Tecnología de control numérico y máquinas herramienta CNC
La tecnología de control numérico, abreviada como NC (Control Numérico), es un método para controlar movimientos mecánicos y procedimientos de procesamiento mediante información digital. Actualmente, dado que el control numérico moderno adopta comúnmente el control por computadora, también se conoce como control numérico computarizado (CNC).
Para lograr el control digital de información de movimientos mecánicos y procesos de procesamiento, se requiere el hardware y el software correspondientes. El conjunto de hardware y software utilizado para implementar el control digital de información se denomina sistema de control numérico (Sistema de Control Numérico), y su núcleo es el dispositivo de control numérico (Controlador Numérico).
Las máquinas controladas por tecnología de control numérico se denominan máquinas herramienta CNC (máquinas herramienta NC). Se trata de un producto mecatrónico típico que integra tecnologías avanzadas como la informática, el control automático, la medición de precisión y el diseño de máquinas herramienta. Es la piedra angular de la tecnología de fabricación moderna. El control de máquinas herramienta es el campo más antiguo y de mayor aplicación de la tecnología de control numérico. Por lo tanto, el nivel de las máquinas herramienta CNC representa en gran medida el rendimiento, el nivel y la tendencia de desarrollo de la tecnología actual de control numérico.
Existen diversos tipos de máquinas herramienta CNC, como taladradoras, fresadoras y mandrinadoras, tornos, rectificadoras, electroerosiones, forjadoras, máquinas herramienta de procesamiento láser y otras máquinas herramienta CNC con usos específicos. Cualquier máquina herramienta controlada por control numérico se clasifica como máquina herramienta NC.
Las máquinas herramienta CNC equipadas con un cambiador automático de herramientas (ATC), excepto los tornos CNC con portaherramientas rotativos, se denominan centros de mecanizado (MC). Mediante el cambio automático de herramientas, las piezas pueden completar múltiples procesos de procesamiento con una sola sujeción, logrando la concentración y combinación de procesos. Esto acorta eficazmente el tiempo de procesamiento auxiliar y mejora la eficiencia de la máquina herramienta. Simultáneamente, reduce el número de instalaciones y posicionamientos de piezas, mejorando la precisión del procesamiento. Los centros de mecanizado son actualmente el tipo de máquina herramienta CNC con mayor producción y aplicación.
Basada en máquinas herramienta CNC, al añadir dispositivos de intercambio automático de múltiples mesas de trabajo (palés) (Cambiador Automático de Palés, APC) y otros dispositivos relacionados, la unidad de procesamiento resultante se denomina celda de fabricación flexible (Celda de Fabricación Flexible, FMC). La FMC no solo permite la concentración y la combinación de procesos, sino que, gracias al intercambio automático de mesas de trabajo (palés) y a sus completas funciones de monitorización y control automáticos, permite realizar procesos sin intervención humana durante un periodo determinado, mejorando así la eficiencia del equipo. La FMC no solo es la base del sistema de fabricación flexible FMS (Sistema de Fabricación Flexible), sino que también puede utilizarse como equipo de procesamiento automatizado independiente. Por lo tanto, su desarrollo es muy rápido.
Basado en FMC y centros de mecanizado, al incorporar sistemas logísticos, robots industriales y equipos relacionados, y controlado y gestionado por un sistema de control central de forma centralizada y unificada, este sistema de fabricación se denomina sistema de fabricación flexible (FMS). El FMS no solo permite realizar procesos sin personal durante largos periodos, sino que también permite el procesamiento completo de diversos tipos de piezas y ensamblajes de componentes, automatizando así el proceso de fabricación en taller. Es un sistema de fabricación avanzado y altamente automatizado.
Con el continuo progreso de la ciencia y la tecnología, para adaptarse a la cambiante demanda del mercado, la fabricación moderna requiere no solo impulsar la automatización del proceso de fabricación en taller, sino también lograr una automatización integral que abarca desde la previsión del mercado, la toma de decisiones de producción, el diseño y la fabricación hasta la venta de productos. El sistema completo de producción y fabricación que integra estos requisitos se denomina sistema de fabricación integrado por computadora (Sistema de Fabricación Integrado por Computadora - CIMS). El CIMS integra orgánicamente una actividad productiva y comercial más extensa, logrando una producción inteligente más eficiente y flexible, lo que representa la etapa más avanzada del desarrollo de la tecnología de fabricación automatizada actual. En el CIMS, no solo se integran los equipos de producción, sino, aún más importante, la integración tecnológica y funcional, caracterizada por la información. El ordenador es la herramienta de integración, la tecnología de unidades automatizadas asistidas por computadora es la base de la integración, y el intercambio de información y datos es el puente de la integración. El producto final puede considerarse la manifestación material de la información y los datos.
