Los CNC y el MAV

Xabier Sabalza
Ideko Centro Tecnológico
31/12/2002

El mecanizado de alta velocidad es un término muy en boga en la actualidad en el campo del mecanizado por arranque de viruta. Tanto es así que se puede encontrar en boca de los fabricantes de máquinas herramienta, de los suministradores de la mayoría de los elementos que las componen (accionamientos, controles, herramientas, rodamientos,...), de los vendedores de paquetes CAD/CAM, de cualquier artículo de la prensa especializada, y evidentemente, de los usuarios de las máquinas.

Dicha técnica hace referencia a una serie de procesos de mecanizado en los cuales la velocidad de giro del cabezal se ha incrementado de manera notable, y para cuya consecución se ven implicadas una serie de métodos y tecnologías avanzadas en el diseño, construcción y utilización de máquinas.

A la hora de construir o adquirir máquinas herramienta para labores de mecanizado de alta velocidad, es conveniente tener claros una serie de aspectos que afectan a su operación, tales como la mecánica, los accionamientos, o los CNCs que las gobiernan. El presente artículo trata de poner un poco de luz en éste último aspecto.

CNCs Fagor para alta velocidad

1. INTRODUCCIÓN

El término “alta velocidad” aparece frecuentemente utilizado en la literatura especializada con diversos significados. No existe una definición precisa, siendo un término general que se aplica a un amplio rango de operaciones de mecanizado en las cuales la velocidad de giro del cabezal se ha incrementado de manera notable. Esta ampliamente aceptado considerar alta velocidad al mecanizado con cabezales que posean un rango de funcionamiento por encima de las 8.000 rpm.

En la práctica, el mecanizado de alta velocidad consiste básicamente en sustituir pocas pasadas lentas de gran profundidad de corte por muchas pasadas rápidas de menor profundidad de corte, obteniéndose un importante incremento en la cantidad de material desalojado. En la actualidad es posible encontrar máquinas con velocidades de cabezal del orden de 20.000 rpm, pudiendo llegar incluso a 50.000 rpm en algunas máquinas comerciales y a 100.000 rpm en prototipos de laboratorio.

Tal y como se ha mencionado, el incremento de la velocidad de giro del cabezal debe de ir acompañado de un incremento de la velocidad de avance de los ejes. Sin embargo es quizás más importante disponer de valores altos de aceleración que de velocidad, pudiéndose encontrara actualmente valores típicos del orden de 1g, aunque pueden llegar a verse máquinas con valores de 2g e incluso más.

La capacidad de aumentar de forma notable la velocidad de arranque de viruta conlleva la clara ventaja de disminuir el tiempo de mecanizado. Este factor es especialmente importante en aplicaciones que involucran operaciones de mecanizado de contornos complejos, como es el caso de los moldes.

Por otro lado, el empleo de una mayor velocidad de corte permite reducir el grosor de la viruta arrancada sin pérdida de tiempo en el proceso de producción, lo que revierte en el incremento de la vida de las herramientas, y en el incremento de la precisión del mecanizado, pudiendo así eliminarse etapas finales de acabado superficial.

De los varios sectores industriales con amplia aplicación del mecanizado de alta velocidad destacan principalmente: el sector aeronáutico, debido sobre todo a las altas velocidades aplicables en el mecanizado de aluminio, el sector del molde y troquel, por la eliminación del proceso de acabado, y el de automoción, debido al notable aumento de la productividad que es posible obtener.

Junto con estas ventajas, la alta velocidad también impone un cierto número de requerimientos prácticos que deben de cumplir los elementos que componen la máquina herramienta: mecánica, accionamientos y control. Desde el punto de vista mecánico es necesario dotar a la máquina de una rigidez elevada, además de cuidar aspectos relativos al cabezal y a las herramientas (rodamientos, equilibrado,...). Los accionamientos deben de posibilitar la obtención de las velocidades y aceleraciones requeridas, por lo que es necesario optimizar al máximo sus prestaciones, sin olvidar el posible uso de nuevos tipos de accionamientos tales como los motores lineales. Las secciones siguientes describen los requerimientos relativos al control numérico.

