo X, Y, Z.
Construir el prototipo con un sistema mecánico que nos permita tener un área de trabajo de (400x300x80) mm.
Seleccionar el sistema de control hardware- software para los elementos que dirigen los movimientos así como el monitoreo del desplazamiento en los ejes respectivos.
Establecer los alcances del control numérico computarizado teniendo como aplicación inicial un prototipo graficador, que podría aplicarse en distintas máquinas herramientas como cortadoras de plasma, fresadoras, tornos y otras máquinas que basan su trabajo en el control numérico.
Cuantificar los costos para la implementación de un prototipo con un sistema didáctico de control numérico computarizado graficador.
1.5 Justificación de la Investigación
1.5.1 Conveniencia
En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual, el posicionamiento y velocidad de desplazamiento de forma sincronizada en los ejes de la máquina se realiza mediante un software que realiza el control de accionamiento de los servomotores o motores paso a paso en base a un modelo gráfico de dos dimensiones según se tenga en la aplicación. Gracias a esto, se puede hacer movimientos que no se pueden lograr con exactitud de forma manual como círculos, líneas diagonales y figuras complejas bidimensionales. Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que alguien tenga que manipular el desplazamiento de los ejes de trabajo de la máquina.
La máquina CNC es capaz de mover la herramienta de forma simultánea en los dos ejes para ejecutar trayectorias bidimensionales como las que se requieren para graficar figuras complejas considerando un eje adicional para iniciar y detener o interrumpir el graficado lo que representa tener un control tridimensional.
En el procesamiento de materiales, cada vez se requiere de mayor precisión, mejor acabado, menor tiempo de procesamiento, tolerancias más reducidas, por ello se tiene la implementación de máquinas CNC, sin la implementación de una máquina CNC, los procesos seguirán siendo de operación manual y siempre sujetos a errores durante su procesamiento que hagan necesario la utilización de mayor cantidad de recursos para producir igual ó incluso menor cantidad y con características tecnológicas inferiores. 1.5.2 Impacto Social
control numérico computarizado CNC reales en máquinas herramientas, basándose en la experiencia obtenida en este proyecto.
Con ello se tiene un aporte importante a la investigación para el mejoramiento de procesos basados en control numérico y la oferta de una solución tecnológica eficiente para responder a la demanda existente por parte de talleres y empresas dedicadas al procesamiento de materiales. Además el dar a conocer el proyecto a las empresas y talleres generará mayores expectativas y mejores oportunidades para poder aplicar los proyectos desarrollados en la universidad en aplicaciones reales en las empresas.
Además el prototipo graficador CNC, servirá como un módulo de estudio para las prácticas en las asignaturas de: Taller Mecánico y en las vinculadas con la automatización.
1.5.3 Impacto Teórico
Existen cinco formas de automatizar en la industria, de modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más adecuado.
Los tipos de automatización son:
Control Automático de Procesos
El Procesamiento Electrónico de Datos
La Automatización Fija
El Control Numérico Computarizado CNC
La Automatización Flexible.
De estos tipos un mayor nivel de flexibilidad lo poseen las máquinas de control numérico computarizado. Este tipo de control se ha aplicado con éxito a Máquinas de Herramientas de Control Numérico (MHCN). Entre las MHCN podemos mencionar:
Fresadoras CNC
Tornos CNC
Soldadoras CNC
Máquinas de Corte por Hilo, por presión de aire, entre otras
Máquinas de dibujar
Centros de mecanizado
Taladradoras
Punteadoras
Dobladoras
1.5.4 Impacto Metodológico
Para que los resultados de la investigación sean concretos y veraces se ha definido utilizar los siguientes mecanismos:
Analizar el método que permita un eficiente control de posicionamiento en una máquina con control de movimiento.
Aplicar en conjunto equipos, instrumentos y programas computacionales que permitan el desarrollo del sistema de control numérico computarizado (CNC) graficador.
1.5.5 Impacto Práctico
Actualmente existe un ambiente de grandes expectativas e incertidumbre en lo que a control y mejoramiento de procesos se refiere, mucho de esto se da por los rápidos cambios de la tecnología actual, pues estos no permiten asimilarla en forma adecuada de modo que es muy difícil sacar su mejor provecho.