El sistema de control numérico y sus componentes
Los componentes básicos del sistema de control numérico
El sistema de control numérico de una máquina herramienta CNC es el núcleo de todo equipo de control numérico. El principal objeto de control del sistema de control numérico es el desplazamiento de los ejes de coordenadas (incluyendo velocidad, dirección, posición, etc.), y su información de control proviene principalmente de programas de control numérico o de control de movimiento. Por lo tanto, los componentes más básicos del sistema de control numérico deben incluir: el dispositivo de entrada/salida de programa, el dispositivo de control numérico y el servoaccionamiento.
La función del dispositivo de entrada/salida es introducir y emitir datos, como programas de control numérico o de movimiento, datos de procesamiento y control, parámetros de máquinas herramienta, posiciones de ejes de coordenadas y el estado de los interruptores de detección. El teclado y la pantalla son los dispositivos de entrada/salida más básicos necesarios para cualquier equipo de control numérico. Además, según el sistema de control numérico, también pueden incluirse dispositivos como lectores fotoeléctricos, unidades de cinta o disqueteras. Como periférico, el ordenador es actualmente uno de los dispositivos de entrada/salida más utilizados.
El dispositivo de control numérico es el componente principal del sistema de control numérico. Consta de circuitos de interfaz de entrada/salida, controladores, unidades aritméticas y memoria. Su función es compilar, calcular y procesar los datos introducidos por el dispositivo de entrada a través del circuito lógico interno o el software de control, y generar diversos tipos de información e instrucciones para controlar las distintas partes de la máquina herramienta y realizar acciones específicas.
Entre esta información e instrucciones de control, las más básicas son las instrucciones de velocidad, dirección y desplazamiento de avance de los ejes de coordenadas. Estas instrucciones se generan tras los cálculos de interpolación, se envían al servoaccionamiento, son amplificadas por el controlador y, en última instancia, controlan el desplazamiento de los ejes de coordenadas. Esto determina directamente la trayectoria de movimiento de la herramienta o de los ejes de coordenadas.
Además, dependiendo del sistema y el equipo, por ejemplo, en una máquina herramienta CNC, también puede haber instrucciones como la velocidad de rotación, la dirección, el arranque/parada del husillo; instrucciones de selección e intercambio de herramientas; instrucciones de arranque/parada de los dispositivos de refrigeración y lubricación; instrucciones de aflojamiento y sujeción de la pieza; indexación de la mesa de trabajo y otras instrucciones auxiliares. En el sistema de control numérico, estas instrucciones se envían al dispositivo de control auxiliar externo en forma de señales a través de la interfaz. El dispositivo de control auxiliar realiza las operaciones lógicas y de compilación necesarias con las señales mencionadas, las amplifica y acciona los actuadores correspondientes para accionar los componentes mecánicos y los dispositivos auxiliares hidráulicos y neumáticos de la máquina herramienta y completar las acciones especificadas en las instrucciones.
El servoaccionamiento suele constar de servoamplificadores (también conocidos como controladores o servounidades) y actuadores. En las máquinas herramienta CNC, actualmente se utilizan servomotores de CA como actuadores; en las máquinas herramienta de mecanizado de alta velocidad avanzadas, se han empezado a utilizar motores lineales. Además, en las máquinas herramienta CNC fabricadas antes de la década de 1980, se utilizaban servomotores de CC; en las máquinas herramienta CNC sencillas, también se utilizaban motores paso a paso como actuadores. La forma del servoamplificador depende del actuador y debe utilizarse junto con el motor de accionamiento.
