Curso CNC - INAV CNC

Transcripción

Au to ma ti za ci ón de p ro ce so s med ia nt e
si st em as d e con tr ol d e mo vi mie nt os
b as ad os e n
CNC
A l b e r t Sàe n z Cor om i n a
Control distribuido
Tiempo Real
Ing. de Telecomunicación
[email protected]
[email protected]
www.inavcnc.com
CONTENIDO
Sección 1: ASPECTOS GENERALES .................................................................................................. 1
1.1
Que es un CNC............................................................................................................... 1
1.2
CNC vs PLC.................................................................................................................... 1
1.3
Breve historia. ................................................................................................................. 2
1.4
Control de movimientos: Motores y Accionamientos (Drivers). ...................................... 4
1.4.1
Tipos de Motor.............................................................................................................. 4
1.4.2
Motores de Alterna (AC) ............................................................................................... 5
1.4.3
Motores Paso a Paso ................................................................................................... 6
1.4.4
Motores DC o de continua ............................................................................................ 8
1.4.5
Motores AC síncronos o servomotores “Brushless” ..................................................... 9
1.4.5.1
Motores LINEALES .................................................................................................... 9
1.4.6
Accionamiento eléctrico.............................................................................................. 10
1.4.7
Accionamiento mecánico............................................................................................ 12
1.4.8
Accionamiento: parametrización para cada eje.......................................................... 13
1.5
Sensores. ......................................................................................................................14
1.5.1
Sistemas de captación o de lectura de posición......................................................... 14
1.5.2
Otros. .......................................................................................................................... 14
1.6
Campos de aplicación del CNC. ................................................................................... 16
Sección 2: PROGRAMACION ............................................................................................................. 17
2.1
Norma ISO (DIN 66025)................................................................................................ 17
2.2
Ejemplo práctico............................................................................................................ 18
Sección 3: EVOLUCION......................................................................................................................20
3.1
Informática ....................................................................................................................20
3.2
Ciclos fijos ..................................................................................................................... 21
3.3
Programación “simbólica” ............................................................................................. 21
3.4
DNC (Direct Numerical Control).................................................................................... 21
3.5
CAD/CAM/Post procesado/CIM .................................................................................... 22
3.6
PLC. .............................................................................................................................. 24
3.7
TICK o tiempo de ciclo o período de muestreo............................................................. 24
Sección 4: APLICACIONES PRACTICAS........................................................................................... 25
4.1
EDM (electroerosión). ................................................................................................... 25
4.1.1
Comparativa con mecanizado tradicional................................................................... 25
4.2
Laser ............................................................................................................................. 26
4.3
Pulido ............................................................................................................................ 26
4.4
Ingenierías ....................................................................................................................27
4.5
Robótica ........................................................................................................................ 27
Sección 5: CONTROL DIGITAL .......................................................................................................... 28
5.1
Motores brushless o AC y Drivers digitales. ................................................................. 28
5.2
CNC digital. ...................................................................................................................30
5.2.1
Comparación entre sistemas: características y conexionado..................................... 30
5.2.2
Algunos modelos presentes en el mercado:............................................................... 31
VLTIMA cnc): ............................................... 32
5.2.3
La solución desde iNAV electrónica (VLTIMA
.2 .3 .1
LIENTE .................................................................................................................. 34
55.2.3.1
C
CLIENTE
.2 .3 .2
NC .......................................................................................................................... 35
55.2.3.2
C
CNC
.2 .3 .3
ERVIDOR ............................................................................................................... 36
55.2.3.3
SSERVIDOR
5.2.3.4
Principales características........................................................................................ 37
5.2.3.5
CNC sobre plataformas incrustadas o “embedded” y pocket PC o PDA ................. 38
5.2.3.6
CNC on a CHIP ........................................................................................................ 38
5.3
Bus de campo. Control distribuido. ............................................................................... 39
5.4
Sistemas abiertos. Linux o Windows y plataformas “embedded” o PC compatible. ..... 42
5.5
Sistema de adquisición de datos. ................................................................................. 42
5.6
Sistemas adaptativos, expertos e inteligencia artificial (IA). ......................................... 43
5.7
Mecatrònica................................................................................................................... 44
Sección 6: ALTA VELOCIDAD ............................................................................................................ 45
6.1
6.2
6.3
Sección 7:
7.1
7.2
7.3
Sección 8:
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Nivel de exigencia y control mecánico. Jerk Control, Look ahead, Nurbs. ................... 46
Motores lineales. ........................................................................................................... 48
Cinemática paralela. ..................................................................................................... 49
CNC VLTIMA (sesión práctica) ........................................................................................ 50
Versión de evaluación: obtención. ................................................................................ 50
Introducción a este Sistema Abierto como base de un Control Digital. ........................ 50
Ejercicio práctico de uso y programación sobre una aplicación real. ........................... 50
iNAV electrónica, SL ...................................................................................................... 51
Introducción................................................................................................................... 51
Algunos precentes ........................................................................................................ 51
Algunos sectores dónde ya estamos presentes ........................................................... 51
La base constructiva y de conocimiento ....................................................................... 52
La aplicación ................................................................................................................. 52
Nuestra oferta ............................................................................................................... 52
El dominio ..................................................................................................................... 52
Comentario:
“Frente la inevitable pérdida de tejido industrial, más intensivo
cuanta más mano de obra, a causa de las deslocalizaciones y ceses de
actividad por la volatilidad de las inversiones en la economía global, la
única opción es competir en conocimiento aplicado”.
La innovación tecnológica para la mejora de cualquier producto
implica muchos factores y, en particular el CNC, destaca entre todos
ellos.
En cualquier proceso, descubrir los riesgos es importante, si bien
hay que asumir todo riesgo con conocimiento.
.
CNC desde 1982
Sección 1: ASPECTOS GENERALES
El propósito del curso es el de dar una visión general, desde un punto de vista
eminentemente práctico, sobre el dispositivo en el que más se apoya la automatización: el CNC.
1.1 Que es un CNC
Básicamente es un “interpolador” que genera trayectoria y descompone a esta en tantos ejes (o
grados de libertad) como disponga la aplicación donde se incorpora.
Dicho de otra manera: genera trayectoria a cada intervalo de tiempo preestablecido (Real Time)
para alcanzar una determinada velocidad de avance global [km/h o
m/s o mm/min], ejerciendo de repartidor / sincronizador entre
todos los ejes de la aplicación (distribuye el movimiento).
Además y como que se trata de un “Control”: deberá gestionar
partes fundamentales de toda el proceso donde se integre.De ello
se derivan notables consecuencias como se constatará a lo largo
de esta exposición.
El sistema básicamente podría ser equiparable al de cualquier otro
que realice un Procesamiento de señal en Tiempo Real: adquiere
muestras, las procesa adaptándose a su entorno y, en base a ello y
a un control predictivo y anticipativo, genera los estímulos a una
cadencia fija para proseguir en un bucle continuo y completamente
determinista.
En definitiva, el CNC deberá controlar todo el proceso de
mecanización de la pieza, gestionando las velocidades y
desplazamientos de los ejes, (y si es necesario, la velocidad del
cabezal del mandrino), sincronizándose con los eventos externos vía
señales SI/NO (PLC) que marquen la cadencia de ejecución de un
determinado programa-pieza.
Videos:
Gantry
Solder
“Motion Control”:
Rockwell
ROBOT
Laser Textil
Deburring 3 heads
Polishing 1 head
Polishing 5 fast-heads
1.2 CNC vs PLC.
PLC: Programmable Logic Control.
CNC: Computer Numerical Control.
Frecuentemente se confunden ambos términos.
Automatización con CNC ( [email protected] )
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CNC desde 1982
Si bien es cierto que cada vez es más corriente que los PLC puedan “gobernar” ejes. Para ello
incorporan tarjetas de “contaje rápido” (realizando el interfaz con los dispositivos de lectura de
posición) y, mediante una de sus salidas analógicas, “pilotan” el movimiento.
Los PLCs (así como los Reguladores como “Posicionador”) no Interpolan o cuanto menos, esta
se realiza de manera torpe . La programación en ellos es complicada y poco flexible pues
comúnmente se basa en estándares como el IEC-61131-3.
Los CNCs, sin embargo, en la mayoría de ocasiones incorporan un PLC como un accesorio más
de estos o se complementa su implantación con uno de ellos a modo de periférico.
1.3 Breve historia.
La introducción de las máquinas con CNC, lógicamente va muy ligada a la evolución de las
computadoras y produjo un cambió radical en la industria (principalmente durante la década de los
70’s). Con la aparición de estas, la intervención del usuario se redujo drásticamente y realizar
perfiles complejos (líneas curvas o incluso superficies 3D) se volvió casi tan fácil como hacer líneas
rectas.
Este tipo de maquinaria ha minimizado o eliminado la intervención del operario (con todo lo
que ello supone con respecto a la fatiga, el comportamiento y la predicción de tiempos).
Aumentó de forma muy notable la precisión, repetibilidad, flexibilidad y facilitó de gestión de la
producción , entre otros muchos factores.
¡Las máquinas
herramienta son las
únicas que se
fabrican a si mismas!
Los primeros intentos de automatizar el funcionamiento de una máquina se remontan a principios
del siglo XIX. En 1808 Joseph M. Jacquard inventó una máquina textil que permitía realizar
distintos tipos de tejidos. Las diferentes secuencias de operación se introducían mediante
tarjetas de latón perforadas.
1953. El MIT utilizó por primera vez el término «control numérico» en una fresadora Cincinnati de
3 ejes. El control disponía de interpolación lineal en 3D, la entrada de datos se realizaba a
través de tarjetas perforadas y utilizaba la tecnología de válvulas de vacío. Las fuerzas
aéreas de Estados Unidos hicieron un pedido de 170 máquinas de control numérico a varios
fabricantes que apostaron por esta tecnología en el año 1953.
1960. El MIT realizó las primeras pruebas de control adaptativo, tratando de ajustar de forma
óptima las condiciones de trabajo de la máquina. También en este año, los controles basados
en la tecnología de transistores comenzaron a sustituir a los basados en válvulas de vacío.
1976. Los microprocesadores revolucionaron el mundo de los controles numéricos, permitiendo
integrar en el control prestaciones tales como: ayudas avanzadas a la programación,
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CNC desde 1982
presentación gráfica de la trayectoria de la herramienta, subprogramas y ciclos fijos,
comunicaciones e integración en redes, etc.
1992. Se empieza a hablar de controles numéricos «abiertos» que posibilitan su personalización y la
incorporación de los conocimientos propios. programación gráfica interactiva, comunicación
digital con los accionamientos, etc.
La previsión de crecimiento del mercado CNC por parte de la consultora americana ARC es del
3% anual hasta el 2007. FANUC, Mitsubishi, Siemens, Heidenhain, Selca, Fagor Automation, Num,
Fidia, Schleicher, Beckoff, Cybelec, etc. son algunos de los principales constructores que concurren a
este competido mercado.
Por cuanto respecto a nuestro país, el crecimiento debería haber alcanzado niveles de
exigencia parecidos a los requeridos por cualquier otro sector que se califique como de estratégico.
Lo cierto es que ya solo se circunscribe al que pueda tener una empresa de Mondragón.
Según la AFM (Asociación española de Fabricantes de Maquina-herramienta) España se sitúa
como el noveno productor mundial de maquina-herramienta tras Japón, Alemania, Italia, China
EEUU, Taiwa, Suiza y Corea por este mismo orden, y por delante de Francia y del Reino Unido.
En CNC, fuertemente vinculado a la M-H, no se conocen estadísticas al respecto pero este
sector en España, remitiéndose al volumen de facturación, no alcanza niveles significativos dentro
del panorama mundial.
La evolución constante requiere mantener un nivel de I+D exigente, altamente cualificado y
muy experimentado.
Trayectoria de los “pioneros” en el desarrollo de CNCs en España.
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CNC desde 1982
1.4 Control de movimientos: Motores y Accionamientos (Drivers).
Principio de funcionamiento:
Motor:
En una bobina cerrada por la que circula corriente sometida a un campo
magnético se induce una corriente que la hace girar.
Accionamiento o “Driver”:
Para mantener la rotación en el mismo sentido es necesario conmutar el
sentido de la corriente.
DC es el acrónimo de “Direct current” y AC el de “Alternating current”.
1.4.1 Tipos de Motor
1-Motor Asíncrono o AC Trifásico . Poco Par a baja Velocidad , Respuesta en Aceleraciones
altas Mucha Inercia , Posicionamientos de poca precisión
2-Motor Paso-Paso . Potencias o pares pequeños , problemas en alta velocidad, precisa de
aceleraciones suaves por problemas de deslizamiento y perdida de posición.
3-MotorDC con escobillas . En aplicaciones de bajo par. Electrónica muy económica y de
fácil diseño. En potencias superiores a 500W en desuso.
4-Motor Brushless. Es un Motor Síncrono, el disparo o control de las fases (U;V;W) es
activo sincrónicamente en cada polo magnético. En el ROTOR tenemos situados los
Imanes de alto campo magnético (SamarioCobalto/TierrasRaras). En el ESTATOR
tenemos las Bobinas.
Existen dos tecnologías de control AC y DC. AC: Control Senoidal y DC: Control
Trapezoidal.
Desde el punto de vista de la electrónica asociada con el motor, existen variadas y
diferentes técnicas de “pilotado” (Accionamiento) según sea el tipo de motor al que nos
referimos. La denominación de los “Pilotajes” (término en desuso) para los motores de “Par
constante” que comúnmente se emplea son: Regulador de velocidad (o simplemente
“Regulador”) o, del término “Servo Drive Amplifier” se simplifica denominándolos como
“Servo” o “Driver” o también “ServoDrive”.
Para los de “Potencia constante”: Variador de frecuencia (o simplemente “Variador”) o
Convertidor de frecuencia (o simplemente “Convertidor”) o “Frequency Inverter” (o
simplemente “Inverter”).