Sin embargo el desarrollar soluciones aplicables para mejorar los procesos de manufactura en la ciudad, que tiene mucha demanda y baja oferta de soluciones tecnológicas que impulsen las condiciones de procesamiento en máquinas y procesos con control de movimiento comunes de las industrias de la zona.
procesamiento con control de movimiento aplicado en la Universidad y que podría ser aplicado en la zona, para de esta forma aportar con soluciones tecnológicas eficientes y oportunas.
1.5.6 Impacto Ecológico
La implementación de este proyecto requiere la instalación de pocos equipos y elementos eléctricos y electrónicos, los cuales tiene un bajo consumo eléctrico, afectando en muy poco al ambiente.
1.5.7 Viabilidad
Existe la información suficiente (bibliotecas, tesis, internet, folletos) para desarrollar un marco teórico sustentable. Así mismo existe en el país empresas que tienen conocimiento en el desarrollo de máquinas CNC.
Gran parte de los componentes para la construcción del prototipo de graficador CNC pueden ser encontrados dentro del país. Pero para el caso de software y tarjetas de control tienen que ser adquiridas desde otro país vía internet.
CAPITULO II
2 MARCO REFERENCIAL
2.1 Control Numérico Computarizado (CNC)
2.1.1 Definición
CNC es el acrónimo de "Computer Numerical Control" (Control Numérico Computarizado), en general esta forma de automatización se aplica en máquinas herramientas de control numérico. En un sistema cnc una computadora es la encargada de controlar la posición y velocidad de los motores que accionan a los ejes de trabajo existentes. Gracias a esto, se puede realizar movimientos complejos que no se pueden lograr con facilidad y en casos no se puede lograr en definitiva de forma manual como círculos, líneas diagonales, y figuras con un cierto grado de dificultad que combinen movimientos de forma simultánea en dos o más ejes.
2.1.2 Generalidades
2.1.2.1 Factores que favorecen la implantación de un sistema CNC
Los problemas y exigencias en la industria en la actualidad contienen factores que favorecen la utilización de los sistemas CNC; entre los cuales podemos mencionar algunos relevantes como son:
Mayor exigencia en la precisión de los mecanizados.
Los diseños tienden evolucionar y con ello tener cada vez un grado de complejidad mayor por lo que se tiene demanda de productos de geometrías de mecanizado más complicadas.
Necesidad de reducir errores en la producción para no elevar el costo final de los productos.
Plazos de entrega cada vez más reducidos, lo que implica tener niveles de producción más elevados.
Fácil intercambio de la producción en intervalo cortos de tiempo, para asistir de la mejor manera un pedido o trabajo urgente y en lo posterior continuar con la producción programada o simplemente para cambio programado de producción.
El avance tecnológico y gran oferta de los sistemas automáticos como CNC para el control de máquinas y procesos con lo que se tiene reducción de costos de adquisición de los mismos.
La posibilidad de ofrecer una alternativa más rápida y eficiente para diferentes procesos de manufactura
2.1.2.2 Ventajas de la utilización de sistemas CNC
A continuación tenemos algunas de las ventajas que representa la utilización de un sistema CNC:
Reducción de los tiempos de ciclos operacionales: las causas principales de la reducción al mínimo de los tiempos superfluos son:
Trayectorias y velocidades más ajustadas que en las máquinas convencionales.
Menor revisión constante de planos y hojas de instrucciones.
Menor verificación de medidas entre operaciones.
Mejora de la precisión y con ello se tiene una mejor calidad de los productos.
Uniformidad y repetitividad de producción con gran facilidad y exactitud, siendo así que una vez elaborado y verificado el programa, puede reproducirse una, diez, mil ejemplares con gran exactitud.
Utilización de varias máquinas de forma simultánea con un solo operario.
Mecanización de productos de geometría compleja, difícil de hacerlo manualmente.
Posibilidad de atender pedidos urgentes con eficiencia.
Reducción de fatiga de operario y con ello los errores de operación.
2.1.2.3 Limitantes para la utilización de sistemas CNC
Las siguientes pueden ser consideradas como limitantes para la utilización de sistemas CNC.