Los anteriores son los componentes más básicos del sistema de control numérico. Con el continuo desarrollo de la tecnología de control numérico y la mejora del rendimiento de las máquinas herramienta, los requisitos funcionales del sistema también aumentan. Para satisfacer las necesidades de control de las diferentes máquinas herramienta, garantizar la integridad y uniformidad del sistema y facilitar su uso por parte del usuario, los sistemas de control numérico avanzado más comunes suelen contar con un controlador programable interno como dispositivo de control auxiliar. Además, en las máquinas herramienta de corte de metal, el dispositivo de accionamiento del husillo también puede convertirse en un componente del sistema de control numérico; en las máquinas herramienta CNC de bucle cerrado, los dispositivos de medición y detección son indispensables. En los sistemas de control numérico avanzado, a veces incluso se utiliza un ordenador como interfaz hombre-máquina del sistema y para la gestión de datos y los dispositivos de entrada/salida, lo que aumenta la potencia de las funciones del sistema de control numérico y optimiza su rendimiento.
En conclusión, la composición del sistema de control numérico depende de su rendimiento y de los requisitos específicos del equipo. Existen diferencias significativas en su configuración y composición. Además de los tres componentes más básicos del dispositivo de entrada/salida del programa de procesamiento (el dispositivo de control numérico y el servoaccionamiento), puede haber más dispositivos de control. La sección discontinua de la Figura 1-1 representa el sistema de control numérico computarizado.
Los conceptos de NC, CNC, SV y PLC
NC (CNC), SV y PLC (PC, PMC) son abreviaturas en inglés muy utilizadas en equipos de control numérico y tienen diferentes significados en diferentes ocasiones en aplicaciones prácticas.
CN (CNC): CN y CNC son las abreviaturas comunes en inglés de Control Numérico y Control Numérico Computarizado, respectivamente. Dado que el control numérico moderno adopta el control por computadora, se puede considerar que los significados de CN y CNC son completamente iguales. En aplicaciones de ingeniería, dependiendo del uso, CN (CNC) suele tener tres significados diferentes: en sentido amplio, representa una tecnología de control (tecnología de control numérico); en sentido estricto, representa una entidad de un sistema de control (el sistema de control numérico); además, puede representar un dispositivo de control específico (el dispositivo de control numérico).
SV: SV es la abreviatura común en inglés de servoaccionamiento (Servo Drive, abreviado como servo). Según la terminología de la norma japonesa JIS, es «un mecanismo de control que toma la posición, la dirección y el estado de un objeto como magnitudes de control y rastrea cambios arbitrarios en el valor objetivo». En resumen, es un dispositivo de control que puede seguir automáticamente magnitudes físicas como la posición objetivo.
En las máquinas herramienta CNC, el papel del servoaccionamiento se refleja principalmente en dos aspectos: en primer lugar, permite que los ejes de coordenadas funcionen a la velocidad dada por el dispositivo de control numérico; en segundo lugar, permite que los ejes de coordenadas se posicionen de acuerdo con la posición dada por el dispositivo de control numérico.
Los objetos de control del servoaccionamiento son generalmente el desplazamiento y la velocidad de los ejes de coordenadas de la máquina herramienta; el actuador es un servomotor; la parte que controla y amplifica la señal de comando de entrada a menudo se denomina servoamplificador (también conocido como controlador, amplificador, unidad servo, etc.), que es el núcleo del servoaccionamiento.
El servoaccionamiento no solo puede utilizarse junto con el dispositivo de control numérico, sino también por sí solo como sistema de acompañamiento de la posición (velocidad). Por lo tanto, también se le suele denominar servosistema. En los primeros sistemas de control numérico, el control de posición solía estar integrado con el CNC, y el servoaccionamiento solo controlaba la velocidad. Por ello, se le solía denominar unidad de control de velocidad.
PLC: PC es la abreviatura en inglés de Controlador Programable. Con la creciente popularidad de las computadoras personales, para evitar confusiones con ellas (también llamadas PC), los controladores programables se denominan ahora controladores lógicos programables (PLC) o controladores de máquina programables (PMC). Por lo tanto, en las máquinas herramienta CNC, PC, PLC y PMC tienen el mismo significado.