Es conviene diferenciar entre los motores destinados a mover a los ejes con precisión
en el desplazamiento y la posición final a alcanzar y los que se emplean para realizar un
simple movimiento del tipo que fuere (cabezales, cintas de transporte, etc.). Los que poseen
la característica de entregar un Par constante en cualquier régimen de vueltas se emplean
comúnmente en aplicaciones CNC para el control de los ejes realizando un correcto y preciso
control de la posición. A los que suministran Potencia constante, les bastará asegurar una
determinada velocidad independiente de la carga siendo su control o accionamiento más
sencillo.
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CNC desde 1982
1.4.2 Motores de Alterna (AC)
Los motores de corriente alterna son
aquellos que transforman la corriente alterna en
movimiento y de ahí su nombre.
Son los típicos que se ven en ventiladores,
compresores, cintas de transporte o túneles de lavado de
coches, por ejemplo.
Pueden conectarse directamente a la red a través de
contactores.
La velocidad de giro del motor viene dada en revoluciones por minuto (RPM) y
cumple con la fórmula: RPM = (f / p) * 120, en donde f = ciclos por segundo
(frecuencia de la red) y p = número de polos. Se emplean a los “Variadores de
Frecuencia” (escalar V/f o vectorial) para regular la velocidad de giro.
Tipos de motores de Corriente Alterna: trifásicos y monofásicos, que pueden ser
síncronos o asíncrono.
Síncrono: la velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de
corriente alterna que lo alimenta. Si la fuente es de 60Hz y si el motor es de dos polos,
gira a 3600 RPM; si es de cuatro polos gira a 1800 RPM y así sucesivamente. Este
motor o gira a la velocidad constante dada por la fuente o, si la carga es excesiva, se
detiene.
Visto desde este aspecto, el motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que
los que se desea velocidad constante.
Debido a su difícil control, este tipo de motores no habían tenido apenas
aplicación en campo del posicionamiento de ejes mediante CNC hasta hace unos pocos
años. Sin embargo y gracias a las mejoras introducidas en este tipo de motores hace ya
unos cuantos años, los sitúan como unos serios competidores de los motores de
continua (ver servomotores “brushless” posteriormente).
Asíncrono: más fácil de arrancar y más económico. La
energía eléctrica en forma de corrientes trifásicas se
convierte en un movimiento giratorio de velocidad
ligeramente variable con la carga.
El estator está constituido por un núcleo de hierro laminado
en cuyo interior existen tres arrollamientos o bobinas, uno
por fase, colocados simétricamente formando un ángulo de
120º.
Según las características del rotor existen 2 tipos de
ellos: motores de “Jaula de ardilla” (que no son adecuados
cuando se debe regular la velocidad durante la marcha) y los de “Rotor Bobinado”.
En general los motores AC asíncronos:
Son económicos.
Son referidos por su potencia dada en [Kw] o [CV] ([HP]).
Indicados para “cabezales” (Spindle).
Suministran poco PAR a bajas revoluciones. Obligando a instalar “cajas
reductoras”.
•
Por sus características no son indicados para realizar posicionamiento de ejes
con precisión.
•
•
•
•
5
CNC desde 1982
1.4.3 Motores Paso a Paso
Funcionamiento:
6
CNC desde 1982
Haciendo N-0 y S-0 y luego N-N y S-S y luego 0-N y 0-S: medio paso -> duplicamos el
número de pasos.
Excitación PASO COMPLETO:
Paso
S1
1
X
S2
S3
2
S4
Paso
S1
S2
X
1
X
X
X
2
X
3
X
4
X
1
X
X
S3
X
X
3
X
X
S4
X
4
X
1
X
X
X
X
Sentido horario
Sentido antihorario
Excitación MEDIO PASO:
Paso
Excitación de Bobinas
S1
1
S2
S3
X
2
Paso
S4
Excitación de Bobinas
S1
S2
X
X
X
1
X
2
X
X
3
X
S3
3
X
4
X
4
X
X
5
X
5
X
6
X
6
X
7
X
8
X
1
X
7
X
8
X
1
X
X
Sentido horario
S4
X
X
X
X
X
Sentido antihorario
Diferentes técnicas de “pilotado”: Pilotaje paso a paso. Fáciles de incorporar en un “chip”.
Normalmente son de 200 pasos / vuelta = 1,8º/paso (Máximo de 500). A medio paso:
400 pasos.
•
•
•
•
En general:
Máximo Par cuando está parado y son referidos por este valor en [Nm].
Par bajo cuando aumenta velocidad (frecuencia).
Máquinas pequeñas (que necesiten poco par) y lentas.
Normalmente su funcionamiento se realiza en “bucle abierto” (no hay realimentación
para saber donde está posicionado). Ello conlleva que cualquier pérdida de pasos
equivalga a pérdidas de posición irrecuperable.
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CNC desde 1982
1.4.4 Motores DC o de continua
Para mantener la rotación en el mismo sentido es necesario conmutar el sentido de la corriente y
debemos tener en cuenta que el campo magnético se produce siempre en el estator y que las
bobinas se encuentran en el rotor.
EXCITACIÓN para la inversión en el sentido de giro:
Para asegurar una velocidad independiente de la carga se emplean taco-dínamos.
En general:
• Son referidos por el Par que suministran comúnmente en [Nm].
• Disipación calor deficiente pues se produce en el rotor.
• Voluminoso.
• Las escobillas representan mantenimiento, baja corriente y voltaje de excitación (carbón).
• Idóneo para mover a los ejes con precisión incluso a muy bajas vueltas.
• El precio es ventajoso pues la electrónica es muy sencilla.
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CNC desde 1982
1.4.5 Motores AC síncronos o servomotores “Brushless”
En los motores síncronos la velocidad de giro depende
únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el
inducido.
Para poder variar con precisión la velocidad de giro, el
control de velocidad se realiza mediante un Convertidor
de Frecuencia.
El servomotor “brushless” consiste básicamente en:
• un rotor de imanes permanentes de alto campo magnético
(Samario-Cobalto / Tierras Raras).
• un estator, las bobinas con tres fases (típicamente, aunque
existen motores con muchas fases)
• un sensor de posición del rotor para forzar la conmutación
entre las sucesivas fases. Este dispositivo (comúnmente un
“Resolver”) evita el riesgo de perdida de sincronismo pues detecta continuamente la
posición del rotor y permite mantener en todo momento el ángulo que forman los
campos del estator y rotor.
El disparo o control de las 3 fases (U;V;W) es activo sincrónicamente en cada polo
magnético. Este método de control se conoce como autosíncrono o autopilotado.
Al motor síncrono autopilotado excitado con un imán permanente, comúnmente se le
denomina Motor Senoidal el cual presenta las siguientes ventajas:
• Debido a las construcción, las pérdidas del motor son producidas casi
enteramente en el estator, resultando en una forma mas eficiente de evacuación
del calor.
• El diseño de un servomotor “brushless” reduce la inercia del rotor y aumenta la
velocidad de giro y el voltaje de excitación. Ello permite que sean rápidos en las
maniobras de aceleración y frenado.
• No presenta problemas de mantenimiento debido ya que no posee escobillas y
tiene una gran capacidad de evacuación de calor pues los devanados están en
contacto directo con la carcasa.
• El control de posición se puede realizar sin la utilización de un sensor adicional,
aprovechando el detector de posición del rotor que posee el propio motor.
• Permite desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el motor de
corriente continua.
El inconveniente es el precio pues la electrónica asociada es compleja aunque, como es
habitual en ella, la evolución es continua hacia la baja.
También son referidos por el Par que suministran y viene dado en [Nm].
Existe también el Motor síncrono con excitación trapezoidal, pero posee un “rippel” muy
elevado a bajas revoluciones que no lo hace apropiado en aplicaciones CNC.
1.4.5.1 Motores LINEALES
Cualquier Motor A.C. lineal de tres-fases consiste en un
estator como sección primaria y en un rotor de imanes
permanentes como sección secundaria.
A destacar que poseen un sistema de guiado mecánico
con encoder de alta resolución y un pequeño “colchón de
aire” entre las sección primaria y secundaria.
Son apropiados para recorridos
cortos a alta velocidad en donde
los requerimientos exigen una
dinámica alta. (Ver
posteriormente).
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CNC desde 1982
Son los de introducción más reciente ya que datan de principios de la década de los 90.
1.4.6 Accionamiento eléctrico
De la electrónica asociada para accionar al motor, sea del tipo Regulador de velocidad o
Variador de frecuencia, conviene hacer un breve exposición.
Existe una primera diferencia entre Regulación del tipo Analógica y Digital. La Analógica
ha venido siendo la dominante en los pasados años hasta que la incorporación masiva de
la µ-electrónica (microcontroladores y DSPs principalmente) ha permitido una revolución
también en este campo.
El modelo matemático empleado es el presentado comúnmente en la teoría de servos.
Los controladores PID como su nombre lo indica, tienen una parte Proporcional, una
Integral y una Derivativa, esto se puede observar en el siguiente diagrama de bloques:
El propósito de este controlador es el de reducir la señal de error "E(s)".
La ecuación de lazo abierto es: Y(s)/E(s) = Gp(s)[(kd+s)+(kp)+(ki/s)]
Proporcional
Aplica al error un término correctivo proporcional al error. Si aumentamos la ganancia
proporcional, el sistema responde más rápido a los cambios de consigna y el Error se
hace menor, pero por otro lado el sistema se hace más inestable resultando en un
posible sobre-paso (“overshuts”) con una posible oscilación amortiguada (“ringing”) o
incluso pudiendo llegar a la oscilación.
Integral
Aunque la Proporcional puede reducir el error substancialmente, ella no puede por si sola
reducir el error al valor de cero. Ello se puede conseguir mediante un término Integral.
10 Automatización con CNC ( [email protected] )
CNC desde 1982
Este término obliga a mantener su entrada media al valor de cero, caso contrario la
salida se incrementaría indefinidamente, terminando en una saturación o algo peor.
Cuanto mayor sea su valor, más pronto se alcanzará el valor de cero como respuesta a
un cambio pero también será mayor la oscilación y la inestabilidad.
Derivativa
Aumenta la velocidad de respuesta del sistema y por consiguiente puede mejorar la
estabilidad al “anticiparse” a las variaciones del error.
Un regulador digital aporta algo más que un simple servo pues está dotado de
”inteligencia”: Se puede representarse de la forma siguiente:
NOTA: La incorporación del servo de posición en el propio accionamiento es opcional y
serviría para reducir el cableado y el tráfico en la conexión entre el interpolador y el
accionamiento.
El término anticipativo de “Feed Forward” (velocidad del interpolador generador de
trayectoria) reduce el error de seguimiento pero puede hacer al sistema más inestable
(su ganancia debe situarse entre los valores de 0 y 1).
El mínimo conexionado tradicional entre un CNC y un
regulador analógico es el que se muestra en el gráfico
adjunto.
11
CNC desde 1982
1.4.7 Accionamiento mecánico
Guiado: Guías lineales con recirculación de bolas.
Transmisión:
Reductores. (Inercia2)
Correa dentada.
Piñón-cremallera.
Husillo a bolas.
Motor lineal.
Inconvenientes:
Holguras, rozamiento, elasticidad, imprecisiones, derivas térmicas (dilataciones), alineación,
paralelismo y ortogonalidad, desgaste (polvo, suciedad), juegos, rendimiento,...
El CNC tratará de compensar, en la medida de sus posibilidades todos estos inconvenientes.
Existe una gran oferta de elementos y también de subconjuntos que convenientemente
combinados pueden facilitar la obtención de la parte mecánica.
CNC desde 1982
1.4.8 Accionamiento: parametrización para cada eje.
Desde el punto de vista del CNC, la adaptación de este a los requisitos particulares de
cada eje o grado de libertad que se instala se resuelve mediante la asignación de valores
a determinados parámetros específicamente definidos para ello (Parámetros del
Sistema). Los más significativos entre otros son los siguientes:
• Límites de recorrido en sentido positivo como negativo.
• Velocidad máxima de desplazamiento. Límite máximo + 10%.
• Aceleración o Rampa de aceleración.
• Error de Seguimiento máximo con un factor de sobrepaso determinado (25%) por
encima del cual se causará una alarma.
• Ganancia Proporcional del Servo de Posición.
• Ganancia Derivativa del Servo de Posición.
• Ganancia Feed Forward.
• Factor de captación del sistema de medida. Equivalencia entre el impulso que
proviene del sistema de captación y la distancia lineal o angular que representa.
• Entorno de posicionamiento cuando se exige “parada precisa”.
• “Flags” que determinan el tipo o características específicas de ese determinado
eje:
o Sentido de contaje.
o Eje podrá actuar con bloqueos o mediante freno o embrague.
o Tipo de búsqueda del origen de referencia.
o Rotativo.
o Dentado
• Compensación de la holgura mecánica.
• Compensación del paso del husillo.
• Ortogonalidad (perpendicularidad). Dilataciones Térmicas. Etc.
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CNC desde 1982
1.5 Sensores.
1.5.1 Sistemas de captación o de lectura de posición.
Encoders
Rotativos o Lineales.
Ópticos o magnéticos.
Incrementales o Absolutos.
Resolvers (Inductosync).
Rotary Variable Differential Transformer (RVDT)
Sistemas Laser.
Interferómetro laser.
Metrología. Copiado. Digitalizado.
Detectores de proximidad. Microinterruptores. Cruz de Malta.
Inductivos, capacitivos, ópticos.
Nota: si el propio regulador es digital, ya puede incorporar a este dispositivo.
La resolución de estos dispositivos ha alcanzado la décima de micra (0,1 µm). Si
bien, lo normal es aplicar 1 µm por su disponibilidad y precio.
1.5.2 Otros.
Para:
Transductores del tipo:
• Vehículos de carretera.
•
Voltaje [V]
• Trenes.
