Mecanizado de alta velocidad

El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida en máquinas para el mecanizado de alta velocidad

Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano Almoril15/02/2002
En este artículo se profundizará en el estudio de los controles numéricos y los requerimientos de los mismos para aplicaciones de alta velocidad. Sabemos que los datos CAM han de ser producidos de una forma especial para poder conseguir los resultados esperados de la mecanización de alta velocidad. Ahora se verá como se pueden transmitir estos datos al control numérico, como esté los ha de procesar para conseguir las velocidades y precisiones deseadas, y finalmente, como los servomotores han de accionar los ejes, y los sistemas de medida transmitir la información necesaria para cerrar el lazo de control.

1. Transmisión de datos del CAM al control numérico

Al capítulo dedicado a la generación de datos al sistema CAM se ha visto que los requerimientos de precisión de la trayectoria para obtener buenas superficies de acabado nos obliga a producir una cantidad de datos CAM muy superiores a los habituales.

El problema del tamaño de los archivos CNC (control numérico) que se generan en el CAM existe desde que el CAD/CAM comenzó a implantarse en el campo de las formas de mecanización 3D ahora hace unos años. Hoy en día, con la mecanización de alta velocidad, este tamaño todavía se ha multiplicado.

1.1 Sistemas DNC

Los sistemas CNC clásicos, de los cuales se venden todavía en un tanto por ciento muy elevado en el mundo, no disponen de comunicaciones eficientes para transmitir la gran cantidad de dados generados al CAM ni tampoco memoria suficiente para almacenarlos.

Uno de los sistemas más vendido y económico del mundo, el Fanuc 0M, dispone como máximo 256 kB de memoria y la transmisión de datos desde un computador externo al CNC se hace mediante comunicación serie por el puerto RS-232 a velocidades máximas de 19200 bauds (bits/segundos). No sólo Fanuc comercializa este tipo de control, otros fabricantes tienen modelos competencia que desarrollan características similares.

Supongamos un programa de 12 MB de memoria que hemos de ejecutar a una máquina con el sistema Fanuc-0M. Como la memoria del CNC no es suficiente hacemos servir el disco duro de un computador externo como almacenamiento de los datos. Los datos se transmiten entonces con la RS-232 a 19200 bauds. Haciendo un simple cálculo vemos que para transmitir el programa necesitamos:

Ecuación 1

Que es un tiempo claramente excesivo sólo para transmitir los datos a la máquina. Es por esto que el CNC ejecuta los datos a medida que los va recibiendo y una vez ejecutados los elimina dejando espacio en la memoria para nuevos datos. El CNC funciona entonces como un simple ejecutor de bloques. Esto es el que se denomina comunicación DNC.

Este sistemas tiene muchos inconvenientes:

  • Los datos transmitidos por la RS-232 pueden recibir interferencias con la consecuente posible destrucción de la pieza en el caso de pérdida de información. La posibilidad de interferencias aumenta con la distancia de la línea de RS-232. Para no hacerla muy larga a menudo se instalan computadores al lado de las máquinas, pero el ensuciado afecta su fiabilidad.
  • A menudo los requerimientos de avances en la mecanización de alta velocidad pueden superar claramente el caudal de datos de la RS-232.

Siguiendo con el ejemplo anterior si el programa necesita unos avances F=3000 mm/min y una distancia entre puntos d=0,1 mm, y suponiendo que un bloque ó punto ocupa una memoria de Mbloc = 120b, la máquina habría de recibir los datos a una frecuencia f de:

Por lo tanto se comprueba claramente que para una ecuación con exigencias elevadas las frecuencias de transmisión de datos son claramente insuficientes.

Esta claro entonces que estos sistemas de transmisión de datos son inútiles para las exigencias de la mayor parte de las mecanizaciones de hoy en día, las convencionales y las de alta velocidad.

A título personal nos sorprenden que todavía hoy en día estos sistemas estén tan extendidos entre los productores de moldes y matrices, y que todavía muchas empresas de comunicaciones ofrezcan sistemas de gestión de la producción basados en estos sistemas arcaicos y lentos de transmisión de datos.

1.2 Comunicaciones Ethernet y grandes almacenamientos de memoria

En contraposición a los sistemas DNC clásicos , los centros de mecanización de alta velocidad han de instalar comunicaciones informáticas rápidas y almacenamientos de los programas directamente al Cnc de la máquina.

