Los sistemas de control numérico computarizado (CNC) determinan cómo una máquina interpreta un programa NC, acciona cada eje, verifica su posición y controla los cambios de herramienta, la refrigeración y otras funciones auxiliares. Al pulsar el botón verde "INICIO DE CICLO", estos cinco sistemas comienzan a funcionar conjuntamente en cuestión de milisegundos.
En los dos artículos anteriores, presentamos el desarrollo histórico de las máquinas herramienta CNC y explicamos los sistemas de coordenadas CNC.
En este artículo, daremos un paso más allá:
¿Qué sistemas componen una máquina herramienta CNC? ¿Cómo funcionan estos sistemas en conjunto? ¿Qué sucede exactamente dentro de la máquina que usted opera a diario?
¿Qué sucede cuando los sistemas de máquinas CNC reciben una orden de INICIO DE CICLO?
Al pulsar el botón verde "CYCLE START" del panel de control, la máquina comienza a moverse según el programa CNC.
Todo el proceso puede parecer casi mágico.
Sin embargo, detrás de esta acción aparentemente simple se esconde un sistema altamente coordinado y preciso:
Un componente lee el programa de mecanizado.
Otro convierte las órdenes en señales eléctricas.
Otro acciona los motores.
Otro componente comprueba continuamente la posición real de la máquina.
Otro sistema controla el refrigerante, los cambios de herramientas y otras operaciones auxiliares.
Estos componentes conforman los cinco sistemas principales de una máquina herramienta CNC.
Comprender estos cinco sistemas no se trata solo de satisfacer la curiosidad.
Cuando se produce una avería en la máquina, este conocimiento puede ayudarle a determinar qué parte del sistema podría estar causando el problema. A medida que profundice en la tecnología CNC, estos cinco sistemas también le proporcionarán un marco claro para comprender nuevos conceptos.
Sistema 1: Controlador CNC: El “cerebro” de la máquina.
El controlador CNC es el núcleo de toda la máquina herramienta. Es lo que comúnmente llamamos sistema CNC , unidad de control numérico o sistema de control CNC.
Su funcionamiento puede explicarse mediante cinco pasos principales.
Leyendo el programa
El controlador CNC lee el programa NC desde la memoria interna, una tarjeta CF, un dispositivo USB o una interfaz de red.
Descodificación
Traduce el código G, el código M y otras instrucciones del programa en datos que el sistema de control interno puede procesar.
Cálculo de interpolación
Según las órdenes de movimiento programadas, el controlador CNC calcula la distancia que debe recorrer cada eje en cada intervalo de tiempo.
Este es uno de los cálculos más importantes que realiza el sistema CNC.
Por ejemplo, una orden para moverse del punto A al punto B debe dividirse en innumerables pasos de movimiento extremadamente pequeños. El controlador calcula y coordina estos pasos en tiempo real.
Envío de comandos de control
La cantidad de desplazamiento calculada para cada eje se convierte en señales de control eléctrico y se envía al sistema de servocontrol.
Coordinación de funciones auxiliares
El controlador CNC también coordina funciones de código M tales como:
- Control de velocidad del husillo
- Cambio automático de herramientas
- Control del refrigerante
- Sujeción y liberación de la máquina
- Otras operaciones de máquinas auxiliares
El controlador CNC no se limita a ejecutar el programa de forma pasiva.
Además, recibe continuamente información sobre la posición de cada eje de la máquina y corrige los errores de movimiento en tiempo real.
El panel de control y la pantalla que los operarios utilizan a diario constituyen la interfaz hombre-máquina del controlador CNC.
A través de esta interfaz, los operarios pueden introducir programas, modificar parámetros, comprobar coordenadas, supervisar el estado del mecanizado y comunicarse con el sistema CNC.
Sistema 2: Sistema de servocontrol: Los “músculos” de la máquina.
El controlador CNC puede emitir un comando como por ejemplo:
Desplaza el eje X 0.001 mm.
Sin embargo, esta orden digital debe convertirse en movimiento mecánico real. Esta es la función del sistema servo.
Un sistema de servocontrol consta principalmente de dos partes.
servo Drive
El servomotor recibe señales de control del controlador CNC, las amplifica y las convierte en energía eléctrica que puede accionar el motor.
Funciona como un amplificador de potencia de alta precisión.
Servomotor
El servomotor convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico de rotación.