El PLC ofrece las ventajas de respuesta rápida, rendimiento fiable, uso práctico, programación y depuración sencillas, y puede controlar directamente algunos aparatos eléctricos de las máquinas herramienta. Por lo tanto, se utiliza ampliamente como dispositivo de control auxiliar para equipos de control numérico. Actualmente, la mayoría de los sistemas de control numérico incorporan un PLC interno para procesar las instrucciones auxiliares de las máquinas herramienta CNC, lo que simplifica enormemente el dispositivo de control auxiliar de la máquina herramienta. Además, en muchas ocasiones, mediante módulos funcionales especiales, como el módulo de control de ejes y el módulo de posicionamiento del PLC, este también puede utilizarse directamente para el control de la posición de puntos, el control lineal y el control de contornos simple, conformando máquinas herramienta CNC especiales o líneas de producción CNC.
El principio de composición y procesamiento de las máquinas herramienta CNC
La composición básica de las máquinas herramienta CNC
Las máquinas herramienta CNC son los equipos de control numérico más comunes. Para comprender su composición básica, es necesario analizar primero su proceso de trabajo para el procesamiento de piezas. En las máquinas herramienta CNC, para procesar piezas, se pueden implementar los siguientes pasos:
De acuerdo con los dibujos y planos de proceso de las piezas a procesar, utilizando los códigos y formatos de programa prescritos, escriba la trayectoria de movimiento de las herramientas, el proceso de procesamiento, los parámetros del proceso, los parámetros de corte, etc. en el formato de instrucciones reconocible por el sistema de control numérico, es decir, escriba el programa de procesamiento.
Introduzca el programa de procesamiento escrito en el dispositivo de control numérico.
El dispositivo de control numérico decodifica y procesa el programa de entrada (código) y envía señales de control correspondientes a los dispositivos de servoaccionamiento y a los dispositivos de control de funciones auxiliares de cada eje de coordenadas para controlar el movimiento de cada componente de la máquina herramienta.
Durante el movimiento, el sistema de control numérico necesita detectar la posición de los ejes de coordenadas de la máquina herramienta, el estado de los interruptores de recorrido, etc. en cualquier momento y compararlos con los requisitos del programa para determinar la siguiente acción hasta que se procesen las piezas calificadas.
El operador puede observar e inspeccionar las condiciones de procesamiento y el estado de funcionamiento de la máquina herramienta en cualquier momento. Si es necesario, también se requieren ajustes en las acciones y los programas de procesamiento de la máquina herramienta para garantizar su funcionamiento seguro y fiable.
Se puede ver que, como composición básica de una máquina herramienta CNC, debe incluir: dispositivos de entrada/salida, dispositivos de control numérico, servoaccionamientos y dispositivos de retroalimentación, dispositivos de control auxiliares y el cuerpo de la máquina herramienta.
La composición de las máquinas herramienta CNC
El sistema de control numérico se utiliza para controlar el procesamiento del host de la máquina herramienta. Actualmente, la mayoría de los sistemas de control numérico adoptan control numérico por computadora (por ejemplo, CNC). El dispositivo de entrada/salida, el dispositivo de control numérico, el servoaccionamiento y el dispositivo de retroalimentación (que se muestran en la figura) constituyen conjuntamente el sistema de control numérico de la máquina herramienta, cuya función ya se ha descrito anteriormente. A continuación, se presentan brevemente otros componentes.
Dispositivo de retroalimentación de medición: Es el enlace de detección de una máquina herramienta CNC de bucle cerrado (semicerrado). Su función es detectar la velocidad y el desplazamiento real del actuador (como el portaherramientas) o la mesa de trabajo mediante elementos de medición modernos como codificadores de pulsos, resolvers, sincronizadores de inducción, rejillas, escalas magnéticas e instrumentos de medición láser, y realimentarlos al servoaccionamiento o al dispositivo de control numérico para compensar la velocidad de avance o el error de movimiento del actuador y así mejorar la precisión del mecanismo de movimiento. La posición de instalación del dispositivo de detección y la posición donde se realimenta la señal de detección dependen de la estructura del sistema de control numérico. Los codificadores de pulsos servointegrados, los tacómetros y las rejillas lineales son componentes de detección comunes.
Debido a que todos los servos avanzados adoptan tecnología de servoaccionamiento digital (denominada servo digital), se suele utilizar un bus para la conexión entre el servoaccionamiento y el dispositivo de control numérico. En la mayoría de los casos, la señal de retroalimentación se conecta al servoaccionamiento y se transmite al dispositivo de control numérico a través del bus. Solo en contadas ocasiones, o cuando se utilizan servoaccionamientos analógicos (comúnmente conocidos como servo analógicos), el dispositivo de retroalimentación debe conectarse directamente al dispositivo de control numérico.