En este sentido casi todos los controles llamados de alta velocidad integran un puerto de comunicación Ethernet con conexiones físicas RJ-45 (y hasta ópticas) que permiten la comunicación entre el servidor del programa y el CNC de al menos 10 MB/s. Las líneas modernas soportan hasta 100MB/s pero muchas de las unidades de los CNC de las máquinas soportan 10 MB/s. Esto se ha de tener en cuenta e instalar sistemas de comunicaciones “dual-speed” por 10 y 100MB/s.

Los controles incorporan a ,as a más discos duros de cientos de MB o GB que pueden sin problemas almacenar todo el programa entero. Estas unidades de almacenamiento tienen acceso directo al CNC mediante un bus de datos de 32 o 64 bits a frecuencias de unos cuantos cientos de MHz.

Con estas propiedades la transmisión de los programas no suponen ningún problema para los CNC independientemente de su volumen. El objetivo será entonces procesar y ejecutar estos datos lo más rápidamente posible, como veremos en el apartado 2.

A continuación se muestra un esquema de la solución planteada:

Fig. 1.- Esquema de comunicaciones Ethernet y almacenamientos en disco duro.

1.3 Formato cartesiano y NURBS

En general el formato de los datos de salida del CAM al CNC es de ejes cartesianos y básicamente consisten en interpolaciones lineales (G1/G0) o interpolaciones circulares (G2/G3). Estos datos son los más utilizados en programas producidos por los sistemas de CAM y son generalmente utilizados por todos los sistemas de CNC.

Estos tipos de interpolaciones se han ajustado lineal o circularmente a la geometría de las trayectorias programadas del sistema CAM. Si se quiere obtener resultados con acabados superficiales de Ra <0,8 mm, y precisiones de < 0,01 mm, se necesita un ajuste lineal de la trayectoria con un error cordal de al menos 1 grado inferior . Esto es, con un error máximo entre la curva teórica y la línea o curva circular real de menos de 0,001 mm. Por lo tanto una gran cantidad de datos que serán dificiles de procesar por el control numérico.

Hace ya algunos años que se adopto otra solución para ajustar las trayectorias llamadas NURBS.

El NURBS es un ajuste de trayectorias que utiliza B-splines no uniformes en lugar de líneas o curvas circulares. Las siglas NURBS vienen del ingles “ Non- Uniformal Rational B-Splines”. Estas representan una ecuación polinómica de grado superior y su representación gráfica es una curva compleja . El formato de estos datos se muestra en la figura 1.

Fig. 2.- Formato de los datos NURBS

Donde:

G06.2 : Activación interpolación NURBS. Este termino es propio de cada CNC y se ha de ajustar al post-procesador del CAM.

X,Y,Z : Puntos de control
R : Peso
K : Nodo

La interpolación NURBS tiene algunas ventajas respecto al sistema coordenado.

  • La definición de una trayectoria es generalmente más corta con interpolaciones NURBS que con interpolaciones lineales o circulares. El programa de CNC, por lo tanto también.
  • La precisión de la pieza que queremos fabricar es mejor que utilizando sistemas cartesianos que ocupen la misma memoria.

Esto es debido a que los sistemas de CAD utilizan B-splines para definir las curvas complejas en su diseño y por lo tanto los datos que salen del CAM no son aproximaciones de la geometría sino la geometría exacta. En la figura 2 se muestra este echo:

Fig. 3.- Esquema de la interpolación NURBS entre el CAD, CAM y CNC

Para conseguir la misma precisión en los datos en formato cartesiano tendríamos que definir en teoría infinitos puntos.

- El seguimiento de los ejes de la máquina es normalmente más suave que con interpolaciones lineales, generalmente por lo tanto, mejor acabado superficial.

Todas esta ventajas son verdad dependiendo de la geometría de las trayectorias a ejecutar. En general:

  • Si las trayectorias son muy lineales esta claro que la interpolación NURBS no mejora las características de la lineal.
  • Si las trayectorias son muy enrevesadas (muchos cambios de dirección en muy poco espacio) La interpolación NURBS puede llegar a generar archivos incluso más grandes que los archivos de interpolación lineal y circular.
  • La interpolación NURBS es más favorable cuanto más suave y continua es la geometría compleja de 3D.