La principal diferencia entre un servomotor y un motor convencional es que un servomotor está equipado con un codificador de posición.
Esto le permite controlar el ángulo de rotación con precisión y responder con extrema rapidez. Un servomotor puede arrancar, detenerse, acelerar, desacelerar o cambiar de dirección en cuestión de milisegundos.
Una máquina herramienta CNC normalmente contiene varios sistemas de servocontrol.
Sistemas de servocontrol del eje de alimentación
Normalmente, cada uno de los ejes X, Y y Z dispone de un sistema de servocontrol de avance independiente.
Estos sistemas de servocontrol controlan el movimiento de la herramienta de corte, el cabezal del husillo y la mesa de trabajo.
Sistema de servocontrol del husillo
El servomotor del husillo controla la velocidad de rotación del husillo y de la herramienta de corte.
El enfoque del servomotor del husillo es ligeramente diferente al del servomotor del eje de avance.
Los sistemas de servocontrol del eje de avance se centran principalmente en la precisión de posicionamiento . La distancia de movimiento ordenada debe alcanzarse con exactitud.
El servomotor del husillo se centra principalmente en la estabilidad de la velocidad . Durante el corte, la velocidad del husillo debe permanecer estable y no debe fluctuar significativamente debido a las variaciones en las fuerzas de corte.
En una máquina CNC de cinco ejes, normalmente se requieren dos sistemas servo adicionales para controlar los ejes rotatorios, como el eje A, el eje B o el eje C.
Como resultado, durante el mecanizado de cinco ejes pueden estar funcionando simultáneamente cinco o seis sistemas servo.
Sistema 3: Estructura mecánica: el esqueleto y las articulaciones
El servomotor genera movimiento de rotación.
Sin embargo, el mecanizado CNC requiere un movimiento lineal preciso, un posicionamiento rotacional y un movimiento controlado de la herramienta de corte y la pieza de trabajo.
La estructura mecánica de la máquina convierte la rotación del motor en un movimiento preciso de los componentes de la máquina.
Las partes principales de la estructura mecánica incluyen lo siguiente.
Cama y marco de la máquina
La bancada es la estructura de soporte básica de la máquina herramienta CNC.
Normalmente se fabrica con hierro fundido o placas de acero soldadas.
Una bancada de máquina de alta calidad debe proporcionar:
- Alta rigidez estructural
- Buena resistencia a las vibraciones
- Rendimiento dimensional estable
- Soporte fiable para componentes móviles
La rigidez y la resistencia a las vibraciones de la bancada de la máquina son esenciales para mantener la precisión del mecanizado.
Carriles-guía lineales
Las guías lineales orientan la mesa de trabajo y el cabezal del husillo en direcciones de movimiento específicas.
Los centros de mecanizado modernos suelen utilizar guías lineales de rodillos porque proporcionan:
- Baja fricción
- Alta precisión de movimiento
- Respuesta rápida
- Altas velocidades de alimentación
- Buena repetibilidad de posicionamiento
Las máquinas CNC de alta precisión pueden utilizar guías hidrostáticas. Estas guías funcionan con un nivel de fricción extremadamente bajo y ofrecen una suavidad y precisión excelentes.
Husillo de la bola
El husillo de bolas es un componente fundamental que convierte el movimiento de rotación del servomotor en el movimiento lineal de la mesa de trabajo o del cabezal del husillo.
En el interior del conjunto del husillo de bolas, unas bolas de acero ruedan entre el eje del husillo y la tuerca para transmitir la fuerza.
Debido a que la fricción de rodadura es mucho menor que la fricción de deslizamiento, los husillos de bolas pueden proporcionar una transmisión altamente eficiente y una precisión de posicionamiento a nivel micrométrico.
Huso
El husillo sujeta la herramienta de corte y la hace girar a alta velocidad.
La precisión del husillo, especialmente su excentricidad, afecta directamente a la precisión del mecanizado final y a la calidad de la superficie.
La velocidad máxima del husillo también determina las velocidades de corte que la máquina puede soportar.
Los husillos CNC de alta velocidad pueden alcanzar las 40,000 rpm o incluso más.
Sistema 4: Sistema de medición y retroalimentación: los “ojos” del control de bucle cerrado.
El sistema de retroalimentación es extremadamente importante, aunque muchos principiantes en el manejo de máquinas CNC quizás no comprendan completamente su función.
Supongamos que el controlador CNC ordena al servomotor que gire diez revoluciones.