Elevado costo de equipos, accesorios y elementos de CNC.
Costos de mantenimiento más elevados que los sistemas convencionales ya que el sistema de control y mantenimiento es más complicado y se requiere de personal calificado para el efecto.
Se necesita seleccionar y entrenar al personal de mantención con el fin de optimizar la manipulación del sistema CNC como tal y aprovechar al máximo las prestaciones del mismo.
Se necesita escoger y entrenar a programadores y a personal de mantención.
Falta de alternativas inmediatas para reemplazo en caso de fallas en los elementos del sistema.
La planificación del trabajo debe ser más detallada y rigurosa con el fin de evitar daños en las herramientas y elementos del sistema que deberán funcionar y la secuencia como deberán hacerlo.
A continuación se tiene una comparación entre un sistema convencional y uno CNC: Tabla 2.1: Comparación entre un sistema convencional y un sistema CNC
SISTEMA CONVENCIONAL SISTEMA CNC
Existen trabajos muy complicados por ser desarrollados de forma manual.
Una vez cargada la aplicación al sistema, este la ejecuta sin distinguir las formas complejas que se tenga que realizar al momento de mecanizar por tanto se podría decir que se puede realizar cualquier trabajo.
Es necesario localizar las dimensiones tantas veces como sea necesario en el plano de diseño para proceder con el procesamiento.
No se necesita localizar las dimensiones sino solo para comprobación puesto que el sistema se encarga del procesamiento.
Es necesaria la experiencia en operación y mecanizado o proceso para obtener buenos resultados.
No se requiere tanta experiencia para tener dominio y obtener buenos resultados.
Los parámetros de procesamiento como son el avance, profundidad, velocidad, entre otros dependen del criterio del operador.
El sistema realiza el control de los parámetros de procesamiento de forma automática.
2.1.2.4 Características de un sistema CNC
Es muy importante considerar que un sistema CNC puede ser muy superior o inferior tanto en precio como en calidad y características de procesamiento a otro físicamente similar en función de los siguientes aspectos que son los que tienen directa incidencia en las características de un sistema CNC:
Calidad de los materiales que lo conforman
Precisión de posicionamiento
Vida útil de sus elementos
Nivel tecnológico de equipamiento
Además un sistema dotado con control numérico computarizado CNC tiene varias características importantes que hacen que sea una alternativa muy interesante al pensar en automatizar, ya que un sistema CNC cuenta con más que solo ejes de movimientos, estos ejes de movimiento se motorizan para producir los desplazamientos sincronizados según sus ejes principales. Ideal para sistemas con volúmenes de producción medianos y bajos; puesto que es más fácil, escribir nuevos programas para producir un producto diferente que hacer cambios en los equipos de procesado.
El tipo de desplazamiento resultante puede ser angular, lineal, circular o combinados de forma simultánea, la cantidad de desplazamiento y la rapidez son programables según los requerimientos existentes para una aplicación o en una máquina, se puede utilizar también funciones complementarias con el fin de lograr los mejores resultados de procesamiento posibles.
Algunas de estas funciones complementarias pueden ser:
Cambio automático de herramientas en centros de mecanizado que poseen un (tool magazine), de esta manera cuando se requiera el cambio de herramienta esto se hará de forma automática.
Aplicar refrigerante como es habitual en procesos de mecanizado para enfriar la pieza en proceso pudiendo de esta manera ser activada y desactivada en cualquier momento del ciclo de mecanizado.
2.1.3 Arquitectura de un sistema CNC
Independientemente de los componentes que incorpore el sistema CNC y de las relaciones que se establezcan entre unos y otros, siempre aparece un conjunto de dispositivos electrónicos esenciales para cualquier configuración los circuitos de control de la arquitectura de un sistema CNC como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1: Circuito de control lazo cerrado para posicionado de ejes
Fuente: Control Numérico CNC1
Descripción:
El ordenador del sistema CNC calcula la distancia que debe desplazarse la mesa y transmite dicha información en código binario al comparador, que la recibe como una de sus señales de entrada (A).
El comparador genera una señal de salida (C) para el motor que actúa sobre el sistema de transmisión que genera el desplazamiento (a incrementos) del eje afectado.