2. ¿CÓMO TRABAJA EL CNC?

Cuando se desarrollaron los sistemas de control numérico (CNC – Computerized Numerical Control) la idea consistía en preplanificar cada movimiento que el operario realizase, para posteriormente ejecutarlos secuencialmente de manera rápida, evitando las imprecisiones que se cometen en cualquier proceso manual. El desarrollo continuó ampliando el movimiento punto a punto a interpolaciones circulares y helicoidales, y agregando multitud de funcionalidades adjuntas.

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, siendo aquí donde se realiza la traslación de la trayectoria a puntos discretos. La serie de puntos es posteriormente cargada en el control numérico, que los ejecuta de forma ordenada.

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 impone la adopción de una serie de soluciones en los controles numéricos para alta velocidad.

Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre entre cada medida de posición y actualización de la consigna que el CNC envía a los diferentes servoacionamientos. Es posible incurrir en errores ya que muchos lo denominan tiempo de proceso de bloque, el cual es el mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques de programa (también se mide en bloques por segundo). Hay que tener cuidado de saber a que se está refiriendo cuando se menciona el tiempo de proceso de bloque. El tiempo de ciclo del servo (servo cycle time) está más bien relacionado con el interpolador, y el tiempo de proceso de bloque (block cycle time) con el intérprete de programa.

El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para una velocidad de avance de 6 m/min y tiempo de ciclo del servo de 1 ms, se tiene que

por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se ha movido 0,2 mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs dispongan de tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con precisión con valores de avance rápidos.

Tiempo ciclo servo tcs
(ms)

Ciclos/s.
1/ tcs

Dist. ciclo para
f = 3 m/min
(mm)

Dist. ciclo para
f = 10 m/min
(mm)

Dist. ciclo para
f = 30 m/min
(mm)

20

50

1

3,33

10

10

100

0,5

1,66

5

3

333

0,15

0,5

1,5

1

1000

0,05

0,16

0,5

0,4

2500

0,02

0,06

0,2

0,1

10000

0,005

0,016

0,05

La tabla muestra claramente la importancia que tiene el disponer de tiempos de ciclo de servo rápidos para trabajar con rapidez y precisión. A mayor velocidad de avance se exige mayor velocidad de ciclo del servo.

Las exigencias en cuanto a velocidades de avance irán incrementándose paulatinamente, ya que el resto de tecnologías implicadas en los procesos de alta velocidad así lo permiten.

El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en cuenta para mecanizar rápido con precisión.

Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque (block cicle time) es el mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques del programa de CNC. No hay que confundir este tiempo con el tiempo de ciclo de servo, ni con el tiempo que tarda el CNC en interpretar una línea de bloque de programa. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar un dato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones,...), y además iniciar y terminar el movimiento en cuestión. Entonces, quizás haya menor lugar a dudas si se habla de los bloques por segundo que puede ejecutar el CNC.

Idealmente, la velocidad de ciclo del servo debe de ser mayor que la de proceso de bloque, para que se pueda ejecutar el movimiento especificado en el bloque. En el límite, y según como esté construido el CNC, el tiempo de proceso de bloque podría incluir un único ciclo de servo, lo que causa a veces confusión al utilizar los diferentes términos.

Fig. 1 Error cordal

Existe una correlación entre la capacidad de aceleración de la máquina y el tiempo de proceso de bloque, manteniendo una precisión determinada. La Fig. 1 muestra la ejecución de una trayectoria circular aproximada como una serie de tramos rectos, tal y como hacen la mayoría de los paquetes de CAM. El recorrido de cada uno de estos segmentos se ejecuta como muy rápido en un tiempo igual al de proceso de bloque T. Cuanto más corto sea el segmento (menor T), menor será el error cometido, pero hará falta un mayor número de segmentos para completar el recorrido. Si se define la precisión con la que se quiere trabajar, se puede determinar el tiempo de proceso de bloque T necesario.

Como se ve en la figura, el error que se comete al aproximar por tramos rectos un arco de máxima aceleración centrípeta es máximo en el punto medio del segmento. En este punto, la distancia recorrida es igual a V·(T/2).