¿Cómo sabe el sistema de control si el motor completó exactamente diez revoluciones?
¿Cómo sabe si la herramienta de corte se ha desplazado la distancia requerida?
La respuesta es el sistema de medición y retroalimentación.
Su función es medir la posición real de la máquina en tiempo real y enviar la información de vuelta al controlador CNC.
El controlador compara la posición real con la posición deseada y corrige automáticamente cualquier desviación.
Este proceso continuo puede describirse como:
Comando → Ejecución → Medición de posición real → Comparación de errores → Corrección del comando
Este ciclo se denomina control de bucle cerrado y es uno de los mecanismos fundamentales que permite a las máquinas CNC alcanzar una alta precisión de posicionamiento.
En las máquinas CNC se utilizan dos tipos comunes de dispositivos de medición de posición.
Codificador rotatorio
Normalmente, un codificador rotatorio se instala en el eje del servomotor.
Mide el ángulo de rotación y la velocidad del motor.
Sin embargo, debido a que el codificador rotatorio mide la posición en el lado del motor en lugar de directamente en la mesa de trabajo, aún pueden existir errores causados por el husillo de bolas, el acoplamiento, la expansión térmica o la deformación elástica.
Esta configuración se conoce como sistema de control de bucle semicerrado.
La mayoría de los centros de mecanizado utilizan este tipo de sistema de retroalimentación.
Según el artículo original, la precisión de posicionamiento típica es aproximadamente:
± 0.005 hasta ± 0.01 mm
Escala lineal
Se instala una escala lineal justo al lado de la guía de la máquina, que mide el desplazamiento lineal real de la mesa de trabajo.
Dado que mide directamente la posición de la mesa de trabajo, puede compensar los errores generados por el husillo de bolas y otros componentes de la transmisión.
Esta configuración se conoce como un sistema de control de bucle cerrado completo.
Proporciona una mayor precisión de posicionamiento y puede alcanzar aproximadamente:
±0.001 mm
Las máquinas CNC de alta precisión y los centros de mecanizado de cinco ejes de precisión suelen estar equipados con escalas lineales.
Sistema 5: Sistema de funciones auxiliares: ayuda a la máquina a completar el trabajo.
Los cuatro primeros sistemas garantizan que la herramienta de corte pueda moverse con precisión.
Sin embargo, un movimiento preciso por sí solo no es suficiente para completar todo un proceso de mecanizado.
Una máquina CNC también requiere varios sistemas auxiliares.
Cambiador automático de herramientas
El cambiador automático de herramientas , comúnmente abreviado como ATC , es una de las características más importantes de un centro de mecanizado.
El almacén de herramientas permite guardar varias herramientas de corte. Cuando se requiere un cambio de herramienta, el mecanismo de cambio o el brazo robótico realiza la operación automáticamente.
Un cambio completo de herramienta suele tardar solo unos segundos.
La capacidad del almacén de herramientas puede variar desde aproximadamente ocho herramientas hasta más de cien, dependiendo de la configuración de la máquina.
Sistema de refrigeración
Durante el mecanizado, se genera una gran cantidad de calor entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo.
El fluido de corte o refrigerante cumple varias funciones:
- Reducción de la temperatura de corte
- Lubricación de la zona de corte
- Tirar las astillas por el inodoro
- Protección de la herramienta de corte
- Mejorar la calidad de la superficie
Los métodos de refrigeración más comunes incluyen la pulverización externa de refrigerante y la refrigeración a través del husillo.
El refrigerante que circula a través del husillo atraviesa conductos internos en el husillo y la herramienta de corte, y se suministra directamente a la zona de corte.
Sistemas Neumáticos e Hidráulicos
Los sistemas neumáticos e hidráulicos se utilizan para operaciones con máquinas que requieren una fuerza relativamente alta.
Las aplicaciones típicas incluyen:
- de sujeción de piezas de trabajo
- Movimientos de cambio de herramientas
- Liberación de la herramienta
- Liberación de la herramienta del husillo
- Operación del dispositivo
- Mecanismos de posicionamiento hidráulico
PLC — Controlador lógico programable
El controlador CNC se encarga principalmente del control de movimiento.