2. Procesamiento de datos en el CNC

Una vez los datos están ya almacenados en el control numérico y se quiere ejecutar el programa, el control comienza a procesar los datos.

El proceso de datos en el CNC incluye la traducción de los bloques del programa al lenguaje máquina y la ejecución de estos datos por el servosistema CNC amplificador-motor.

La rapidez con el que un sistema pueda procesar los datos es una buena medida para valorar la adecuación del mismo para la mecanización a alta velocidad.

2.1 Tiempo de procesado

El tiempo de procesado es entonces el tiempo en que un sistema CNC-servomotor puede ejecutar un orden en formato de programación de CNC.

Para valorar si un sistema CNC-servomotor es suficientemente rápido para ejecutar un cierto trabajo se puede calcular el tiempo de procesado que se necesita para las condiciones de avance del programa mediante:

Ecuación 3

Donde: d es la distancia media entre un punto y punto del programa (mm)

F es el avance de programación (mm/min)

Tprocesado se mide en ms

Entonces, siguiendo el ejemplo del apartado 1.1:

Ecuación 4

Que es un valor muy exigente para la mayoría de los sistemas CNC-servomotor del mercado. El valor que típicamente se anuncia en estos es pero la cantidad de bloques por segundo (BPS) que se puede ejecutar, o sea la frecuencia derivada del Tprocesado . Entonces:

Ecuación 5

Cuando se intenta comparar diferentes sistemas del mercado se ha de asegurar que el fabricante del CNC nos esta diciendo el tiempo de procesado total del bloque y no sólo el tiempo para traducir los bloques a lenguaje máquina antes de transmitirlos al servomotor. Por desgracia esto se hace a menudo por los fabricantes de CNC que no tienen integrada la fabricación de servomotores, y anuncias valores del orden de 1000 a 2500 bloques/s cuando los sistemas más avanzados CNC-servomotor como el Fanuc 16iM tiene ciclos de 1,5 ms (ó sea 666 bloques/s).

2.2 Control de la trayectoria

Una vez procesados los datos en lenguaje ISO procedentes del sistema CAM, y después de ejecutar los algoritmos de interpolación al CNC (eventualmente, circulares ó NURBS) se obtienen comandos de posición para cada uno de los ejes. El servosistema de control de posición actúa como se indica en la figura 4 del esquema siguiente:

Fig. 4.- Lazo de control de un sistema CNC-servomotor analógico

El mando de posición procesado al CNC se transforma en mando de velocidad (curvas de velocidad) que se transmiten a la etapa de control del amplificador del servomotor. Esta se calcula con algoritmos los comandos de tensión e intensidad que controla la parte de potencia del amplificador que a la vez comanda el motor.

En este servosistema actúan algunos lazos. El mismo motor esta servocontrolado por el amplificador mediante la corrientes (“current loop”). El sistema de captación de la posición cierra el control de velocidad (“speed loop”) con el amplificador mediante un derivador (los datos son de posición y por lo tanto se han de derivar para encontrar los datos de velocidad) y a la vez cierra el control de posición con el CNC (“positioning loop”).

2.2.1 Error de seguimiento

El error entre la posición comandada y la posición real de la máquina se denomina error de seguimiento y es fundamental a la hora de evaluar las aptitudes de un sistema para controlar una máquina de alta velocidad.

El error de seguimiento es el mejor indicativo de la precisión dinámica de un centro de mecanización. Tan importante es seguir una trayectoria con la velocidad programada como hacerlo de forma precisa.

Teóricamente precisión del sistema esta determinada en parte por el tiempo de procesado en bloque. Si excluimos el tiempo de conversión de los datos ISO en datos de comando de posición, y se denomina este tiempo de ejecución (Tejecución (ms)) el error de seguimiento (eseguimiento (mm)) del sistema se determina según:

Ecuación 6

Siguiendo con el ejemplo anterior y suponiendo que se trata de un Fanuc 16 iM donde el Tejecución » 1,5 ms.

Ecuación 7

Este valor es como ya se ha dicho teórico porqué no tiene en cuenta la capacidad de la máquina para responder a estos comandos de par y velocidad de los motores.