•
Corriente [A]
• Uso marítimo.
•
Resistencia [Ω]
• Uso aeroespacial.
•
Conductividad [1/Ωm]
• Uso militar.
•
Frecuencia [Hz]
• Control de máquinas.
•
Tiempo [s]
• Automatización de fábricas.
•
Distancia lineal [m]
• Construcción de edificios (domótica).
•
Distancia angular [º]
• Uso médico.
•
Angulo, rotación [º]
• Redes.
•
Angulo, inclinación [º]
• Obra civil.
•
Velocidad rotacional [1/s]
• Otros.
•
Velocidad lineal [m/s]
•
Aceleración [m/s2]
•
Jerk [m/s2]
•
Potencia [W]
•
Par [Nm]
•
Presión [bar]
•
Peso [kg]
•
Temperatura [ºC]
•
Viscosidad[kg/ms]
•
Humedad [%]
•
Caudal [m3/s]
Los avances en los sistemas “embeddeds” (o incrustados) dan “inteligencia” a estos
dispositivos y marcan la tendencia actual.
CNC desde 1982
Las ventajas de estos y que marcan las líneas de trabajo a seguir:
1. Adaptabilidad a partir del análisis
de las condiciones de trabajo.
2. Métodos de recalibración para
mantenimiento de una precisión
óptima.
3. Miniaturización incorporando el
proceso de datos y la gestión de
la transmisión.
4. Uso de estándares bien
elaborados, definidos y
difundidos, sobre todo en
aplicaciones de redes de sensores
de diferentes fabricantes.
5. Control distribuido incluyendo el
procesado, transmisión y la
fusión de los datos en la red de
sensores.
6. Gestión en Tiempo Real que
posibilita un comportamiento más
robusto y determinista con una
posible planificación de tareas y
que claramente disminuye el
tráfico de información.
Los rápidos y constantes avances de la tecnología incrustada, la disponibilidad de
soluciones económicas en miniatura y a medida, la incorporación de protocolos para su
conexión en redes (incluso Ethernet e Internet), la posible transmisión inalámbrica
(bluetooth o Wi-Fi) y la normalización de protocolos de comunicación, son elementos que
sin duda conducen a la extensión de los sensores de este tipo.
Tradicional vs incrustado.
Entre sus muchas funcionalidades se puede destacar:
• Configuración y programación remota.
• Plug & Play. Compensación y filtrado. Con posible mejora con respecto a
los analógicos.
• Auto diagnosis (autotest).
• Verificación de las mediciones o del propio controlador.
• Tratamiento de datos “in situ”.
• Auto ajuste.
• Auto calibración.
15
CNC desde 1982
1.6 Campos de aplicación del CNC.
Cualquier aplicación que requiera un movimiento PRECISO, rápido y flexible y que sea fácil de
programar, modificar o sustituir. En general, en toda aquella aplicación donde es necesario realizar
un control de movimientos (el número es importante) del tipo que fuere, es aconsejable proyectar la
posible implantación de un sistema basado en CNC.
Se puede encontrar CNC especializados para:
Mecanizado (metal, plástico, madera, minerales,...): Torno, Fresa, Taladro, Sierra,
Centro de mecanizado, Rectificadora, Electroerosión (EDM) por hilo o penetración, ...
Chapa: Plegadoras, Cizalladoras, Punzonadoras, Prensas, Corte (oxicorte, plasma, laser,
chorro de agua).
Soldar, Bobinadora, Ensamblar, Paletizar, Empaquetar, Desbarbar, Pulir, Limar, Medir,...
Robots.
Para la Industria Electrónica en general (chips, CI, inserción componentes, ...).
O también existe en el mercado los denominados de Propósito General (comúnmente basados en
alguno de los anteriores) que en principio parten como idóneos para cualquier tipo de Control de
Movimientos.
Specialized CNCs:
Machining (metal, plastic, wood,…): Lath, Mill, Machining center, Grinding, Drilling, Sawing, EDM …
Metal Sheet: Bending, Punching, Press, Cutting (Oxicut, Plasma, Laser, WaterJet).
Bonding, Welding, Winding, Assembly, Palletizing, Packaging, Deburring, Polishing, linishing , Measuring.
Robots, Electronic industry, ...
Or CNC of General Purpose for Motion Control in general.
CNC desde 1982
Sección 2: PROGRAMACION
Mediante algún proceso de edición se genera un programa, (al cual se le puede denominar
PROGRAMA-PIEZA), que deberá haber sido introducido en la memoria interna del equipo CNC de forma
que pueda ser ejecutado posteriormente por la máquina herramienta.
2.1 Norma ISO (DIN 66025)
El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el interprete del programa, el cual
descifra el programa escrito en formato ISO (DIN 66025) de manera que pueda ser asimilado por el
sistema de control y ejecutado en el interpolador entre otros procesos.
Comúnmente también se denominada programación en código G (G-codes) siguiendo el
estándar RS274D.
Para todo ello se dispone de algún sistema de programación (comúnmente denominado EDITOR)
que sirva para introducir aquellos comandos que luego serán decodificados y ejecutados. Solo
programas-pieza que posean una cierta SINTAXIS y lenguaje de programación siguiendo unas
estrictas normas semánticas, serán interpretados por el CNC.
Cabe reseñar que desde hace años la referida norma está completamente desfasada. En la
práctica, muchas nuevas prestaciones que se han ido incorporando en los CNCs, en la actualidad son
programados mediante códigos “pseudo-ISO”. En el bien entendido de que se intenta seguir con una
terminología que se aproxime, dentro de sus posibilidades, a los orígenes de programación en norma
ISO. Por ello es quizás más apropiado el denominar a este tipo de programación como “c
código G”. Por
ejemplo, por cuanto respecta a la programación en paramétricas, cada fabricante ha seguido su propio
criterio a la hora de definir el uso de esta.
Algunas instrucciones ISO de mayor uso son las siguiente:
G0:
desplazamiento a velocidad máxima
G1:
interpolación lineal a la velocidad de la variable F que ha sido previamente programada.
G2:
igual a G1 pero en interpolación circular o helicoidal en el sentido de las agujas del reloj
(CW).
G3:
igual a G3 pero en el sentido contrario al de las agujas del reloj (CCW).
G5:
Cantos vivos.
G7:
Aristas matadas.
G90:
Programación de las cotas en coordenadas absolutas.
G90:
Programación de las cotas en coordenadas incrementales.
G92:
Traslación de coordenadas.
F:
Programación de la velocidad de avance.
La norma también fija determinados códigos de ordenes por cuanto respecta a la preparación de
la máquina. Comúnmente se emplean lo que se denomina como funciones Misceláneas y de ahí su
codificación haciendo uso del carácter M.
M3:
Giro del mandrino en sentido horario.
M4:
Giro del mandrino en sentido antihorario.
M5:
Paro del giro del mandrino.
S:
Programación de la velocidad de giro del mandrino.
M8:
Puesta en marcha de la bomba del líquido refrigerante.
M9:
Paro de la bomba del líquido refrigerante.
M6:
Cambio de herramienta.
Debido a la complejidad cada vez mayor de las diferentes máquinas, una función M podría ser
considerada como una llamada a la ejecución de un subprograma residente en el propio “Firmware” del
CNC o en la memoria destinada al usuario si debe ser esta determinada función configurable por el
fabricante de la máquina herramienta.
Como se entenderá, la norma no puede ser igualmente aplicada para una fresadora que para una
plegadora por ejemplo. En la segunda no existe refrigerante (taladrina es el término comúnmente
empleado) ni cabezal mandrino.
17
CNC desde 1982
Como en cualquier lenguaje informático, existirán instrucciones similares a las de cualquier otro
y, facilitará mucho el rápido aprendizaje, poseer conocimiento de cualquiera de ellos (“Basic” por
ejemplo es más que suficiente).
Instrucciones de salto, salto condicional, llamada a subprograma, programación paramétrica,
etc...
Hay que tener presente que no es una programación en Texto Estructurado (equiparable al
lenguaje “Basic”) sino que más bien se asemeja a la de una Lista de Instrucciones (más equiparable
al lenguaje “ensamblador”) en donde se prima el uso de pocos recursos minimizando los tiempos
críticos.
NOTAS:
!
Como simple comentario, hacer mención a que en este apartado se está trabajando
también en la búsqueda de estándares que permitan una mejor “comunicación” entre todas las
fases implicadas en la fabricación, desde el diseño hasta la ejecución.
STEP (Standard for Product Modul Data Exchange) por cuanto respecta al almacenamiento
de los datos de diseño CAD y STEP-NC en particular como extensión de este, pretende que
desde el CAD/CAM hasta la maquina CNC se englobe toda la información en un único proyecto
denominado como “Super Modelo” (se estima una reducción del 35% del tiempo en la fase de
definición, del 75% en el número de dibujos a intercambiar desde el diseño a la fabricación y de
hasta un 50% en la información a manejar para la fase de ejecución-manufactura).
STEP-NC pretende sustituir al RS274D (el estándar de códigos M y G) como la interfaz
entre los sistemas CAM y CNC . Para mayor información, visitar www.steptools.com.
2.2 Ejemplo práctico.
En este apartado se presenta, a título ilustrativo, una pequeña introducción en los aspectos que
solo conciernen a la programación.
COMANDO
P123;
F1000/REF.123;
G91;
G0;
X15Y10;
S2000M3;
M8;
Z-14;
G1Z-6;
G1X30;
G2X10Y10I10J0;
G1Y10;
G1X-10Y15;
G1X-25;
DESCRIPCION
Número de programa que se asigna.
Veloc. Trabajo: 1000 mm/min. y comentario de Inicio Programa (Referencia por ejemplo).
Cotas o valores de los desplazamientos de los ejes en increméntales.
Tipo de desplazamiento "punto a punto" (en vacío) a la velocidad máxima de la máquina.
Desplazamiento hacia punto de inicio fresado en los ejes X e Y.
Velocidad del cabezal: 2000 r.p.m. y giro en sentido horario.
Puesta en marcha del refrigerante.
En movimiento rápido (G0), nos acercamos a la pieza a fresar.
A velocidad de trabajo (G1) programada (F1000), nos situamos en el nivel de fresado.
Linealmente (G1) nos desplazamos en sentido X positivo.
Desplazamiento circular en sentido horario (G2) hasta alcanzar nueva posición. Para
determinar el arco a describir, le señalamos las cotas del centro respecto al punto de inicio
del movimiento.
Linealmente (G1) en sentido positivo en el eje Y.
Linealmente nuevamente, Y en sentido positivo y X retrocediendo.
CNC desde 1982
G3X-5Y-5R5;
G1Y-30;
G1Z6;
M9;
G0X-15Y-10Z14;
M5/TERM.123;
G99;
NOTAS:
!
En este arco nos desplazaremos en sentido antihorario (G3), y lo realizamos mediante la
programación del radio (R) del círculo.
Ultimo desplazamiento lineal.
Retiramos, a velocidad de trabajo, la herramienta.
Paro del refrigerante.
A velocidad máxima de la máquina, desplazamos a todos los ejes hasta alcanzar el punto de
inicio del programa.
Paro del cabezal y comentario Término o fin Programa.
Comando que indica al ejecutor final de programa.
-----------------------------------Para el CNC que se imparte, la utilidad de transmisión de programas (carga en la memoria del CNC)
hace un primer filtrado y posible procesado de la información. Por ejemplo se encarga de no
transmitir ningún carácter desde el “;” hasta el final de línea.
Durante la fase de ejecución de programas, cualquier carácter, comando o comentario introducido en
el mismo bloque y a continuación del carácter "/" será ignorado (no ejecutado) y por lo tanto se
saltará hasta el bloque siguiente.
No se admiten como caracteres de "comentario" ni a la "P" ni a la "N" dado que estos son empleados
por el equipo para realizar funciones de búsqueda de programa y salto a un determinado bloque.
------------------------------------
Este mismo programa se puede agrupar en bloques que den una mejor estructuración al
programa. (Un bloque esta formado por una serie de comandos CNC que constituyen una línea de
programa).
Coordenadas incrementales
P123;
Número de programa.
F1000G91G0; G91: cotas incrementales.
X15Y10Z-14
S2000M3M8
G1Z-6
X30
G2X10Y10I10J0
G1Y10
G1X-10Y15
G1X-25
G3X-5Y-5R5
G1Y-30
G1Z6
M9M5
G0X-15Y-10Z14
G99
Coordenadas absolutas
P123;
G90F1000G0;
X15Y10Z-14
S2000M3M8
G1Z-20
X45Y10
G2X55Y20R10
G1Y30
G1X45Y45
G1X20
G3X15Y40I0J-5
G1Y10
G1Z-14
M5M9
G0X0Y0Z0
G99
Número de programa asignado.
G90: cotas absolutas.
19
CNC desde 1982
Sección 3: EVOLUCION
EL CNC tiene que ser capaz de realizar todas las operaciones manteniendo los diferentes
errores que puedan producirse dentro de las tolerancias establecidas.
Las principales operaciones, esenciales a este, son:
1. El interprete descifra el programa de manera que pueda ser asimilado por el sistema de
control, aplicando también una serie de transformaciones como son la compensación de la
geometría de la herramienta, el escalado, la rotación, etc...
2. El interpolador que genera trayectoria siguiendo un determinado perfil de velocidad y
descomponiéndola en un determinado número de ejes o grados de libertad.
3. La interfaz con máquina para obtener las consignas de velocidad o de posición adecuadas
para ser enviadas a los servo-motores, aplicando la cinemática de la máquina y la posible
corrección de errores introducidos por la propia mecánica y/o cinemática.(Se entiende por
Interfaz
la
conexión
física
y
funcional
entre
dos
aparatos
o
sistemas
independientes).
Sin embargo y debido a la capacidad computacional que posee el CNC, provoca que se le asignen
otras operaciones no estrictamente inherentes con su principal y primordial función pero que
aportan, a la aplicación final donde se integra, mayor funcionalidad.