Utilizando equivalencias trigonométricas, se puede demostrar que el error cordal E es

Por lo tanto, el tiempo de ejecución es directamente proporcional al error e inversamente proporcional a la aceleración de la máquina

Por tanto, la velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisión determinada depende de la capacidad de aceleración de la máquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de la capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de ejecución del mecanizado. No es necesario elegir un CNC demasiado rápido si el sistema no es capaz de desarrollar grandes aceleraciones.

Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales

En el trabajo en alta velocidad, unos de los principales factores limitadores son los aspectos electromecánicos de la máquina. Esto obliga a exprimir al máximo las prestaciones que se puedan obtener de los accionamientos.

El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, en lugar del tradicional interface analógico, permite al CNC disponer de más información sobre el estado de los accionamientos así como influenciar el comportamiento de los lazos. Los accionamientos digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:

· Alta resolución digital en la monitorización de la velocidad y la trayectoria.

· Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:

- Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también conocidos como feed-forward de velocidad y aceleración. Se trata de controles en avance que permiten una importante reducción de los errores de seguimiento ante cambios de consigna.

- Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la amortiguación del sistema electromecánico para poder incrementar el valor de la ganancia Kv del lazo de posición y trabajar con un mayor grado de precisión.

- Compensaciones de fricciones estáticas y holguras

· Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo osciloscopio o analizador de frecuencias integrados, muy útiles a la hora de realizar óptimas sintonías.

· Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales como la implementación de filtros digitales para evitar el trabajo en frecuencias conflictivas.

No existe un estándar para interfaces digitales, existiendo una amplia variedad en el mercado, lo que exige restringe el abanico de selección de la pareja CNC-accionamientos. Muchos de los interfaces están implementados en fibra óptica, lo que les aporta además inmunidad ante la polución electromagnética.

Look-Ahead

Quizás una de las prestaciones más importantes que es necesario que cualquier CNC disponga para trabajar en alta velocidad sea la función “Look-Ahead” (mirar en adelanto). En la función look-ahead el procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en el programa de pieza que se está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo a la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la máquina mantener el avance a valores relativamente altos evitando marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la máquina, por medio de un ajuste continuo de la velocidad mirando el programa por adelantado.

La manera en la que la inmensa mayoría de los paquetes de CAM construyen el programa de mecanizado que debe de ejecutar el CNC es convertir cualquier trayectoria compleja en una sucesión de puntos entre los cuales el CNC realiza una interpolación lineal. Como parámetro, hay que especificar al paquete de CAM la desviación cordal máxima que se puede permitir.

Fig. 2.- Ejemplo de aproximación por segmentos rectos

Como se ve en la Fig. 2, la desviación cordal es el error que se comete al aproximar una curva por una serie de tramos rectos. Cuanta más precisión se necesita, menor tienen que ser la desviación cordal y por tanto mayor es el número de puntos. En la practica de los mecanizados en 3D, si se quieren obtener buenos resultados con elevada precisión y buen acabado, la densidad de puntos que definen el mecanizado es muy alta y están muy juntos entre sí.

Si los puntos están muy juntos entre sí es muy posible que, con las velocidades de avance con las que se trabaja, se produzcan sobrepasamientos durante el mecanizado, debido a la precisión que proporciona el tiempo de ciclo del servo. Si el CNC solo mira un punto en avance, solo dispone de la distancia que le proporciona un punto para decelerar la máquina.

Fig. 3.- Ejemplo de aplicación del Look-Ahead. Sin activarlo, la velocidad de avance que se alcanza es muy baja, muy lejos de la programada

Otro error común que aparece cuando no se utiliza Look-Ahead es el redondeado de las esquinas. En este caso aparecen redondeos de aristas vivas debido al esfuerzo del control de ejecutar el programa de forma rápida, saltando de un bloque al siguiente antes de que el predecesor se haya completado.

También es frecuente el caso en el que la máquina se mueve de modo discontinuo, con continuos arranques y paradas en las zonas con mucha densidad de datos, ya que el CNC no es capaz de procesar los bloques del programa lo suficientemente rápido como para mantener el avance.