Sin embargo, una máquina herramienta también contiene un gran número de operaciones de conmutación y control de secuencia, tales como:
- Cambio automático de herramientas
- Cambio de refrigerante
- Enclavamiento de seguridad de la puerta
- Sujeción hidráulica
- Control de lubricación
- detección de alarmas
- Funciones de seguridad de la máquina
Estas operaciones suelen ser gestionadas por un controlador lógico programable integrado , o PLC.
El PLC y el controlador CNC trabajan conjuntamente para formar el sistema completo de control de la máquina.
Flujo de señales entre los cinco sistemas principales
Todo el proceso de mecanizado CNC se puede comprender a través de la siguiente cadena de señales:
Esto es lo que sucede después de que el operador presiona el botón INICIO DEL CICLO.
Se trata de un proceso de control de bucle cerrado de alta precisión que puede repetirse miles de veces por segundo.
Introducción a las principales marcas de sistemas de control CNC
Una vez comprendida la función del controlador CNC, podemos echar un breve vistazo a algunas de las principales marcas de sistemas de control CNC.
FANUC
FANUC es una marca japonesa y uno de los fabricantes de sistemas de control CNC más utilizados en el mundo.
Sus sistemas son conocidos por su estabilidad, fiabilidad y un ecosistema técnico bien consolidado.
Los sistemas FANUC se utilizan ampliamente en plantas de fabricación y a menudo se consideran un punto de partida adecuado para operadores y programadores de CNC.
Siemens SINUMERIK
Siemens es una marca alemana, y sus sistemas CNC SINUMERIK se utilizan ampliamente en las máquinas herramienta europeas.
SINUMERIK ONE se instala habitualmente en máquinas herramienta de alta gama y proporciona funciones potentes y un soporte integral para el mecanizado de cinco ejes.
Sin embargo, en comparación con otros sistemas, su curva de aprendizaje puede ser relativamente pronunciada.
Los sistemas CNC de Siemens se utilizan ampliamente en aplicaciones de automoción, aeroespaciales y de fabricación avanzada.
TNC de Heidenhain
Heidenhain también es una marca alemana.
Sus sistemas de control TNC se centran principalmente en fresadoras y centros de mecanizado.
Los sistemas Heidenhain son reconocidos por sus avanzadas funciones de cinco ejes y gozan de gran prestigio en el mecanizado aeroespacial, la fabricación de moldes de precisión y otras aplicaciones de alta precisión.
Marcas representativas de sistemas de control CNC chinos
Las marcas chinas de sistemas de control CNC se han desarrollado rápidamente en los últimos años.
| Marcas | Empresa | Ventajas principales | Posicionamiento en el mercado | Soporte de cinco ejes |
|---|---|---|---|---|
| Serie Huazhong 9 | Centro de Control de Gestión de Huazhong | CPU de desarrollo chino y tecnología controlada de forma independiente. | Sistemas de nivel básico a medio y sustitución doméstica | Moderado |
| GSK | Guangzhou CNC | Precios competitivos y una gama completa de productos de apoyo. | Máquinas CNC económicas | Moderado |
| Kede GNC62 | Kede CNC | Funciones de mecanizado simultáneo de cinco ejes y torneado-fresado. | Mercado de gama media a alta | Relativamente fuerte |
| SYNTEC | Tecnología Syntec | Gran compatibilidad con CAM, interfaz fácil de usar y uso generalizado en máquinas chinas de cinco ejes. | Mercado de gama media con rápido crecimiento en cinco ejes. | Relativamente fuerte |
Resumen: Comprensión de los sistemas de máquinas CNC
Una máquina herramienta CNC consta de cinco sistemas principales.
Controlador CNC:
El cerebro de la máquina. Lee el programa, realiza cálculos de interpolación y envía comandos de movimiento.
Sistema servo:
Los músculos de la máquina. Impulsan los motores y controlan el movimiento preciso de cada eje.
Estructura mecánica:
El esqueleto y las articulaciones de la máquina, incluyendo la bancada, las guías, los husillos de bolas, la mesa de trabajo y el husillo.
Sistema de medición y retroalimentación:
Los ojos de la máquina. Mide la posición real y permite el control de bucle cerrado.
Sistema de funciones auxiliares:
Las manecillas de la máquina. Controlan el cambio de herramientas, la refrigeración, los sistemas hidráulicos, los sistemas neumáticos y otras funciones auxiliares.
Cuando estos cinco sistemas funcionan conjuntamente, una máquina CNC puede convertir un programa de mecanizado digital en operaciones de fabricación precisas, repetibles y automatizadas.
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