3.1 Informática
Antes de la aparición de la Alta Velocidad y toda su problemática asociada, lo que constituye el
“nucleo” o “kernel” del CNC (interpolador, decodificar de comandos, transformaciones geométricas,
procesado de datos del entorno, ...), si bien exigía avances en continua evolución, su velocidad de
desarrollo no era tan acuciante una vez se poseía a los elementos básicos y primordiales de esta
aplicación.
Ello permitió la incorporación de aspectos informáticos que están más próximos a esta
tecnología que a la que es estrictamente dedicada a CNC.
Principalmente los esfuerzos se encaminaron hacia las Comunicaciones (el DNC es un claro
ejemplo) y a la Interfaz con el Usuario: GUI (Graphic User Interface) y HMI (Human Machine
Interface).
Aunque el nivel de exigencia no es tan elevado como el de la informática en general, pues el
“horizonte” de un CNC es claramente industrial, depende de la evolución de la industria informática
y electrónica. Entornos gráficos más o menos amigables o, cuanto menos, que faciliten el romper
barreras con el usuario (!?), han sido determinantes a la hora de la elección de una u otra unidad de
control.
Claros exponente de lo apuntado lo constituyen:
•
La presentación gráfica de la trayectoria de la herramienta o los gráficos 3D de la pieza
durante la fase de mecanización o una vez ha sido esta mecanizada.
•
El salto de sistemas operativos propietarios a la clara apuesta por Windows o Linux (según
se verá).
•
La paulatina y constante incorporación de estándares de comunicación.
CNC desde 1982
3.2 Ciclos fijos
Canned Cycles (ciclos enlatados) o Ciclos Fijos,
conducen a que la programación sea más sencilla y facilitar al
usuario el uso del CNC y por ende, el de la máquina.
Se apoya en la programación parámetrica y quiere
simplificar la rápida programación de un determinado
programa-pieza (ciclo fijo) o función de la máquina (función
preparatoria o Miscelánea o simplemente “M”).
Según el uso que se haga con estos, en particular si son
configurables o flexibles, son de gran aceptación por parte, no
solo del usuario, sino también por el del propio fabricante
pues simplifica la máquina (más vendible) y le ofrece la
opción a su personalización.
3.3 Programación “simbólica”
Desde casi el inicio de los CNCs, se optó por otros lenguajes distintos al ISO (o código G) que
fueran más sencillos de usar e interpretar. Así y por ejemplo, la firma Heidenhain con su familia TNC
siempre ha dado la opción a una programación más “amigable” y por ello, tuvo, ha tenido y sigue
teniendo tanto éxito en la industria del molde y de la matricería (aparte de ser un buen control para
estos menesteres).
Para determinadas aplicaciones en donde el usuario podía ser un obstáculo para el éxito de la
implantación del CNC, o debido a que las características de la aplicación así lo aconsejaban, desde
iNAV también se optó por la implementación de “lenguajes de nivel superior” que pudieran ser
previamente “compilados” antes de su interpretación y ejecución. Como las aplicaciones pueden ser
infinitas, se ha optado por la flexibilidad total, dando así herramientas y elementos de adaptación y
personalización al fabricante de la máquina o, incluso, el propio usuario final.
3.4 DNC (Direct Numerical Control).
Con el DNC, casi la totalidad de CNC se limitaban a la ejecución de un programa infinito
permaneciendo “en línea” con un ordenador (comúnmente PC) que iba transmitiendo el programa
en “formato ISO” a medida que este se iba ejecutando.
21
CNC desde 1982
Desde iNAV y debido a la incorporación en base PC de una parte elemental del CNC (H-M-I
llevada al término de H-CncM-I), se optó claramente por llevar a sus últimas consecuencias el
término DNC.
La monitorización del estado global de la máquina y la interactividad con esta como
consecuencia de la integración de un PC como una de las partes del CNC, ofrece los recursos,
flexibilidad y progresión, requeridos por una aplicación de este estilo y casi de forma inmediata.
Lo que ahora parece evidente, no lo era tanto remitiéndonos al origen de esta decisión allá por
1985. Por aquel entonces los PC eran AT con Intel 286 a 8 Mhz y 1 Mbyte de memoria, con un
precio que no bajaba de los 4.200 euros (una work-station con Unix estaba por encima de los
24.000). Por supuesto, el monitor era en B/N y la resolución de este alcanzaba los notables 512x384
pixels.
El caso de la empresa Indo (por 1986 y con la aparición de los primeros 386) es un buen
ejemplo que ilustra la exposición de esta interesante prestación. Indo inició la década de los 80’s
con la necesidad vital de obtener, con recursos propios, lo que ha venido a denominarse como la
Lente Progresiva (solo 4 empresa en el mundo la poseían por aquel entonces). Su departamento de
I+D, con notable esfuerzo y capacidad, desarrolló toda “la matemática” necesaria.
Un grave problema añadido e importante por sus consecuencias, fue el que no se encontraba
una solución de mercado para reproducir sobre el vidrio la expresión geométrica que calculaban
mediante un transputer con 9 CPUs durante 7 horas (con un PC386 se tardaba alrededor de 3 días).
A la búsqueda de la solución apropiada que satisficiera sus expectativas, también se le hubo que
destinar no poco tiempo y esfuerzo.
En 1987 (hace casi 20 años) mediante la interconexión activa del CNC y el PC (DNC), Indo
obtenía un fichero de mecanizado con toda la trayectoria que debía de seguir una pequeña “fresa”
(herramienta parecida a una broca del taladro de casa) sobre la cerámica donde, posteriormente, se
conformaría térmicamente el vidrio. La “nube de puntos” era de tal extensión y la distancia entre los
puntos tan pequeña que sobre el PC se preparaba (o procesaban) partes fundamentales del
Decodificador y del Interpolador del CNC.
En 1995 adquirieron una segunda unidad igual de CNC como equipo redundante.
La Lente Progresiva ha permitido a Indo estar entre las empresas más innovadoras del sector
de la óptica oftálmica.
3.5 CAD/CAM/Post procesado/CIM
La forma más habitual de especificar las trayectorias que
debe seguir la herramienta en una operación de mecanizado
esta basada en la generación de una sucesión de puntos entre
los cuales se realizan interpolaciones lineales o circulares.
El CAD (Computer Aided Design) permite realizar el
diseño de la pieza a mecanizar como una concatenación de
elementos geométricos simples, mientras que el CAM
(Computer Aided Machining) define, a partir de la información
CAD, la trayectoria a seguir por la herramienta para realizar el
mecanizado de la pieza, siendo aquí donde se realiza la
traslación de la trayectoria a puntos
discretos.
El Post-procesador es la
funcionalidad que genera el
programa-pieza específico de cada
máquina a partir de los datos que ha
generado el CAM (parecido a lo que
hace el “compilador” del editor
simbólico). La serie de puntos es
posteriormente cargada en el control
numérico, que los ejecutará de
forma ordenada.
CNC desde 1982
Los CAD/CAMs de 2 dimensiones para corte,
fresa, etc... proliferan mucho y su uso se ha
extendido notablemente. El de la firma AutoCad
puede ser el más conocido.
Como extensión a los anteriores, los de 2½
dimensiones sitúan al eje Z sobre un determinado
plano en donde se va a realizar un contorno 2D o
cualquier otra operación.
cuanto menos que calificable de espectacular.
Los cada vez más populares 3D pero aún no
tan asequibles económicamente, aportan un nivel
de simulación próxima al de la realidad. Como ya
es de costumbre, han provocado una evolución
Con respecto a CIM (Computer Integrated Manufacturing) cabe destacar que, aunque se
venga hablando desde el origen del CAD/CAM, aún falta tiempo para poder considerar a esta
tecnología como consolidada y madura.
Su implantación esta tomando forma en nuestros días y ello se debe principalmente a que los
CNCs (y aun no todos) son desde hace relativamente poco tiempo sistemas abiertos (ver
posteriormente) basados en PC, operando bajo entornos amigables del tipo Windows o Linux y que
,principalmente se han visto favorecidos por el notable avance que ello ha supuesto por cuanto
respecta a la conectividad. También el nuevo paradigma de la Mecatrónica (ver también
posteriormente) y todo lo que lleva este término implícito (tecnología “embedded” y demás), hace
una aportación claramente positiva a la futura consolidación del CIM.
23
CNC desde 1982
3.6 PLC.
Determinante en la evolución del CNC supone la incorporación del PLC como una funcionalidad
más en la misma unidad de control y por tanto, compartida con la del propio CNC. Los recursos de
ambos procesos paralelos se fusionan aportando muchísimas ventajas desde el punto de vista del
control total de la máquina y por ende de la aplicación final.
Además, simplifica el cableado pues elimina redundancias y por consiguiente mejora la calidad
y fiabilidad.
Por las características propias de un PLC, principalmente ejecuta funciones “booleanas” que
son idóneas desde el punto de vista de computación.
El inconveniente podría residir en la falta de capacidad de la CPU para procesar dos tareas que
requieren un nivel mínimo de Tiempo Real (Soft Real Time).
3.7 TICK o tiempo de ciclo o período de muestreo.
La velocidad de proceso es fundamental en la evolución de estos dispositivos. Su importancia
es básica puesto que, cuanto mayor sea esta, menor será el tiempo de ejecución de cualquier tarea
encomendada al sistema y por consiguiente, menor será el tiempo requerido por el sistema en
ejecutar un ciclo completo (TICK).
Para suplir una posible carencia en la velocidad de computación, se puede optar por:
• Simplificar, suprimir tareas (GUI en el PC por ejemplo).
• Lenguajes optimizados desde el punto de vista del tiempo de proceso. O, es aconsejable el
uso del más próximo al lenguaje máquina (ensamblador).
• Algoritmos de interpolación muy optimizados.
• Uso de coprocesadores (pero esto ya equivale a un aumento en la velocidad de
computación).
Por supuesto que este determinante factor evolutivo está fuertemente relacionado con el
aumento en la velocidad y técnicas de computación (“pipeline” por ejemplo).
La influencia de este importante aspecto tiene gran relevancia desde el punto de vista
mecánico (haciéndose vital al hablar de Alta Velocidad):
F= 6000 mm/min equivale a: (6000 mm / min * 1min/60seg * 1seg/103 ms =) 0,1
mm/ms.
A esa velocidad, un determinado eje, cada milisegundo, se desplazará 0,1 mm. Si el se fija
un “Tick” de 5ms, representa que el muestreo se realiza cada ½ mm y ello tiene una gran incidencia
sobre:
• El error cordal que se comete durante una interpolación circular.
• A menor velocidad de proceso, mayor será el tiempo requerido en la decodificación de
los comandos (normalmente en código ISO).
• Al igual que la realimentación en el sistema de medida (cuanto más resolución más
estable es el servo), cuanto menor sea el tiempo (mayor frecuencia: 1/T) más estable
es el servo de posición también.
Un CNC es un proceso altamente determinista. El efecto de una variación en la latencia
(jitter) genera un rizado (ripple) sobre la velocidad.
CNC desde 1982
Sección 4: APLICACIONES PRACTICAS.
4.1 EDM (electroerosión).
Añade o incorpora otro servo control (uno de los más sofisticados que se conocen) y un interpolador
paralelo para realizar el “orbitado”.
Al GAP (distancia entre electrodo y pieza) se le aplica un tren de impulsos de determinada frecuencia y
forma de onda. Este aporta una señal que debe ser tratada
digitalmente.
¿Que es? EDM - Electrical Discharge Machining - is a machining
procedure especially used for the manufacture of dies, moulds and
specific metal parts.
In the machining area each discharge produces a crater in the
workpiece (removal of material) and a burn-off (electrode
consumption of the tool) on the wire. The wire can be tilted producing
conic workpieces or workpieces with different profiles on the top and
bottom sides.
There is never any
mechanical contact between
the electrode and the workpiece! Usually, the wire is made of
multilayer copper or brass with a diameter ranging from 0.02 to 0.3
mm.
¿Donde se aplica? End products such as cutting dies, parts made
from one single workpiece and parts of a complex shape, e.g. injection
moulds for the manufacture of plastic cases for music cassettes, can
be manufactured by EDM (also spark EDM).
For parts with complex
contours and - e.g. in the case of milling - that are difficult to clamp,
wire EDM is often a cost effective alternative.
En Wire-EDM, el enhebrado automático (AWT: Automatic Wire
Threader) del hilo, hace particularmente difícil la construcción
mecánica en este tipo de máquina.
4.1.1 Comparativa con mecanizado tradicional.
Selector de velocidad McLaren (Fórmula 1): comparativa entre ambos tipos de mecanización.
25
CNC desde 1982
4.2 Laser
En el sector de la chapa, la técnica del corte por Laser requiere que la distancia focal se mantenga
con extrema precisión pues de lo contrario, se produce una rebaba que obliga a su eliminación de
manera manual.
Para ello se instalan unos caros dispositivos (detector capacitivo de la distancia del “Gap”) justo en
la boquilla y después de la lente focalizadora, que reporta una señal analógica casi lineal que es
proporcional a la distancia entre el propio detector y la chapa.
http://www.eurolaser.com/
4.3 Pulido
El desgaste del trapo o disco de pulir (normalmente algodón)
hace que el mantener la presión constante sobre la pieza sea
un factor determinante a la hora de la obtención de una calidad
correcta y constante.
El CNC debe ser capaz de mantener esa presión constante.
Mediante la realimentación hacia la unidad de control de algún
dispositivo, normalmente el consumo del motor es suficiente,
se detecta el diámetro del trapo, compensándose su desgaste
tridimensionalmente.
CNC desde 1982
4.4 Ingenierías
La proliferación de ellas se debe a la necesidad que
tienen las empresas de automatizar cualquier
proceso productivo para hacer a esta más
competitiva y, en la mayoría de las ocasiones,
asegurar su viabilidad frente al fenómeno de la
globalización.