Cualquier cambio de la posición genera una señal en el sistema de medición que informa sobre la situación actual constantemente. Esta señal es enviada al comparador (B).
Este dispositivo analiza esta segunda señal de entrada (B) con la que recibe del ordenador de control (A). Si el resultado de la comparación es negativo se genera otra nueva señal de desplazamiento incremental (C') y el motor continua rotando. Tan pronto como se igualan (A) y (B) se genera una señal de parada del motor.
Esta última acción permite la lectura de una nueva instrucción.
Los motores paso a paso presentan la propiedad de convertir fácilmente sus pulsos de control, a pasos (rotativos) predeterminados muy precisos. Generalmente el giro completo de su eje se asocia a un número exacto de pulsos / pasos (por ejemplo 200 pasos/revolución). En la figura 2.2 se muestra el uso de motores para el posicionado de ejes mediante tornillos sin fines, supone una simplificación tanto en el sistema de control, como en el método empleado para el cálculo de las distancias.
Figura 2.2: Posicionado de ejes mediante motor paso a paso circuito de control de lazo abierto
Fuente: Control Numérico CNC2
2.1.3.1 Enfoque de la arquitectura de un sistema CNC
Para la proyección de un sistema CNC se podría optar por emplear equipos o dispositivos que integran la parte de control y procesamiento de datos / señales correspondientes a la etapa de diseño y programación con la parte de la etapa de control y potencia para el accionamiento de los actuadores de un sistema de manera coordinada en función a la etapa inicial. Sin embargo, este tipo de arquitectura aunque es más
robusta y empleada para aplicaciones profesionales no permite conocer tan a fondo o de una manera didáctica la función de cada uno de los componentes, etapas y procedimientos que integran un sistema CNC y que se deben considerar en la etapa de diseño y programación, así como también la etapa de control y accionamiento de los actuadores con el fin de producir y lograr movimientos controlados para un trabajo eficiente de un sistema CNC, sino más bien nos permite conocer de una forma simplificada las etapas de un sistema CNC y su integración Hardware/Software al estar todos estos integrados en un solo equipo como es el caso de los controladores compactos.
Por otra parte y con un propósito netamente didáctico que permita explorar los aspectos de diseño, selección, programación, implementación de todo lo referente a un sistema CNC que pueda operar de manera eficiente se podría emplear un computador como núcleo de un sistema CNC o para máquinas-herramientas. Las conexiones más sencillas sólo permiten unas pocas funciones máquina y se centran en las tareas de edición de programas CNC. En la actualidad, se tiende a que pueda ser una opción completa de gobierno que es recomendable cuando la máquina herramienta de control numérico MHCN debe trabajar de forma coordinada con otras instalaciones (robots, sistemas de transporte automático, otras MHCN).
Figura 2.3: Arquitectura de un sistema CNC empleando un computador
Fuente: Control Numérico CNC3
2.1.4 Tipos de control en sistemas CNC según su función
Cuando se hace referencia de una máquina o sistema CNC, se debe diferenciar entre lo que es la máquina o el sistema y lo que es el control dado que son dos partes perfectamente diferenciadas. Puesto que para una misma máquina se puede optar por uno u otro tipo de control, por ello a continuación se establece los tipos de control posibles según su función:
Fundamentalmente existen tres tipos de control contemplándolos desde la perspectiva de la función que realizan.
Control punto a punto.
Control Paraxial.
Control Interpolar o continuo. 2.1.4.1 Control punto a punto
Este tipo de control tal como lo indica su nombre, solo controla puntos definidos por programación, no teniendo ningún control del recorrido de la herramienta de un punto a otro, ni a nivel de trayectoria, hasta alcanzar la posición, ni en el ámbito de la velocidad de desplazamiento entre ambos puntos.
El control punto a punto permite el posicionado de la herramienta de acuerdo a puntos programados mediante movimientos simples en cada eje en vacío, esto supone el que no sea necesario controlar la trayectoria de la herramienta de trabajo de manera que dependiendo del tipo de control programado los motores de cada eje actúan de forma separada o conjunta hasta que se alcanza la posición en el punto deseado.