Mecanismo de control auxiliar y mecanismo de transmisión de avance: Se ubica entre el dispositivo de control numérico y los componentes mecánicos e hidráulicos de la máquina herramienta. Su función principal es recibir las instrucciones de velocidad, dirección e inicio/parada del husillo emitidas por el dispositivo de control numérico; instrucciones de selección e intercambio de herramientas; instrucciones de inicio/parada de los dispositivos de refrigeración y lubricación; señales de instrucciones auxiliares como el aflojamiento y la sujeción de piezas de trabajo y componentes de la máquina herramienta, la indexación de la mesa de trabajo y las señales de estado de los interruptores de detección de la máquina herramienta. Tras la compilación, el juicio lógico y la amplificación de potencia necesarios, los actuadores correspondientes se accionan directamente para accionar los componentes mecánicos y los dispositivos auxiliares hidráulicos y neumáticos de la máquina herramienta y completar las acciones especificadas por las instrucciones. Generalmente se compone de un PLC y un circuito de control de alta corriente. El PLC puede estar integrado con el CNC (PLC integrado) o ser relativamente independiente (PLC externo).
El cuerpo de la máquina herramienta, es decir, la estructura mecánica de la máquina herramienta CNC, también se compone de los sistemas de accionamiento principal, los sistemas de avance, las bancadas, las mesas de trabajo, los dispositivos auxiliares de movimiento, los sistemas hidráulicos y neumáticos, los sistemas de lubricación, los dispositivos de refrigeración, los sistemas de arranque de viruta y de protección, entre otros componentes. Sin embargo, para cumplir con los requisitos del control numérico y optimizar el rendimiento de la máquina herramienta, esta ha experimentado cambios significativos en cuanto a su diseño general, diseño estético, estructura del sistema de transmisión, sistema de herramientas y rendimiento operativo. Los componentes mecánicos de la máquina herramienta incluyen la bancada, la caja, la columna, el riel guía, la mesa de trabajo, el husillo, el mecanismo de avance, el mecanismo de intercambio de herramientas, etc.
El principio del mecanizado CNC
En las máquinas herramienta de corte de metales tradicionales, al procesar piezas, el operador necesita cambiar continuamente parámetros como la trayectoria de movimiento y la velocidad de movimiento de la herramienta de acuerdo con los requisitos del dibujo, para que la herramienta realice el procesamiento de corte en la pieza de trabajo y finalmente procese piezas calificadas.
El procesamiento de las máquinas herramienta CNC aplica esencialmente el principio diferencial. Su principio de funcionamiento y proceso se pueden describir brevemente a continuación:
De acuerdo con la trayectoria de la herramienta requerida por el programa de procesamiento, el dispositivo de control numérico diferencia la trayectoria a lo largo de los ejes de coordenadas correspondientes de la máquina herramienta con la cantidad mínima de movimiento (equivalente de pulso) (△X, △Y en la Figura 1-2) y calcula la cantidad de pulsos que cada eje de coordenadas necesita moverse.
A través del software de “interpolación” o calculadora de “interpolación” del dispositivo de control numérico, se ajusta la trayectoria requerida con una polilínea equivalente en unidades de “unidad mínima de movimiento” y se busca la polilínea ajustada más cercana a la trayectoria teórica.
De acuerdo con la trayectoria de la polilínea ajustada, el dispositivo de control numérico asigna continuamente pulsos de alimentación a los ejes de coordenadas correspondientes y permite que los ejes de coordenadas de la máquina herramienta se muevan de acuerdo con los pulsos asignados a través del servoaccionamiento.
Se puede observar que: Primero, siempre que el movimiento mínimo (equivalente de pulso) de la máquina herramienta CNC sea lo suficientemente pequeño, la polilínea ajustada utilizada puede sustituir de forma equivalente la curva teórica. Segundo, si se modifica el método de asignación de pulsos de los ejes de coordenadas, se puede modificar la forma de la polilínea ajustada, logrando así el objetivo de modificar la trayectoria de procesamiento. Tercero, siempre que la frecuencia de…