Al nivel tecnológico de nuestro entorno más
inmediato y en el que nos movemos, estas empresas
son las generadoras de puestos de trabajo en
detrimento de las que estas mismas automatizan.
También se dan casos como los de Skis Rossignol
España, que ya posee su propia ingeniería.
Otro ejemplo ilustrativo además del presentado. Mediante
hilo Wire-EDM se construyó una máquina transfer de 9
cabezales para poner la malla embellecedora en las
botellas de una determinada marca de vino de la Rioja.
4.5 Robótica
La proliferación de los robots es ya un
hecho incuestionable y se está
llevando a cabo en todos los sectores.
Como ejemplo que constata lo apuntado, la siguiente “nota de prensa” es una clara muestra del
aumento de la demanda:
Industrial robotics growth fuelled by medical, pharmaceutical
Palo Alto, CA—Because of increasing demand from medical and pharmaceutical applications, the industrial robotics
market in North America is expected to grow at a 7.8% compound annual growth rate (CAGR) from revenues of $394 million
in 2004 to $668 million in 2011, according to "North American Industrial Robotics Markets for Medical and Pharmaceutical
Applications" by Frost & Sullivan. The research firm's study found that robots improve efficiency and throughput in clinical
laboratories, where samples are delivered from patients' bedsides to test equipment and then to analysers on a daily basis.
Los nuevos controles numéricos de casi la totalidad de
los fabricantes, se basan en plataformas PC y han
adquirido la tecnología para fabricar su propio CNC.
STAÜBLI
KUKA
Polishing / Linishing [1]
ABB robots cell [2]
27
CNC desde 1982
Sección 5: CONTROL DIGITAL
Las ya no tan “nuevas” tecnologías emergentes han propiciado el cambio en todos los
sectores de la máquina-herramienta en especial, el “motion control” y la automatización de procesos
en general.
Microelectrónica: ya casi a
escala atómica, ha permitido la
evolución hacia nuevas tecnologías
(µControladores, Embedded) y un
notable incremento en la velocidad
de computación.
Tecnología del Software: La
digitalización es parte fundamental
de la revolución del desarrollo del
software.
Conectividad: Permitiendo aumentar
la eficiencia e incorporar incluso
tecnología “wireless”.
Microelectromecánica: La
integración de las IT y las
comunicaciones con estructuras micromecánicas hace posible el nuevo
paradigma de la Mecatrónica.
5.1 Motores brushless o AC y Drivers digitales.
Como viene ocurriendo con los sensores, la nueva tecnología incrustada (o “embedded”) ha
aportado nuevas posibilidades que hasta entonces no eran viables.
Con al introducción de los “Drivers” digitales parte de la inteligencia se ha trasladado hacia
estos dispositivos.
Del hecho de la incorporación de circuitos digitales (DSP o Controladores) se difieren nuevas e
importantes consecuencias como son:
• El procesamiento digital permite tratar los datos según la tarea encomendada al
dispositivo en aquel preciso instante. Filtrado, compensación, corrección alinealidades,
adaptabilidad, etc...
• Autodiagnóstico y autocalibración.
• Posibilita la incorporación de lógica tipo PLC.
• Drástica reducción del cableado entre el CNC y el regulador.
• Capacidad de comunicación notablemente ampliada (ver posteriormente apartado
dedicado al bus de campo).
• Proliferación y normalización de estándares de comunicación.
Todas ellas son, entre otras, algunas de las ventajas destacables.
Además de simplificar notablemente el cableado, de particular importancia , desde el punto
de vista del CNC, es la de que este dispositivo pueda albergar la importante tarea del servo de
posición. Estratégicamente tiene unas consecuencias muy significativas y apreciables pues además
de eliminar una tarea por cada eje en el CNC y reducir el cableado y el tráfico en el bus, mejora
notablemente el comportamiento de la mecánica en la medida que es mucho más eficiente, preciso
y tolerante a fallos . Además, es barato. (Aplicar el servo en el propio regulador de velocidad tiene
parecidas ventajas a la de la incorporación de un PLC en el mismo interior que el del CNC. Todo está
“al alcance de su mano”).
En casi la totalidad de los controladores digitales el “ciclo” del servo de la corriente se “cierra”
cada 62,5 µs. y el de posición cada 250µs como mínimo.
El poseer un ciclo de muestreo de 250 µs obliga a hacer una pequeña interpolación según
cada cuanto tiempo le envíe la consigna de posición el propio CNC según se constatará en el
siguiente apartado.
De forma más detallada a la mostrada en el apartado sobre “accionamiento eléctrico”, el
servo de control del regulador digital de la firma Infranor presentar el siguiente diagrama de
bloques:
CNC desde 1982
Todas las ganancias (KF, KP1, KP2, Ki y Fev) son automáticamente calculadas durante el
proceso de “auto-tuning”.
La adaptación al tipo de motor también se realiza automáticamente mediante el procedimiento
de “auto-phasing”.
La µelectrónica y en particular la tecnología “embedded”, también a revolucionado este
apartado.
29
CNC desde 1982
5.2 CNC digital.
Se basa en un arquitectura altamente integrada, escalable, abierta, multiplataforma y
distribuida.
Por el contrario, el sistema convencional, además de la gestión del CNC, tienen integrado en
un solo soporte hardware todo lo necesario para realizar el control de los dispositivos (sistema
centralizado).
C
N
C 7
CNC
(Chip)
Cliente 6
Cliente 2
Cliente 7 (PDA)
Red local
Internet
Regulador velocidad 3
CN
CNC 1 (PC Embeded)
C
CN
4
C
(Pr
CN
IODA
5
oc
C
Cli
es
CANBus, ...
6
ent
o)
CNC 3
e8
Servidor (PC)
Cliente 4
Cliente 5
CLIENTES
REMOTOS
Cliente 3
CLIENTES
LOCALES
CNC 2
IODA
Sistema CNC
5.2.1 Comparación entre sistemas: características y conexionado.
Características del Digital
Características del Convencional.
1. Sistema
cerrado,
no
personalizable
y
dependiente del fabricante del CNC.
2. Basados en sistemas denominados como
“Propietario”, tanto desde el aspecto del S/W,
como de su soporte H/W.
3. Desarrollo de un S.O. sobre la plataforma
propietaria. Las prestaciones del S.O. propietario
no alcanzarán las de uno de mercado.
4. La evolución del H/W está supeditado a la del
propio fabricante de CNC.
5. Conectividad muy escasa: solo canales de tipo
RS232 o RS422.
6. No existe posibilidad de realizar mantenimiento
remoto en correctas condiciones.
7. La potencia de los procesadores obliga en
muchas ocasiones a desarrollar partes sensibles
del S/W en lenguaje ensamblador.
8. Personal de desarrollo cualificado.
9. Interfaz con el usuario precario (no MFCs ni
librerías al uso que simplifiquen su construcción).
10. Pocas herramientas de desarrollo a coste muy
elevado.
11. Implementación de nuevas prestaciones o
herramientas son costosas y tediosas.
12. La inversión en medios es muy elevada dado que
requiere de una infraestructura equiparable a la
necesaria para la fabricación de un PC.
13. Recambios de una sola fuente. El mantenimiento
puede llegar a ser problemático.
14. Relación estrecha Cliente-Suministrador. La
“FEDILIZACION” provoca solo apuestas por
“marcas” con especial renombre.
15. La Introducción en el mercado de mejoras en el
H/W se hará solo efectiva cuando se efectúe un
rediseño en el CNC. La máquina puede quedar
obsoleta generando falta de competitividad por
parte de quien la adquirió.
1. En los Sistemas Digitales, la incorporación
masiva de microprocesadores ha facilitado la
transición.
2. El control del proceso está allí donde hace
falta y donde mejor se realiza. También el
Control es distribuido desde el punto de vista.
3. Permite la incorporación de S/W de mercado
en la misma plataforma (CAD/CAM, Bases de
datos tipo SQL u Oracle –CIM-).
4. Conectividad directa. El sistema se integrada
muy fácilmente en redes LAN (Ethernet) y
WAN (Internet).
5. Funcionamiento en cualquier tipo de
plataforma que soporte Windows o (.net): PC,
Embeddeds, PDA, …
6. Periferia de mercado de coste muy asequible
(Ethernet, USB, PCMCIA, etc...)
7. Notable incremento de prestaciones debido a
la incorporación de un uP Pentium (PC) con
unas potencia de cálculo y proceso muy
superiores a las de cualquier sistema
hardware alternativo.
8. Capacidad de ofrecer un control Hard-RealTime en un entorno amigable.
9. La evolución no está solo supeditada al
esfuerzo del fabricante del CNC.
10. Flexible, modular, escalable, distribuido.
11. Sistema abierto y amigable.
12. Emulación en un simple PC doméstico.
13. Adaptación y personalización rápida.
14. Time to market, Upgrade, Update, ...
15. Aporta claras mejoras en cuanto a la
instalación, mantenimiento y estabilidad del
conjunto.
16. La robustez aún no está del todo clara en
sistemas industriales.
CNC desde 1982
Al respecto, es recomendable la lectura del informe POWERTRAIN realizado, hace ya algunos
años, por parte de General Motors: www.gm.com/automotive/gmpowertrain/.
Conexionado convencional
•
Conexionado digital
Por eje:
Encoder:
A, /A, B, /B, Z, /Z, +5Vdc, GND, Zero
valid, Zero return, (Alrm, /Alrm, +5 ret,
GND ret). Mínimo: 9/10 líneas.
Regulador:
Analog Vout, Analog GND, Analog
Shield, READY input, READY ret,
ENABLE output, ENABLE ret, (LIM+,
LIM-, LIM ret).Mínimo: 7 líneas.
•
•
Mediante Bus de Campo (Field Bus) o
Ethernet.
Normalmente se resuelve con 1 solo par
trenzado y la referencia o GND.
Entradas y Salidas:
• El H/W está en la propia unidad de control. Sistema
centralizado.
• Normalmente se emplean señales aisladas
galvánicamente mediante optoacopladores con
conexión por regleta o conectores SubD que hacen
al sistema voluminoso y pesado y, por supuesto,
muy tediosa su instalación.
5.2.2 Algunos modelos presentes en el mercado:
Hay que tener presente que muchas comparaciones son
odiosas, sobretodo cuando se hacen mediante ejemplos
tendenciosos. En el sector de la M-H y de la Automatización en
general, como en cualquier otro, esta "técnica" está especialmente
difundida debido a la guerra de todas las tecnologías existentes por
ganar "adeptos" (básicamente pedidos).
•
•
•
Heidenhain i530 (!?)
FIDIA
Cybelec
Siemens 840Di
Fagor 8070
VLTIMA de iNAV Electrónica.
Proliferación de nuevos productos basados en PC para aplicaciones “llaves en mano”
(motion control).
Los siguientes no son completamente ”basados en PC” pues poseen un segundo
microprocesador que hace todas las funciones inherentes al CNC (interpolación,...)
31
CNC desde 1982
•
Siemens 840D(!?)
Selca S4000 (!?)
Num 1080 (!?)
VLTIMA cnc):
5.2.3 La solución desde iNAV electrónica (VLTIMA
La última generación de CNCs es un paso
definitivo hacia la concepción del Control Numérico
como una aplicación software. Todo lo contrario a lo
que se creía hasta ahora, etapa en la que se
fundamentaba como un computador industrial
especializado en el control de trayectorias o
movimientos.
Como se apuntó, una variación en la latencia
(jitter) genera un rizado (ripple) sobre la velocidad, pero
en sistemas digitales produce que la señal de
sincronización entre diferentes procesos (“SYNC”) sea
inestable y provoca graves consecuencias dado que cualquier sistema determinista es
muy sensible a la variación de coordinación “Inter-proceso”.
En un CNC es muy importante que los tiempos sean precisos y predecibles (se
trata de un sistema altamente determinista), por ello se necesita el “control” del
hardware del PC y este, normalmente, lo posee el Sistema Operativo.
Un reto importante consiste en tener el control del sistema y no como en las
aplicaciones convencionales en donde el propietario es el sistema operativo. No debe
ser posible concebir que una disfunción o un “cuelgue” del sistema operativo deje
inoperativo todo el sistema de control.
El primer problema a resolver surge de la constatación de que los Sistemas
Operativos como el MS-Windows (también el protocolo TCP/IP sobre Ethernet), son
sistemas que comúnmente reciben la denominación de Soft Real Time puesto que, si
bien garantizan la atención de cualquier proceso, pero no en que instante ni la
cadencia con que lo harán. Este punto es relevante ya que, por si solos, los Sistemas
Operativos asignan unos tiempos para cada proceso y, según la carga del sistema,
estos tiempos cambian.
llttiim
V
ma
a hace la “simulación” de
Para conseguir el control en Hard Real Time, V
Vltima
que utiliza un Sistema Operativo Propietario el cual controla directamente el hardware.
Esto permite una total independencia del sistema operativo de nivel superior que se
tenga instalado (Window o Linux, por ejemplo) y permite que, independientemente del
S.O. elegido, el código sea “portable” a cualquier plataforma por la que se opte.
CNC desde 1982
C
Como se observa en el gráfico adjunto, el sistema es totalmente
modular. El concepto y su diseño ha sido pensado para tener distribuido el sistema
de adquisición y procesado de datos, permitiendo el crecimiento en la medida de las
necesidades presentes y futuras (escalable).
LLT
V
TIIM
MA
A se compone de las siguientes partes:
El concepto V
VLTIMA
lliieen
C
nttee
1. Interfaz de usuario (o C
Cliente)
S
e
r
v
i
d
o
rr
S
e
r
v
i
d
o
2. Gestor de CNCs (o Servidor)
C
N
C
C
N
C
3. CNC propiamente dicho (u otro tipo de aplicación específica al uso).
Cada parte es independiente del resto (asegura portabilidad), ofreciendo así
la posibilidad de tener el control de más de un CNC (múltiples CNC en un mismo
hardware), así como la de múltiples clientes conectados al sistema de control.