En la siguiente figura se indica los puntos a los que debe acudir la herramienta, durante el recorrido que indican las flechas, no existe control.
Figura 2.4: Control punto a punto
Fuente: www.books.google.com.ec
El control punto a punto es el más sencillo de todos los tipos de control existentes desde todos los puntos de vista, no obstante tiene una función clara dentro del ámbito de las máquinas herramientas y sistemas de control numérico ya que este tipo de control es el indicado en máquinas tipo taladradora, semipunteadora, entre otras máquinas herramientas.
2.1.4.2 Control Paraxial
En este tipo de control, se desarrolla en el ámbito de velocidad y desplazamiento, el recorrido lo realiza de forma controlada pero solo paralela u ortogonal a los ejes de trabajo.
Este tipo de control es ideal para máquinas o sistemas de control numérico que tengan como única finalidad escuadrar caras.
Figura 2.5: Control paraxial
Fuente: www.books.google.com.ec 4
Podríamos decir que este tipo de control se aplica por lo general en máquinas como fresadoras, aserradoras, entre otras.
2.1.4.3 Control Interpolar o continuo
Este tipo de control tiene la capacidad de controlar dos o más ejes de forma simultánea, pudiendo realizar cualquier tipo de desplazamiento en un plano determinado, tanto líneas curvas como líneas rectas con cualquier tipo de inclinación.
Esta capacidad de mover dos o más ejes de forma simultánea se llama interpolación, es decir cuando dos motores se mueven a la vez, de forma sincronizada se dice que se están interpolando.
Este tipo de control es el más completo de todos, que puede realizar todas las funciones que pueden realizar los dos tipos de controles anteriores mencionados y además la suya propia, por lo que es, con gran distinción, el más utilizado, aunque este sea menos accesible que los otros. Como se muestra en la figura siguiente.
4
Figura 2.6: Control interpolar o continuo
Fuente: www.books.google.com.ec 5
2.1.5 Tipos de controladores CNC
En la actualidad existen varios tipos de controladores identificados con claridad por tratarse de diferentes marcas comerciales y sistemas CNC con características específicas que permiten satisfacer las necesidades que se tenga para una aplicación determinada que permiten integrar el trabajo para lograr un eficiente control numérico computarizado CNC.
Por tal motivo se menciona a continuación algunas de las marcas comerciales disponibles para las diversas aplicaciones de CNC, el precio de cada controlador varía dependiendo de la marca y el modelo, así como también de las características requeridas en función a la aplicación existente:
EMCO SINUMERIK
FAGOR
FANUC
MITSUBISHI
GSK
SIEMENS
OKUMA
5
2.2 Formas de trabajo
Hay tres sistemas que se comercializan habitualmente:
Mesa Móvil
Puente Móvil
Verticales 2.2.1 Mesa móvil
Comúnmente utilizada en la fabricación de pequeños prototipos rápidos, joyería, grabado de placas, electrónica y otros menesteres donde las dimensiones son reducidas. Como su nombre lo indica claramente, lo que se mueve es el soporte de la pieza a trabajar o mesa de trabajo. Hay mesas que se mueven en el sentido X otras lo hacen en los sentidos X e Y. Las mesas que solo utilizan una coordenada de movimiento poseen las otras dos sobre un puente o travesaño. En ambos casos el puente esta fijo en el centro de la máquina y sirve para sostener el eje Z.
Figura 2.7: Sistema mesa móvil
Fuente: www.books.google.com.ec 6
2.2.2 Puente móvil
Los de mayor aplicación cuando se superan los 500 mm de desplazamiento en alguno de sus ejes. Son utilizados comúnmente en el desarrollo de moldes, matrices, cartelería, prototipado y un extenso etcétera ya que a diario se descubren nuevos campos de aplicación.
A diferencia de los equipos de mesa móvil, estos poseen un puente que se desplaza por sobre la mesa, trasladando el eje X (y este a su vez el eje Z) por sobre toda ella, en el sentido X e Y. Ocupan menos espacio que un sistema de mesa móvil pero son bastantes más caros de desarrollar.