La solución a este problema pasa siempre por disminuir el valor del avance. La función Look-Ahead analiza varios bloques del programa a ejecutar por adelantado, buscando cambios abruptos en la trayectoria de la herramienta. Cuando encuentra un cambio en la trayectoria, ajusta el valor del avance, dando a los servos el tiempo suficiente para acelerar o decelerar para mantener la trayectoria. Esto permite ejecutar el movimiento en rectas o curvas generosas al máximo valor de avance solicitado, y éste solo se reduce cuando la curvatura de la trayectoria así lo exige. Sin el look-ahead, habría que programar el avance para el peor de los casos.

Fig. 4 El Look-Ahead adapta la velocidad en función del perfil a mecanizar.

No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia según son los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina (menor aceleración), mayor número de bloques look-ahead serán necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en look-ahead que el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones innecesarias. Un número típico en alta velocidad es por encima de 100 bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000 bloques.

Control de aceleraciones

Tradicionalmente, cuando los CNCs generan las trayectorias, se solicitan movimientos en los cuales la aceleración es constante hasta que se alcance la velocidad establecida (rampa de velocidad). Al trabajar de este modo normalmente no se tiene en cuenta el valor de la derivada de aceleración (jerk). El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la mecánica de la máquina herramienta y provoca vibraciones en los ejes.

Muchos controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo que hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el comportamiento de la máquina.

En estrecha relación con la prestación look-ahead, se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curva trapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una función sen2.

Fig. 5 Las imágenes muestran la evolución de la velocidad, aceleración y jerk para el caso de aceleración constante (limite jerk) y control avanzado.

Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar el valor de la velocidad y reducir el error.

Capacidad de almacenamiento. Ethernet.

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de piezas en 3D, ocupan varios megabytes de memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo. Estos programas pueden en muchos casos sobrepasar la capacidad de almacenamiento que se dispone en los CNCs. La solución tradicional a este problema ha sido la de incorporar un DNC (Direct Numerical Control), lo cual consiste en equipar el CNC con una línea serie a través de la cual un ordenador va enviando los datos al CNC, el cual los va almacenando en un buffer y los va ejecutando de manera continua.

El problema que aparece con el DNC es la baja velocidad de transmisión de datos que permite la línea serie, típicamente 9.600 baudios. Con las prestaciones look-ahead incorporadas a los controles de alta velocidad, esta velocidad de transmisión es muy baja y puede ocurrir que el mecanizado se deba de detener a la espera de nuevos datos.

Las nuevas generaciones de controles permiten la instalación de tarjetas de red, típicamente Ethernet, que permiten velocidades de transmisión de varios megabaudios (10 ó incluso 100), 1000 veces más rápido que el DNC.

Por tanto, la conexión directa del CNC a red elimina los cuellos de botella en la transmisión de datos.

Por otro lado, los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duros con capacidades de almacenamiento de gigabytes, por lo que el problema del espacio ya no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las ventajas añadidas que supone una conexión de este tipo en cuanto a la transmisión y utilización de cualquier tipo de información.

Interpolación polinómica. NURBS

El hecho de tener que representar trayectorias curvadas como una serie de segmentos rectos siempre ha sido una limitación en contorneados 3D. Es intrínsecamente impreciso, convierte en faceteado lo que debería de ser liso, crea programas monstruosamente largos, y obliga a buscar un compromiso tolerancia-velocidad debido al elevado número de datos que el programa tiene que ejecutar.

Una solución a este problema es el uso de splines o plantillas, que consisten en unir los puntos por medio de unas funciones polinómicas especiales. La experiencia muestra que un bloque definido por un spline puede sustituir entre 5 y 10 bloques lineales sin sacrificar precisión.

Los splines conocidos como NURBS son especialmente interesantes y se empiezan a ver numerosas aplicaciones y productos comerciales basados en ellos.