2.2.2 Ganancias del sistema CNC-servomotor

A cada uno de los lazos de realimentación del sistema y después de calcular el error entre el valor teórico y el real, los algoritmos de cálculo aplican unas ganancias de los comandos o señales para intentar minimizar el error de seguimiento. El estudio completo de estas ganancias no es objetivo de este trabajo pero hablaremos de la ganancia G global del sistema.

La ganancia del sistema CNC-servomotor define la respuesta del eje del centro de mecanización. Si aumenta la ganancia global G se reduce el error de seguimiento del sistema y por lo tanto mejoran la precisión dinámica de la máquina.

Si la cadena dinámica del accionamiento del eje del servomotor (acoplamiento, tornillo a bolas, hembra y carro) no es suficientemente rígida y el valor de G se aumenta, el servosistema puede llegar a acoplar a la frecuencia natural del sistema mecánico produciendo vibraciones de inestabilidad. La ganancia con el que se puede accionar el servosistema esta por lo tanto limitado por la mecánica de la máquina y el error dinámico que podemos conseguir con un determinado sistema de CNC-sevomotores está determinado por la rigidez de este sistema mecánico. En el capítulo 8 se estudiara con más profundidad la rigidez del elemento del sistema mecánico del accionamiento.

De toda manera los servosistemas utilizan elementos de otros elementos de control para poder conseguir sistemas con un precisión como pide la mecanización de alta velocidad. Estos se explican a continuación.

2.2.3 Filtros

Los filtros son operadores matemáticos que se aplican a menudo a señales de para (corriente) y que actúan como a pasa-bajas. Limitan por tanto la amplitud de las frecuencias más altas retardando así el efecto de acoplamiento con la frecuéncia natural del sistema mecánico.

2.2.4 “Look ahead” y “feed-forward”

Estos sistemas son algoritmos que analizan la geometría de la trayectoria de un nombre determinado de bloques por delante del que se esta ejecutando (“look-ahead”) y prevén los cambios de avance de los ejes (“feed-forward”).

Estos actúan paralelos a la cadena normal de control y modifican las ganancias de posición y velocidad por tal de ejecutar una nueva trayectoria de sea más favorable para la dinámica de los ejes. Haciendo un símil con las competiciones de fórmula-1, los pilotos (control) ven el trazado de la calzada (“look-ahead”) y llevan los monoplazas (máquina) por trayectorias diferentes a las estrictamente medias y paralelas a los límites de la calzada (“feed-forward”) para poder acelerar y desacelerar con menos intensidad y así subir la velocidad media del recorrido.

Se muestra en la figura 5 el diagrama de bloques de un servosistema con estos tipos de algoritmos.

Fig. 5.- Diagrama de los bloques del servosistema de Fanuc 16iM

2.2.5 Límites de error de la trayectoria

Al símil automovilístico existen límites para la nueva trayectoria (la calzada). A los servosistemas más avanzados también existen estos límites con la ventaja de que son ajustables a las necesidades de la mecanización.

Si en cierta mecanización se necesitan los avances de corte más altos para reducir el tiempo, se pueden aumentar los límites perdiendo precisión. Si en cambio nos interesa la precisión, se estrechan los límites haciendo la máquina más lenta. Estos límites de trayectoria se controlan normalmente mediante funciones auxiliares M para poder varias el modo dependiendo de la operación a realizar en cada caso.

En la actualidad existen ya unos cuantos sistemas (Siemens 840D, Fanuc 16iM, etc.) que utilizan estos sistemas donde se pueden escoger límites de entre ±0,002 mm por alta precisión y ±0,02 mm por alta velocidad.

La utilización de los algoritmos de “look-ahead” y “feed-forward” han posibilitado el desarrollo de la tecnología de alta velocidad como la entendemos actualmente. Siguiendo con nuestro ejemplo si con una máquina herramienta con el sistema Fanuc-16iM se quiere describir un círculo de 100 mm de diámetro a un avance F = 18.000 mm/min, error de seguimiento habría de ser de:

Ecuación 8

Cuando la realidad con los sistemas de limitación del error de trayectoria se llegan a producir este círculo a 18.000 mm/min de avance exacto con errores máximos de 0,003 mm!! Ver figura 6.

Fig. 6.- Error de circularidad en 100 mm de diámetro a 18 m/min con el control Fanuc 16iM

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