Figura 2.8: Sistema puente móvil
Fuente: www.books.google.com.ec 7
6http://books.google.com.ec/books?id=L0bTH0uYk68C&printsec=frontcover&hl=es#v=onepage&q&f=f alse
7
2.2.3 Verticales:
Hay dentro de los sistemas verticales tres formas de trabajo: 2.2.3.1 Puente móvil
Los sistemas verticales de puente móvil, son sencillamente una mesa de coordenadas como la antes descripta, puesta de forma vertical para ahorrar espacio. No tienen mayores virtudes que ésa y son bastante más caros que los planos, por su estructura soporte. Claro que si se tienen problemas de espacio son soluciones por demás interesantes.
Figura 2.9: Sistema vertical de puente móvil
Fuente: www.books.google.com.ec
2.2.3.2 Monopuente
El sistema Monoposte es un sistema basado en la estructura de un Router Horizontal, colocado de forma vertical donde el eje Z transporta al eje Y. Observe la foto. No es muy preciso debido al gran momento de palanca que se ejerce sobre el brazo móvil. Por otra parte, dependiendo de las dimensiones de la mesa, lo que ahorra en espacio, lo demanda en altura de trabajo.
Figura 2.10: Sistema vertical con monopuente
2.2.3.3 Brazo robótico
Los sistemas con brazo robótico son la elite de los Router CNC. Ocupan poco espacio y el brazo robótico, colocado en su centro superior, alcanza todas las áreas del panel de trabajo con absoluta precisión y velocidad superior a cualquier otro sistema. Son altamente costosos y solo se emplean en el desarrollo de matrices y prototipos para grandes empresas. También son aptos para bajas producciones.
Figura 2.11: Brazo robótico
Fuente: www.books.google.com.ec
2.3 Diseño y Manufactura asistidos por computadora
Se conoce como CAD/CAM al proceso en el cual se utilizan los ordenadores o computadoras para mejorar la fabricación, desarrollo y diseño de los productos. Éstos pueden fabricarse más rápido, con mayor precisión e incluso a menor precio, con la aplicación adecuada de tecnología informática.
2.3.1 Diseño Asistido por Computadora (CAD)
El computador puede evaluar el desempeño estructural de cualquier parte del modelo y a la vez el diseñador puede manipularlos o modificar las ideas del diseño con mayor facilidad para avanzar en el desarrollo del producto. El CAD tiende a ser económico, rápido y más preciso que las técnicas de diseño manuales al facilitar las alteraciones del diseño para cumplir con los objetivos de un proyecto de manufactura. 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 sofisticados 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.
El CAD se puede combinar con otras tecnologías como CAM para hacer un desarrollo integral de un determinado proyecto desde su fase de diseño hasta su producción en línea, con lo que consigue un espectacular ahorro en el tiempo y recursos en el desarrollo del mismo.
2.3.1.1 Aplicaciones fundamentales del CAD
Entre las diversas aplicaciones existentes de los sistemas CAD podemos mencionar algunas consideradas fundamentales que son:
Diseño mecánico.
Arquitectura.
Topografía.
Obra civil.
2.3.1.2 Paquetes de CAD disponibles en el mercado
A continuación tenemos algunos paquetes de CAD disponibles en el mercado y la compañía que los desarrolla.
CAD Software:
Tabla 2.2: Paquetes de CAD disponibles en el mercado
PAQUETE SOFTWARE COMPAÑIA
I-DEAS SDRC (Structural Dynamics Research Corporation)
PRO-ENGINEER PARAMETRIC TECHNOLOGY CORPORATION
CATIA IBM (Internacional Bussines Machines)
AUTOCAD AUTODESK
MECHANICAL DESKTOP AUTODESK
IMAGINEER (2D) INTERGRAPH
SOLID EDGE INTERGRAPH
SOLIDWORKS SOLIDWORKS
RHINOCAD ASUNI CAD
Fuente: Alquibar Andrade - Luis Balcázar
2.3.2 Manufactura Asistida por Computadora (CAM)
Cuando los sistemas CAD se conectan a equipos de manufactura también controlados por un computador conforman un sistema integrado CAD/CAM (CAM, acrónimo de Computer Aided Manufacturing).
La manufactura asistida por computadora ofrece significativas ventajas con respecto a los métodos más tradicionales de controlar equipos de fabricación con computadores en lugar de hacerlo con operadores humanos.