El acrónimo NURBS significa Non-Uniform Rational B Spline. Las entidades básicas utilizadas en sistemas de CAD de 2D consisten en segmentos, círculos y arcos, los cuales sirven para definir formas relativamente simples. Cuando se trata de definir curvas complejas o formas libres se utilizan varias representaciones matemáticas que permiten a los diseñadores crear las curvas a su gusto.

Los splines o plantillas simples son los equivalentes CAD de las plantillas que los delineantes han venido utilizando durante años. La curva esta definida por una serie secuencial de puntos de control, conectados mediante curvas suavizadas que intersectan con dichos puntos.

Los B-Splines son ligeramente diferentes. Están definidos por puntos finales y puntos de control que no intersectan necesariamente con la curva, sino que actúan un poco como la gravedad, empujando la curva en la dirección del punto.

Los Non-Uniform Rational B Splines son de nivel matemático más elevado. Rational significa que se puede especificar el peso del empuje de cada uno de los puntos de control. Y Non-Uniform siginifica que el vector de knot (nudos o puntos) – que indica que porción de la curva se ve afectada por un determinado punto de control – no es necesariamente uniforme. El resultado de todo esto es que se pueden utilizar más factores de control en la fórmula, de manera se pueden expresar con una sola curva un número considerablemente mayor de formas complejas.

Fig. 6.- Ejemplos de curvas NURBS. Obsérvese que de la curva del centro a la de la derecha únicamente se ha variado un punto de control

Hay varias ventajas que proporcionan los NURBS con respecto a otras representaciones. Primero, son fórmulas basadas matemáticamente que definen la curva completa, y segundo, como cada formula de mayor grado tiene más variables con las cuales representar la curva, tienen la capacidad matemática de expresar exactamente cualquier forma creada con una clase inferior. Estas son las razones que han convertido a los NURBS en los padres de todas las definiciones de curvas y superficies en los sistemas de CAD/CAM.

Seria por tanto deseable que el CNC pudiese importar directamente las curvas definidas en el CAM en la forma de NURBS, sin que tenga que haber aproximación geométrica alguna. Como cualquier forma libre puede ser descrita con una única curva, la talla de los programas se vería drásticamente reducida y las limitaciones de proceso de bloque serian irrelevantes.

Para ello, algunos CNCs disponen de un interpolador NURBS, pero hay limitaciones prácticas en el grado de los NURBS que se pueden utilizar. El trabajo con programas e interpoladores NURBS reduce la talla física de los programas entre un 30 y un 50%, elimina los tiempos de espera del CNC, mejora el comportamiento en las discontinuidades de la trayectoria y, gracias a una más rápida interpolación con la trayectoria real, el mecanizado es más preciso, obteniéndose importantes mejoras en el acabado superficial.

No todos los fabricantes de CNC utilizan una interpolación polinómica del tipo NURBS para mejorar diferentes aspectos del mecanizado, y no todas las representaciones NURBS son únicas. Existe ya un debate de cual es el mejor interpolador polinómico.

Sin embargo, muchos programas de CAM ofrecen la posibilidad de definir las trayectorias de salida en los formatos NURBS utilizados por los principales fabricantes de CNC. También existen posprocesadores que transforman curvas definidas punto a punto en curvas NURBS.

La interpolación polinómica es una nueva tecnología con aspectos en los que es necesario seguir trabajando, especialmente por los desarrolladores de paquetes CAD/CAM, CNCs y constructores de máquina herramienta, aunque aparece ya como una herramienta con futuro en el contorneado. Hoy por hoy, permite obtener mejoras en el tiempo de mecanizado y en el acabado superficial.

Sin embargo, la utilización de CNCs de última generación actuales, así como algunas otras consideraciones, diluyen algunas de las ventajas de los NURBS y de la interpolación polinómica:

Una trayectoria de herramienta representada en NURBS a partir de la intersección de un plano con una superficie NURBS (acción típica del CAM) no es exacta, siendo necesario utilizar un factor de tolerancia similar a la desviación cordal, lo que causa también una pérdida de precisión.