Esta versatilidad permite, por ejemplo, poder controlar las máquinas situadas
remotamente a través de Intranet o Internet o de cualquier otro tipo de red, con lo
que se facilita la actuación del operario allí donde se encuentra, accediendo a la
información donde aquella haya sido generada. Para el personal experto, este sistema
facilita la resolución de problemas y la actualización del software
Este concepto hace que el sistema se pueda adaptar a cualquier aplicación que
llttiim
V
ma
a Básicamente adquisición y
necesite de requisitos similares a los que utiliza V
Vltima.
procesado de datos en Hard o Soft Real-Time según sean las determinadas exigencias
de cada determinada aplicación.
llttiim
V
ma
a los niveles de multitarea, incluyendo la de Tiempo Real, quedan
Con V
Vltima
claramente delimitados, ayudando al programador al análisis de su sistema,
aportándole conocimiento y poniendo al alcance de su mano una experiencia ya
adquirida en el instante que el designe.
El propósito de iNAV es seguir las especificaciones y directrices que vaya marcando el grupo de trabajo OMAC
(Open Modular Architecture Controls) al cual se hace también mención en un apartado más apropiado.
33
CNC desde 1982
555...2.3.1
22..33..11
C
L
C
LIIE
EN
NT
TE
E
CLIENTE
El concepto engloba todo lo que es
inherente al post-procesado de la
información que, previamente
tratada, le han reportado las otras
LLT
V
TIIM
MA
A
dos funcionalidades de V
VLTIMA.
Funciones tales como por ejemplo:
• Interfaz de Usuario Gráfico.
• Editor de programas.
• Programación de
Movimientos en manual o
semiautomático.
• Diagnóstico Remoto.
• Procesos “Off-Line”.
En definitiva utilidades que, siendo importantes, no requieren de especial atención y
que se resuelven perfectamente en entornos amigables, como son Windows, Linux o
Unix, y en las que es suficiente un nivel aceptable de Soft Real Time.
Una característica importante del cliente es que es multiplataforma, lo que permite la
portabilidad a otros entornos sin la necesidad de modificaciones.
Cabe destacar que se comunica con el Gestor de CNCs mediante protocolo TCP/IP en
el modo de comunicación tipo Cliente-Servidor basado en “Sockets”. De esta
forma, la comunicación con el servidor se realiza abriendo un ”socket” para permitir
el diálogo bidireccional y empaquetando el protocolo de nivel superior (OPC o
propietario) vía TCP/IP.
Tal configuración permite la creación de aplicaciones del tipo Cliente de una forma
simple, utilizando cualquier herramienta existente en el mercado (LabView, MathLab
u otras) y como consecuencia directa, el sistema queda completamente abierto.
En el caso en que todo el sistema se integre en un mismo PC, el Cliente funciona en
un sistema operativo estándar (Linux, Windows etc.), pero no afecta al gestor de
CNCs ni a los propios CNCs del conjunto.
El Cliente incorpora básicamente una interfaz gráfica y a los módulos para
comunicarse con el Servidor.
G U I
O P C o p r o to c o lo
p r o p ie ta r io o ...
P r o to c o lo s d e c o m u n ic a c ió n
C o m u n ic a c ió n s e r v e r
s o c k e ts
c o m u n ic a c ió n c lie n t e s
c lie n te
La interfaz gráfica permite al usuario controlar, gestionar y configurar a los CNCs a los que
tiene acceso, También puede modificarla para poder agrupar la información que le parezca
más útil. Para ello se dispone de librerías de componentes con las que se puede personalizar
pantallas así cómo crear nuevos componentes o procesos que muestren nueva información en
un formato distinto.
CNC desde 1982
555.2.3.2
..22..33..22
C
N
C
NC
C
CNC
La aplicación CNC ha sido escrita en el lenguaje ANSI C para permitir su
portabilidad a cualquier plataforma incluida la del propio PC donde se aloja el Server.
Los CNC ejecutan el programa recibido en código ISO (G code) convirtiéndolo
en comandos para los accionamientos de los motores, para el PLC y para leer y
activar las I/O remotas. Toda la información generada y procesada por estos, se
reporta periódicamente al Servidor para su posterior tratamiento (incluso H/W) y
para que la distribuya hacia los Clientes.
Los CNC pueden estar en forma de hardware “embedded” o en lo que
denominamos “CNC on a Chip”...
IODA1
PLC
...
IODAn
CANbus
Interpolador,
Intérprete
GCode
regulador eje X
...
regulador eje N
CAN,
TCP/IP,
MULTIBUS
Comunicación SERVER
TCP/IP,
CAN,
RS232/422/485
comunicación CNC-server
CNC
... o pueden ser procesos que se ejecutan en el propio Servidor
PLC
Interpolador,
Intérprete
GCode
Comunicación SERVER
Shared Memory
CAN,
TCP/IP,
MULTIBUS
comunicación CNC-server
CNC
35
CNC desde 1982
5.2.3.3
S
E
S
ER
RV
VIID
DO
OR
R
SERVIDOR
Comunicación clientes
sockets
comunicación clientes
OPC o protocolo
propietario o ...
Protocolos de comunicación
...
IODA1
IODAn
Gestor CNCs
CANbus
regulador eje X
...
regulador eje N
…
RS232/422/485
CAN
Shared Memory
Comunicación CNCs
TCP/IP
comunicación server-CNCs
server
El Servidor recibe las peticiones de los Clientes y transmite o recibe las
ordenes de los CNCs. Igualmente transmite a estos Clientes la información reportada
por los CNCs como y cuando haya sido seleccionada por cada Cliente determinado.
El “Servidor” conoce la disposición de los CNCs en las distintas máquinas y
atiende, gestiona y sincroniza a estos mismos y a los recursos H/W que son
comunes. Éste gestor permitirá la sincronización entre los distintos CNCs, es decir,
es posible compartir información entre los dispositivos con tal de aprovechar
recursos e información qué esté distribuida. La gestión de los distintos CNCs está
centralizada desde el gestor.
La comunicación con los Clientes se realiza también abriendo un ”socket” para
permitir el diálogo bidireccional y empaquetando el protocolo de nivel superior (OPC
o propietario) vía TCP/IP.
La comunicación del Servidor con los CNCs puede ser mediante CanBus, Ethernet,
RS232/RS422 o vía “Shared Memory” (memoria compartida) en el caso de que los
CNCs sean procesos que comparten los recursos del propio Servidor cómo una
funcionalidad adicional (CNCs y Server en el mismo PC). Ello permite controlar desde
el Servidor toda la “periferia” inherente a la de los propios CNCs: I/Os digitales y
analógicas, reguladores de velocidad de los motores, sondas de cualquier tipo, etc.
CNC desde 1982
El Gestor de CNCs permite tener una disposición con múltiples CNCs en lugar de uno solo
como es lo habitual en cualquier sistema. Al estar los CNCs controlados y gestionados por otro
proceso común, es posible que interactúen pues existe un intercambio de datos entre ellos y
permite sincronizarlos según las necesidades del conjunto del sistema y de la aplicación
específica.
Éste punto es de especial relevancia ya qué se obtiene el control de todos los CNCs para
conseguir una mayor eficiencia del sistema.
El propio Gestor de CNCs es también modular,
permitiendo incrementar las funcionalidades del
gestor en un futuro sin tener que cambiar el
núcleo de este. Con ello se obtiene que no solo el
sistema global sea modular, sino que también lo
sea cada una de las partes que integran a este.
La comunicación con la periferia inherente a los
CNCs (ejes, sensores y entradas/salidas
básicamente) se realiza mediante CAN bus con
protocolo CANopen que permite controlar
múltiples dispositivos (control distribuido).
La clara apuesta por el “bus de campo” CAN
(Controller Area Network) se debe principalmente a que es un BUS para pequeños sistemas
“embebidos” y/o dispositivos periféricos de bajo costo que pueden adoptar este Bus a un precio
razonable y que servirá como paso intermedio mientras Ethernet no posea un protocolo RealTime universal. No obstante, el diseño de Vltima permite modificar esta comunicación y hacerla
con otro canal o protocolo que en el futuro pueda parecer más ventajosa.
5.2.3.4
Principales características.
Conexión a los Reguladores de Velocidad mediante CAN bus (protocolo CANOpen).
Bajo coste.
El sistema actual admite gestionar hasta 254 ejes en un mismo PC mediante el uso
de 2 canales CAN.
Conexión a los módulos remotos de Entradas/Salidas mediante CAN bus (protocolo
CANOpen). En la actualidad, los recursos asignados para las I/Os Remotas son:
• 2048 entradas digitales.
• 2048 salidas digitales.
• 256 entradas analógicas de 16 bits.
• 256 salidas analógicas de 16 bits.
• 256 entradas como contadores para. Encoders lineales o rotativos, Volante
Electrónico, etc...
El servidor VltimaGUI está preparado para contener en un mismo PC de 1 a 16
CNCs. (Multicanal).
El sistema puede reasignar de forma flexible los recursos necesarios para cada CNC,
tanto desde el punto de vista del número de Ejes como de Entradas y Salidas.
Control de 1 hasta 8 ejes interpolables por CNC. Preparado para soportar hasta 32.
Emulación “convencional” de los CNC en Memoria mediante “BackUps”.
Asignación de Memoria para cada CNC desde 16 Kbytes hasta 8,192 Mbytes.
“Kernel del CNC” de pocos Kilobytes y repartido entre Windows y la aplicación “RealTime”.
Solución “Embedded” de bajo costo en PDA con 1 único adaptador USB/CAN.
Aplicaciones más significativas:
• EDM (electroerosión).
• Corte: Oxicorte, Plasma, WaterJet, Láser.
• Pulido y abrillantado. Lijado y desbarbado.
• “Motion control” en general.
Más características de cada aplicación en www.inavcnc.com
37
CNC desde 1982
5.2.3.5
CNC sobre plataformas incrustadas o “embedded” y pocket PC o PDA
Tal como ha sido expuesto, es fácil implementar una solución “Embedded” de
1 solo CNC a 2 ms. con Windows CE o Linux.
O sobre una PDA con parecidas características que la solución anterior.
5.2.3.6
CNC on a CHIP
Puesto que como se ha visto, a partir de la “digitalización” de este proceso,
podemos calificar al CNC como de una aplicación Software, esta se debe poder
instalar en cualquier soporte y, de esta forma, ampliar y servir para cualquier
propósito (el movimiento de un dedo por ejemplo). Actualmente, el pensar en
reducir el tamaño hasta su mínima expresión equivale a instalar esta funcionalidad
sobre un simple Circuito Integrado (o “Chip”).
La interfaz con el usuario será remota y se alojará allí donde se necesite y
haga falta.
La interconexión entre ambos procesos se realiza a través de lo que se ha
denominado como “Server”.
Los grandes avances en la tecnología de la µelectrónica permite dar un salto
hacia la integración en un solo componente de lo que antes requería varias PCBs
(placas de Circuito Impreso).
Posibles aplicaciones de estos pequeños dispositivos incluye a las máquinas
herramienta y a equipos para automatización de fabricas.
La reducción en tamaño, consumo (y por ende de disipación de energía) y
ruido eléctrico los hace idóneos para aplicaciones como la que se sugiere de un
simple dedo de la mano de un robot por ejemplo.
Drástica reducción en el tamaño...
...y en el consumo (disipación de calor) y la radiación (EMI)
CNC desde 1982
5.3 Bus de campo. Control distribuido.
La transferencia de información a través de estos soportes depende de:
•
Modelo de la red
•
Velocidad de transmisión
•
Ancho de banda
•
Sobrecarga del enlace
•
Número de participantes
•
Perturbaciones electromagnéticas
Para la aplicación del tipo CNC, el bus de campo debe ser catalogado como determinista. Así
pues se extremará la atención de los retardos, periodo, tiempo de propagación, formas de acceso al
bus, tiempo de ocupación por cada mensaje, etc...
Nota: se encuentra fácil y abundante información sobre cualquiera de ellos en Internet. La siguiente “web site” ha
sido una de las fuentes de esta pequeña presentación:
http://www.interfacebus.com/Design_Connector_Field_Buses.html
El bus de campo SERCOS fue específica y concretamente diseñado para el sector del CNC (IEC
61491: the only internationally approved communication standard for motion control). Pero cada vez está
más en desuso debido a su alto costo (componentes especiales, uso de fibra óptica, ingreso en
alianza de usuarios,...) y, aunque se divulgaba que sería estándar, la realidad práctica ha
demostrado que intercambiar un regulador por otro no era factible sin modificar partes sustantivas
del protocolo supuestamente común en ambos.
Los posibles “FIELD BUSES” con más aceptación:
CAN bus Controller Area Network (CAN);La ISO 11898/11519 define la capa física.
Es una transmisión asíncrona controlada por bits de STOP y START en cada trama
de datos. Una trama (o telegrama) esta constituida por: Arbitration field, Control
field, Data field, CRC field, ACK field.
La trama comienza con un 'Start of frame', y acaba con un 'End of frame'. El 'Data
Field' puede contener de 0 a 8 bytes. La secuencia de validación de trama se
deriva de el “Cyclic Redundancy Code” (CRC).
(x12 = 12 bits)
La velocidad máxima de transmisión no puede superar 1 Mbit/s dado que cada
“bit” transmitido se compone de un tren de impulsos de número programable (ver
“CAN controller SJA1000” de Philips). El Driver de línea es también especial (ver
CAN Transceiver 82C250/251) pues en lugar de niveles 0 y 1 se emplea la
terminología de estado Recesivo o CAN_H y Dominante o CAN_L (este último
equivaldría al 0).
39
CNC desde 1982
Por cuanto respecta al protocolo, CANopen (desarrollado por CiA: Can In
Automotion) es el más extendido sobre CAN.
DeviceNet
Profibus (uno de los más “estándar” en CEE).