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 Computarizado (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 algún software informático especial disponible en el mercado que crea el vínculo entre los sistemas CAD y CAM.
Las características de los sistemas CAD/CAM son aprovechadas por los diseñadores, ingenieros y fabricantes para adaptarlas a las necesidades específicas de sus situaciones. Por ejemplo, un diseñador puede utilizar el sistema para crear rápidamente un primer prototipo y analizar la viabilidad de un producto, mientras que un fabricante quizá emplee el sistema porque es el único modo de poder fabricar con precisión un componente complejo. La gama de prestaciones que se ofrecen a los usuarios de CAD/CAM está en constante expansión. Los fabricantes de indumentaria pueden diseñar el patrón de una prenda en un sistema CAD, patrón que se sitúa de forma automática sobre la tela para reducir al máximo el derroche de material al ser cortado con una sierra, un láser o cualquier otra aplicación CNC. Además de la información de CAD que describe el contorno de un componente de ingeniería, es posible elegir el material más adecuado para su fabricación en la base de datos informática, y emplear una variedad de máquinas CNC combinadas para producirlo.
La futura evolución incluirá la integración aún mayor de sistemas de realidad virtual, que permitirá a los diseñadores interactuar con los prototipos virtuales de los productos mediante la computadora, en lugar de tener que construir costosos modelos o simuladores para comprobar su viabilidad. También el área de prototipos rápidos es una evolución de las técnicas de CAD/CAM, en la que las imágenes informatizadas tridimensionales se convierten en modelos reales empleando equipos de fabricación especializados.
Se detalla a continuación algunos paquetes de CAM conocidos y la compañía que los desarrolla:
CAM Software:
Tabla 2.3: Paquetes de CAM disponibles en el mercado
PAQUETE SOFTWARE COMPAÑIA
LAZYCAM ARTSOFT
DOLPHIN CAD/CAM DOLPHIN
MasterCAM CNC Software Inc
BOBCAD-CAM BOB CAD-CAM
ArtCAM DEL CAM Inc
Fuente: Alquibar Andrade - Luis Balcázar.
2.3.3 Integración CAD/CAM Control CNC
El diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esto se ha convertido en una herramienta muy útil para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad, disminuir los costos y acortar los tiempos de diseño y producción. Una excelente alternativa para conseguir este triple objetivo es aprovechar al máximo las herramientas informáticas actuales e integrar los procesos, para optimizar los recursos de tiempo y dinero en el desarrollo de productos y su fabricación.
Para convertir un concepto o idea en un producto, se debe necesariamente pasar por dos procesos principales o fundamentales, el de diseño y el de fabricación. A su vez el proceso de diseño se puede dividir en una etapa de síntesis en la que se crea el producto y una etapa de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez finalizada estas etapas se aborda la etapa de fabricación o manufactura en la que primero se planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios a emplear para la manufactura. En sistemas de producción en serie también se suele realizar un control de calidad por lotes del producto resultante antes de pasar a la etapa de distribución y comercialización del mismo.
Debido a la demanda existente de tener cada vez productos más económicos, de mayor calidad y cuyo ciclo de vida se reduce más cada vez, se hace necesaria la intervención de las computadoras asistiendo los procesos de producción para poder satisfacer estas exigencias. Mediante el uso de técnicas CAD/CAM se consigue reducir costos, aumentar la calidad y reducir los tiempos de diseño y manufactura. Estos tres factores son vitales para la industria actual.
2.3.3.1 CNC Control Software (Machining/Milling/Lathe)
Este software también conocido como postprocesador es aquel que permite que los códigos generados ya en lenguaje máquina en la etapa CAD/CAM de diseño, puedan ser interpretados por la máquina o el sistema de la aplicación existente.
En la tabla 2.4 se muestra los software más conocidos en el ámbito CNC. Tabla 2.4: Paquetes de CAM disponibles en el mercado
PAQUETE SOFTWARE SISTEMA OPERATIVO
Mach2 / Mach3 Windows 2000/XP
EMC2 LINUX
TurboCNC DOS
DeskCNC Windows
Master5 Windows 95/98
USBCNC USB controlled CNC