El elevado número de bloques que tiene que ejecutar un CNC en una representación punto a punto no supone un problema para los CNCs de ultima generación, ya que la velocidad de proceso de bloque se ha incrementado de modo considerable (del orden de 10 – 20 ms a 1 ms)

La reducción de la talla de los programas pieza representados en NURBS no presenta una ventaja considerable hoy por hoy, debido a la gran capacidad de almacenamiento de los actuales CNCs, así como por la posibilidad de disponer de conexiones de red de alta capacidad de transmisión.

Las representaciones en NURBS de líneas y superficies no son fáciles de interpretar, lo que hace prácticamente imposible la edición de programas pieza directamente en máquina por parte del operario.

En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema electromecánico.

Controles abiertos

Aunque no tienen una relación directa con la alta velocidad, los fabricantes de CNCs actuales están apostando cada vez más por los denominados controles abiertos, los cuales básicamente aprovechan la arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias, poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.

La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos sistemas abre enormemente las posibilidades de los CNCs actuales. De esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado para el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes, diferentes de los fabricantes de CNCs.

Los desarrolladores disfrutan de un entorno más amigable, con unas herramientas de desarrollo más potentes y con una oferta enorme de paquetes comerciales. Todo ello facilita considerablemente el trabajo, permitiendo afrontar aplicaciones mucho más complejas, difícilmente abordables con los CNC tradicionales en los que desarrollos están limitados a la utilización de herramientas propias de los fabricantes de CNCs. La aplicación de las nuevas tecnologías de informática avanzada (sistemas expertos, lógica difusa, redes neuronales), multimedia y de telecomunicaciones puede incorporar un gran número de prestaciones potenciales a un coste relativamente bajo.

Es posible integrar en el CNC servicios hasta hace poco tiempo impensables o muy difíciles de abordar. La variedad es muy amplia, desde la implantación de nuevas funcionalidades basadas en estándares, pasando por la incorporación de ayudas que faciliten la implantación de nuevos conceptos o filosofías en las empresas, hasta la integración de servicios más convencionales, como pueden ser la asistencia al diagnóstico, el mantenimiento predictivo, los servicios de gestión remota, algoritmos avanzados de generación de trayectorias, de mecanizado de piezas complejas o de compensación por deformaciones térmicas.

Otras prestaciones

Aunque no son exclusivamente necesarias para el trabajo a alta velocidad, las grandes inversiones que requieren estos sistemas hace que sea en la práctica necesario que cualquier equipo de control CNC disponga de una serie de prestaciones adicionales.

  • Compensaciones: El CNC debería permitir de disponer de una serie de compensaciones que permitan conseguir altas precisiones. Entre ellas figuran:
  • Compensación de los errores térmicos inducidos por la alta velocidad y generación de calor en los cabezales y ejes
  • Compensación de los errores de fricción en el cambio de cuadrante
  • Compensación de los errores de husillo y del sistema de medida
  • Transformaciones de 5 ejes: Cuando se utilizan herramientas cilíndricas o toroidales en máquinas de 5 ejes es necesario orientar la herramienta para obtener las máximas prestaciones de corte asegurando la calidad.

El control debe de permitir trabajar en coordenadas de pieza en lugar de en coordenadas de máquina, encargándose de realizar las transformaciones oportunas, así como correcciones de la geometría de la herramienta.

CONCLUSIÓN

La alta velocidad es un novedoso método de mecanizado que trata de obtener importantes reducciones de tiempo junto con mejores acabados superficiales de manera eficaz. La posibilidad de aplicar esta técnica involucra a diversas áreas tecnológicas, siendo una de ellas la relacionada con el control de las máquinas. Los controles numéricos para alta velocidad han ido adaptando soluciones originales que permiten explotar a fondo las posibilidades de esta nueva técnica. Aparecen 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.

Es de destacar la necesidad de 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. También hay que subrayar la necesidad de disponer de algoritmos de Look-Ahead para obtener altas velocidades de ejecución de los programas de mecanizado.

Los fabricantes de CNCs se están decantando por arquitecturas multiprocesador con la parte de interface con el usuario basada en PC, utilizando Windows como sistema operativo, facilitando así su apertura.

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.

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