SafetyBus
InterBus
ModBus
Foundation FieldBus (uno de los más “estándar” en EEUU).
LonWorks
Industrial Ethernet y el "conventional Ethernet” ambos comparten los mismos niveles MAC
y soportes físicos.
El estándar Ethernet usa la codificación/decodificación Manchester . El “acceso al
control del medio” se gana vía el protocolo: Carrier Sense, Multiple Access with
Collision Detect (CSMA_CD). La forma en como resuelve este protocolo las
colisiones, hace que el sistema no sea determinista.
Con un número reducido de nodos y debido, principalmente, a su gran ancho de
banda (sobre todo Fast a 100Mbit/s y Giga Ethernet a 1Gbit/s) esta solución debe
ser siempre tenida en cuenta. Máxime cuando importantes compañías como la
General Motors (una de las precursoras, sino la primera, en imponer que los CNC
fueran “abiertos” y funcionaran sobre PC), solo aceptará a Ethernet IP como única
posible red en todas sus plantas de producción de automóviles a partir del 2007.
Un paquete Ethernet se compone de los siguientes elementos:
El “Preamble Field” es una tira 56 bits de unos y ceros alternados los cuales son
usado para sincronizar el reloj del receptor con el paquete de datos que se está
recibiendo.
El“ SFD Field” (Start Frame Delimiter Field) [10101011] indica el comienzo de la
trama.
Al igual que en VoIP (voz sobre IP) no es posible emplear al protocolo TCP por
atender por la confirmación de la recepción. En su lugar, el protocolo UDP puede
aportar una primera solución al respecto.
CNC desde 1982
Sobre los protocolos Profibus (Profinet), ModBus y CANopen se está trabajando
para hallar soluciones para el imprescindible Tiempo Real con latencias
aceptables.
LT
IIM
V
LT
MA
A CANopen
La solución actual aplicada en V
VL
TIMA:
La próxima solución: Ethernet.
41
CNC desde 1982
5.4 Sistemas abiertos. Linux o Windows y plataformas “embedded” o PC
compatible.
Según
1.
2.
3.
el IEEE, un sistema abierto debe tener las siguientes características:
Suministrador neutral: independiente de un único interés propietario.
Consensuado: controlado por un grupo de proveedores y usuarios.
Estandarizado: distribuido ampliamente como estándar y debe ser disponible sin coste alguno
para cualquier interesado.
4. Debe permitir que diferentes aplicaciones:
• funcionen en plataformas de proveedores diferentes
• interaccionen con otras aplicaciones del sistema
• muestren un estilo coherente de interacción con el usuario.
Una arquitectura de sistema abierto es una especificación de prestaciones o servicios que ofrece una
estructura de interconexión y define la interface entre componentes interoperativos. Esto conduce a
sistemas de control que presentan una arquitectura software totalmente modular (orientada a
“objetos”).
Las características que deben poseer los módulos de un control abierto son:
o Interoperabilidad: terminología de datos y modelos de
comportamiento, comunicación y mecanismos de interacción
estándares.
o Portabilidad: funcionamiento del componente del sistema en diferentes
plataformas.
o Escalabilidad: aumento o disminución de la funcionalidad de un
sistema actualizando componentes específicos.
o Intercambiabilidad: sustitución de un componente por otro por razones
de prestaciones, fiabilidad o rendimiento.
Los controles abiertos presentan ventajas para todos los colectivos implicados:
• Para el fabricante de controles: menos variantes, menor tiempo de lanzamiento al mercado,
reducción de costes, adaptación más sencilla a los requisitos del cliente, desarrollo
independiente del control y de la máquina, desarrollo más eficaz del software y posibilidad de
reutilización.
• Para el fabricante de máquinas: interface de usuario personalizable, adaptación más sencilla a
los requisitos del cliente, hardware escalable, desarrollo independiente del control y de la
máquina, integración de software específico para el usuario, interfaces estandarizados,
integración de funcionalidades propias, menor dependencia con el fabricante de control y
protección del conocimiento específico de la empresa.
• Para el usuario final: integración de software propio, adaptación más sencilla a sus
necesidades, interfaces estandarizados y precios más reducidos.
Como se apreciará fácilmente, lo más próximo a todo lo expuesto, sugiere el uso de Linux o NT
Windows sobre cualquier plataforma “embedded” o PC compatible.
Dado que el Hardware ya no será un factor diferenciador, los fabricantes de CNC deberán centrarse
sobre el S/W y los servicios, así como en ofrecer soluciones verticales para hacer frente a la
reducción de negocio en el segmento del H/W.
OMAC (Open Modular Architecture Controls) es un grupo de trabajo que trata de poner orden al
respecto. Visitar www.omac.org .
5.5 Sistema de adquisición de datos.
Del hecho de ser un sistema escalable, abierto, determinista, modular, portable y distribuido
se derivan multitud de posibilidades. Como concepto permite hacer la aproximación a un sistema de
adquisición de datos (DAQ) con prestaciones que permitan la captura y el procesamiento en Tiempo
Real.
CNC desde 1982
Un sistema así posibilita cualquier tipo de funcionalidad software (no necesariamente la del
CNC).
Por lo que respecta al hardware, al ser este estándar, permite la elección de entre un amplio
abanico de posibilidades, ya presentes en el mercado, según las exigencias de cada aplicación.
5.6 Sistemas adaptativos, expertos e inteligencia artificial (IA).
El producto final de la IA es siempre software. Estos
programas, producto del trabajo de la IA, son
denominados Sistemas Inteligentes (SI) o Expertos
(SE).
Son sistemas computacionales que engloban
conocimiento organizado referente a alguna área
específica de la experiencia humana. O sea, intentan
crear máquinas o programas con un comportamiento
inteligente.
En teoría, estos sistemas son capaces de razonar
siguiendo pasos comparables a los que sigue un
especialista cuando resuelve un problema propio de su
disciplina (medicina, biología, geología, ingeniería,
matemática, etc).
El creador de un SE debe comenzar por identificar y
recoger del experto humano, los conocimientos que
éste utiliza: conocimientos teóricos, pero sobre todo
los conocimientos empíricos adquiridos en la práctica.
El aprendizaje se identifica por la aparición de una
nueva Respuesta en el repertorio del organismo, es
decir, el aprendizaje es un cambio en los mecanismos
de conducta. Gran parte de las conducta se dan como
Respuesta a los Estímulos. Sin embargo el cambio de
conducta implicado en el aprendizaje puede también
consistir en la disminución o pérdida de una conducta
del repertorio del organismo.
Con el Aprendizaje Adaptativo se debe llegar incluso a
una reorganización profunda de la arquitectura del sistema.
Se define aprendizaje en las redes de neuronas como el proceso mediante el cual la red va
modificando sus respuestas ante sus entradas (experiencia de un entorno) para irse adaptando
paulatinamente al funcionamiento que se considera correcto.
Desde el punto de vista que nos ocupa, el CNC es una funcionalidad que está directamente
implicada con la evolución de estos sistemas por cuanto respecta a su movilidad y a la capacidad
de aprendizaje como soporte de la Adquisición de los Estímulos y generación de Respuestas.
En la actualidad, existen programas que analizan oraciones sintácticamente, que pintan, que
escriben cuentos, que hacen música clásica, e incluso existe un prototipo en desarrollo de teléfono
móvil que traduce automáticamente entre alemán e inglés. Las tecnologías de redes neuronales ya
sustituyen a las tarjetas de crédito en los cajeros reconociendo rasgos como la pupila de los clientes
(sistemas de biometría).
Nota: Una neurona es una unidad individual que es capaz de recibir y transmitir información en el
sistema nervioso. Computacionalmente, se trata de la unidad básica de información en redes
de neuronas artificiales.
(Videos del robot ASIMO en: http://world.honda.com/HDTV/ASIMO/ )
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CNC desde 1982
5.7 Mecatrònica.
Acuñada en 1969 por el ingeniero japonés Yakasawa, la palabra mecatrónica ha sido definida de
varias maneras. Un consenso común es describir a la mecatrónica como una disciplina integradora
de las áreas de mecánica, electrónica e informática cuyo objetivo es proporcionar mejores
productos, procesos y sistemas. La mecatrónica no es, por tanto, una nueva rama de la ingeniería,
sino un concepto recientemente desarrollado que enfatiza la necesidad de integración y de una
interacción intensiva entre diferentes áreas de la ingeniería.
Como se aprecia el CNC, y muy particular la nueva generación del CNC digital, tiene una implicación
directa en este concepto. Sin él, la mecatrónica carece de sentido pues es la base de unión entre las
3 disciplinas a las que se refiere.
Con base en lo anterior, se puede hacer referencia a la definición de mecatrónica propuesta por J.A.
Rietdijk: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la
electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos".
Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero ésta claramente enfatiza que la
mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño. Además, un Ingeniero en Mecatrónica es un
líder con espíritu emprendedor y comprometido con el desarrollo sostenible de su país.
Los sistemas mecánicos son entonces extendidos e integrados con sensores, microprocesadores y
controladores.
Al aplicar una filosofía de integración en el diseño de productos y sistemas se obtienen ventajas
importantes como son:
• mayor flexibilidad y versatilidad
• un nivel de "inteligencia" de los productos
• seguridad y confiabilidad
• bajo consumo de energía.
Estas ventajas se traducen en un producto con más orientación hacia el usuario y que puede
producirse rápidamente a un costo reducido.
Las tres principales áreas de desarrollo son:
• automatización industrial e instrumentación
• control de procesos.
• diseño mecatrónico.
Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente pueden
considerarse como productos mecatrónicos.
Desde un punto de vista próximo más al Control de Movimientos, la Mecatrónica puede definirse
también como: "la ingeniería mecánica-electrónica especializada en control, instrumentación y
automatización industrial". Esta última definición se interpreta gráficamente en la figura con la
inclusión de las disciplinas integradoras que la conforman.
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Sección 6: ALTA VELOCIDAD
Para el corte por LASER y la EDM la alta velocidad viene implícita y es algo inherente en
ambos tipos de mecanización. no ha sido hasta el advenimiento de la revolución experimentada por
la tecnología de fabricación, de los ordenadores y de las nuevas tecnologías de comunicación que el
denominado Mecanizado a Alta Velocidad (MAV) se ha convertido en una realidad tangible.
El MAV sustituye las pasadas de gran profundidad a baja velocidad de corte por muchas
pasadas rápidas de menor profundidad de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta
desalojada (volumen de material por unidad de tiempo).
Las altas velocidades de corte y los elevados avances disminuyen las fuerzas de corte gracias
a espesores de viruta cada vez más pequeños.
El MAV hoy en día es una tecnología de arranque de viruta con bases sólidas que abre las
puertas del mecanizado de materiales y figuras que antes NO se podían mecanizar mediante el
mecanizado convencional, como por ejemplo, materiales con una dureza superior a 50 Hrc o
paredes delgadas de 0.2 mm, etc.
El MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es que no significa obligatoriamente
mecanizar a altas revoluciones de husillo. No es lo mismo mecanizar:
• Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados,
titanio, níquel, etc.)
• Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca
maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).
El triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros de corte, estrategias de
mecanizado, volumen de material extraído por unidad de tiempo, etc
mm/min
El MAV es una tecnología que no tiene nada que ver con el mecanizado convencional.
El MAV supone mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10
veces superiores a las que se utilizan de manera convencional “para
cada material”.
La consecuencias de ello desde el punto de vista del CNC son
que este debe ser capaz de prever como va a cambiar la trayectoria
exigida a la herramienta en el instante de tiempo siguiente (look
ahead, nurbs, etc).
El CAD/CAM debe ser capaz de crear adecuadas estrategias
para el CNC.
Ventajas del Mecanizado de Alta Velocidad (MAV).
• Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles,
posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm).
• Mayor precisión de los contornos, mejor calidad superficial y tolerancias
dimensionales más precisas.
• Reducción del tiempo de pulido.
• Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado.
• Mecanizado de paredes finas.
• Reducción del tiempo de mecanizado y coste global.
• Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta.
• Evacuación casi total del calor por medio de la viruta.
• Aumento en la vida de la herramienta.
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CNC desde 1982
•
Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera mecanizado en caliente
Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado, pero supone una
oportunidad de optimización en determinados campos de aplicación. Aparece como una apuesta
fuerte para dar respuesta a las necesidades de cierto tipo de aplicaciones, especialmente para los
sectores aeronáutico, automoción y fabricación de
moldes y troqueles.
Destacar para EDM que con la alta velocidad no se
requieren las “lanzas” pues el bombeo es
suficientemente eficaz como para eliminar la suciedad.
Dicho de otra manera:
•
•
El bombeo a alta velocidad elimina las
partículas de suciedad sin “flushing” adicional.
La acción natural de “flushing” proporciona una
cavidad geométrica más consistente.
6.1 Nivel de exigencia y control mecánico. Jerk Control, Look ahead, Nurbs.
La posibilidad de aplicar esta técnica involucra a diversas áreas tecnológicas, siendo una de
ellas la relacionada con el control de las máquinas.
El gran avance experimentado en estos últimos años por los CNCs ha hecho que éstos dejaran
de ser el elemento limitador en la velocidad de los procesos de mecanizado. El disponer de CNCs con
tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo de servo que, junto con unos accionamientos
adecuados, permitan trabajar con elevadas aceleraciones y velocidades de los ejes, son parámetros
clave del éxito.
Las aceleraciones a las que está sometida la mecánica
y como condición para reducir el Error de Seguimiento a su
valor mínimo, se hace necesario introducir el control del Jerk
(que aportará cálculos adicionales al interpolador para
suavizar la rampa de aceleración en forma de “curva S”).
El control sobre la derivada de la aceleración (Jerk) o
sacudida hace que los cambios en la velocidad sean mucho
menos “agresivos” con la mecánica.
Altos valores
de jerk supone
fuertes cargas para
la mecánica y
provoca vibraciones en los ejes. El Control hace que el
perfil de la aceleración no sea una constante, sino que
tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el
comportamiento de la mecánica.
Como es natural, sustituyendo la curva trapezoidal
por una curva en forma de campana (sen2 por ejemplo),
aún se logran mejores resultados.
Por cuanto respecto al decodificador y
capacidad de proceso del CNC hay que
destacar por un lado la necesidad de disponer
de algoritmos de Look-Ahead para suavizar
la ejecución de los programas durante su
mecanizado. Criterios de tangencia, longitud
del tramo, radio de la curva a describir,
número de bloques decodificados
anticipadamente que existen en el “buffer”,etc,
determinarán la anulación de aceleraciones
entre movimientos consecutivos o reducir la velocidad a la óptima de mecanizado y procesado.
Por otro lado, el proceso elemental e inherente de un CNC se detalla a continuación haciendo
énfasis en el panorama con que se enfrenta la alta velocidad.
CNC desde 1982
El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el interprete del programa, el cual
descifra el programa escrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por el sistema de
control y ejecutado en el interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es
necesario realizar una serie de transformaciones como compensación de la geometría de la
herramienta, escalado, rotación, cinemática de la máquina, etc. Después, el interpolador actúa
enviando a los servos las consignas adecuadas.
EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los diferentes errores que
se producen dentro de las tolerancias establecidas.
Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como cabe esperar, más severas debido
sobre todo a los altos valores de avance que se requieren.
La forma más habitual de especificar las trayectorias que debe seguir
la herramienta en una operación de mecanizado esta basada en la
generación de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan
interpolaciones lineales. El CAD (Computer Aided Design) permite realizar
el diseño de la pieza a mecanizar como una concatenación de elementos
geométricos simples, mientras que el CAM (Computer Aided Machining)
define, a partir de la información CAD, la trayectoria a seguir por la
herramienta para realizar el mecanizado de la pieza.
Evidentemente, la aproximación de una trayectoria curva mediante una serie de tramos rectos
entre los puntos especificados por el CAM supone una pérdida de precisión. En el caso de
trayectorias con pequeño radio de curvatura, el número de puntos especificado sobre la curva, esto
es, la densidad de puntos, deberá ser mayor que en el caso de trayectorias casi rectas. Sólo así se
podrá mantener un grado de precisión constante a lo largo de toda la trayectoria.
De forma equivalente, un aumento en los requerimientos de precisión a lo largo de toda la
superficie mecanizada obliga a especificar un mayor numero de puntos en la definición de la
trayectorias.
El hecho de tener que procesar una gran cantidad puntos con precisión y a gran velocidad,
evidentemente, impone la adopción de una serie de soluciones en los controles numéricos para alta
velocidad. Junto a la interpolación del tipo lineal, circular y helicoidal, existen otros métodos, Nurbs
por ejemplo, de interpolación segmentaria.
NURBS (Non-Uniformal Rational B-Splines) representa una ecuación polinómica de grado
superior y su representación gráfica es una curva compleja que reproducen la forma original con
gran precisión, por lo que la mayoría de los CADs almacenan sus datos geométricos en este
formato.
Al contrario que los B-Splines que no intersectan necesariamente con los puntos que define la
curva (actúan empujándola en la dirección de ellos), al ser de un nivel matemático superior, facilitan
la representación de formas de una complejidad mayor y con la geometría exacta y no aproximada
como en el caso de los B-Splines. Sus propiedades matemáticas permiten beneficiarse de la
transición continua entre bloques por ejemplo, reduciendo la posible sacudida y vibración
asegurando superficies suaves y uniformes, alargando la vida de la mecánica, incluyendo la de la
propia herramienta.
Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor será el número de puntos de control que
deberá especificarse, pero, en todo caso, el número de puntos generados será menor que el
necesario utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. La reducción en el número de
puntos manejado en las curvas habituales está en una proporción de entre un 30 y un 50%.
Es favorable su uso en geometrías 3D suaves y continuas. Los beneficios que aportan son
inexistentes si las trayectorias utilizadas son muy lineales o con muchos cambios de dirección en
poco espacio.
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CNC desde 1982
6.2 Motores lineales.
Como ya se introdujo en el apartado de
accionamientos, este tipo de motor contiene los
mismos elementos que un motor rotativo: bobinas
e imanes.
No hay conversión de un movimiento rotativo a otro lineal. No hay husillos a bolas ni juegos, ni holguras ni
mantenimiento.
Alta velocidad y alta aceleración:
Con un motor lineal se consiguen velocidades de
1.440 m/min y aceleraciones de hasta de 1,2G, valores que
son impensables con el sistema tradicional de husillo a bolas
(unas 22 veces más rápido).
Además, el husillo a bolas rápidamente se calienta
produciendo imprecisiones térmicas. En el gráfico adjunto se
muestra el calor generado por el movimiento continuo entre
dos puntos en un husillo.
Ventajas de los motores lineales:
• Simplicidad. No partes móviles.
• No hay holgura ni juegos ni dilataciones.
• No hay contacto metal-metal. No hay desgaste.
• Suavidad. Mínimas vibraciones y ruido.
• Libre de mantenimiento.
• Ninguna conexión mecánica.
• Accionamiento directo (Direct Drive). No acoplamientos ni correas entre motor y el eje.
• Alta velocidad / alta capacidad de respuesta.
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6.3 Cinemática paralela.
La máquina tradicional no requiere un gran esfuerzo de control (CNC), ya
que cada eje de la máquina controla un grado de libertad cartesiano. Frente a
esa facilidad en el control, las máquinas presentan la desventaja de que cada
eje deba soportar carga en todas las direcciones, y debe soportar y mover los
ejes que van montados sobre él. Esta característica conduce a una alta masa
a mover y por lo tanto a unas bajas características dinámicas de máquina.
Las mejoras en el campo de la máquina-herramienta van encaminadas a
obtener la máxima libertad de movimientos, con una elevada rigidez y con
una mínima masa a desplazar. Es decir, conseguir unas altas características
dinámicas de máquina.
La cinemática paralela es una solución a este problema. En
este tipo de máquina, cada eje une directamente la base de la
máquina con una plataforma móvil sobre la que va montado el
cabezal, de ahí se puede decir que los ejes están dispuestos de
forma paralela (arquitectura paralela).
El alto coste, principalmente computacional (CNC), que requiere
controlar las longitudes de los distintos brazos de un mecanismo
de estas características hizo que su utilización no se extendiese.
Hoy en día con la aparición delos CNC digitales, dicho coste ha
sufrido una espectacular reducción.
Ventajas e inconvenientes
Las principales ventajas de la
arquitectura paralela son:
• Estructura más simple.
• Menor inercia.
• Menor coste.
Y sus principales inconvenientes se resumen en
los siguientes puntos:
• Volumen de trabajo muy irregular con
relación al volumen prismático deseable.
• Gran tamaño global de la máquina, en
comparación con el volumen de trabajo.
• Complejidad de control (CNC). Constante
interpolación de 5 ejes y complejas rutinas
de control no lineal.
• Dificultad de puesta a punto
• Dificultad de compensación de errores.
Desde el punto de
vista del CNC es una
clara aplicación de todo su
potencial. Una vez ha sido
calculada la trayectoria
resultante (interpolación), hay que “descomponer” a esta (normalmente en forma
cartesiana) para cada uno de los ejes virtuales, para finalmente efectuar “la
distribución” para cada uno de los ejes físicos o reales.
Dicho de forma computacional: se debe de hallar y aplicar la Matriz de Transformación
de Coordenadas (conceptos de cinemáticas directa e inversa).
Como que los cálculos deben realizarse en Tiempo Real, ello exige una gran potencia
de cálculo y de ahí la desventaja frente al sistema cartesiano tradicional.
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CNC desde 1982
Sección 7: CNC VLTIMA (sesión práctica)
Presentación sobre la versión de evaluación de las características introducidas en apartados
anteriores.
7.1 Versión de evaluación: obtención.
http://www.inavcnc.com/register.php
7.2 Introducción a este Sistema Abierto como base de un Control Digital.
7.3 Ejercicio práctico de uso y programación sobre una aplicación real.
Rectificadora:
Singularidades:
• Muela en movimiento de Vaivén.
• Incorporación de Volante Electrónico.
• Equipo medidor “in-process” lector del diámetro de la pieza.
• Cadencia del ciclo de diamantado de la muela debe ser programable.
CNC desde 1982
Sección 8: iNAV electrónica, SL
8.1 Introducción
iNAV es una empresa cuyo capital es 100% español,
dedicada al control electrónico en el campo industrial en
general y, en particular, al desarrollo de Controles
Numéricos y su aplicación a la automatización y control de
procesos.
El objetivo de este documento es el de presentar el enfoque
de nuestra empresa mirando hacia el futuro, la cual cosa
nos debe aportar un mejor conocimiento del presente y los
pasos a seguir para ir más allá de lo inmediato.
8.2 Algunos precentes
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La lente progresiva de la empresa INDO no se hubiera podido llevar a cabo sin nuestra
participación y aportación.
La empresa ROLEX (Suiza), tras una larga búsqueda a nivel mundial, optó por nuestra
solución para automatizar, abaratar y, lo que es más importante, garantizar la calidad
constante de su producto en la fase del pulido y abrillantado de sus relojes.
SKIS ROSSIGNOL España, después de haber probado otras soluciones que no se
adaptaban a sus exigencias, hace unos cuantos años, tomó la decisión de utilizar nuestros
productos para automatizar los procesos propios de manufactura de skis y snowboards.
VALEO (a través de la firma Infranor España) sigue utilizando nuestras soluciones en
diversos procesos que automatiza directamente la propia empresa.
Ford, Seat, Jaguar, Bentley (Rolls Royce), Peugeot, etc. aplican soluciones hechas por
nosotros en todos aquellos procesos dónde no se encuentra una solución estándar.
La línea de montaje del motor de los aspiradores Panasonic, utilizaba nuestros productos.
THOR (filial del grupo TEKA), optó también para la aplicación de nuestras soluciones para
el limado y pulido de sus fregaderos de acero inoxidable.
En la empresa Unidad Hermética, nuestro producto mejora el bobinado de los motores
eléctricos de sus compresores.
LGAI-Applus lo aplica en sus máquinas de corte con LASER.
.../...
Agradecer a todos ellos la confianza depositada a lo largo de los años, en un producto que solo
mejora debido a su aportación.
8.3 Algunos sectores dónde ya estamos presentes
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En el sector de la electroerosión somos claros candidatos a ser un referente si se quiere dar
solución y aplicar éste método no convencional de mecanizado.
Máquinas de Oxicorte, corte por Plasma, Láser o WaterJet. Normalmente para chapa.
Pulido y limado, desbarbado y abrillantado.
Bobinadoras de todo tipo (rotores de los motores, fibra de vidrio para depósitos,
devanadoras,...)
Envasado, etiquetaje y embalaje.
“Pick and Place” de todo tipo y condición.
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CNC desde 1982
• Control de cualquier movimiento (popularmente denominado como “Motion Control”).
En general, nuestros posibles clientes, tienen como opción clara nuestras soluciones en cuanto
necesitan alguna cosa más que no se pueda encontrar en el mercado del producto estándar (que es
precisamente dónde hay el mayor déficit de soluciones y profesionales especializados).
8.4 La base constructiva y de conocimiento
La base se fundamenta básicamente en el conocimiento que poseemos en la construcción de
Controles Numéricos Computerizados. En particular nuestra capacidad para enfrentarnos con
garantía de éxito en el desarrollo de un CNC digital de ultima generación completamente basado
en PC y que pueda ser instalado en cualquier plataforma PC que posea a Windows cómo Sistema
Operativo.
Claro que, un producto como el que poseemos puede servir mejor que cualquier otro como base
de conocimiento y referencia para todo lo relacionado con el Control y la automatización
Industrial: Microprocesadores, DSPs, PCs, Hard Real Time, Redes, Sistemas Distribuidos, Field
Buses, PIDs, CNC, PLC, Automatización, Robótica, Instrumentación, Sistemas Expertos,
Inteligencia Artificial, Realidad Virtual, Informática Industrial, ...
8.5 La aplicación
Este “background”, sin ninguna duda, es lo que nos capacita mejor que nadie para diagnosticar y
determinar a cualquier proceso, aporta contenido a nuestra empresa y, además, garantiza y
transmite seguridad a nuestros clientes, constatando que somos alguna cosa más que una simple
ingeniería. Nuestros clientes conocen y ven que determinamos con precisión las necesidades
reales para llevar a cabo una determinada automatización de su propio proceso específico y
determinado.
Otro aspecto importante a tener presente, corroborable en cualquier Centro de Formación, es el
de que en los cursos sobre automatización que estos imparten, parte de sus contenidos versan
sobre la base del conocimiento que nosotros poseemos. En este sentido, además de nuestros
productos y soluciones, nuestro personal está en continua disposición para dar a los referidos
Centros de Formación, todo el soporte presencial y complementario necesario al que normalmente
se ofrece por las otras firmas de nuestra competencia que normalmente se limitan a ser simples
distribuidores de productos.
8.6 Nuestra oferta
En esta nueva fase que iniciamos, estamos en disposición de aportar y compartir conocimiento
directamente aplicable en el mundo de la automatización y del control industrial de procesos.
Además, en el campo de la Formación (tenemos conocimiento que otras empresas internacionales
de reconocido nombre así lo están llevando a cabo), es factible el poder Desarrollar, Fabricar y
Comercializar ciertas partes de algunos productos y soluciones en estrecha colaboración con
Centros o Escuelas Técnicas si se fijan claramente los términos de recíproco beneficio que nos
hagan, a ambas partes, mejores y mucho más competitivas y, en particular y por nuestra parte, el
poseer más influencia en un sector tan sumamente estratégico.
8.7 El dominio
Ver www.inavcnc.com

Curso CNC - INAV CNC

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