Enfoque de la compañía japonesa respecto al sistema “Driven at the Center of Gravity”

En la carrera por la competitividad, las empresas dedican buena parte de sus beneficios a la investigación y el desarrollo de nuevos productos que en ocasiones, marcan hitos en la evolución de la máquina-herramienta. Este es el caso de la tecnología “Guiado desde el Centro de Gravedad” de Mori Seiki que aporta unos altos índices de precisión. Y es que, antiguamente, las máquinas tenían un límite que controlaba hasta qué punto podía llegar la aceleración del husillo, debido a las vibraciones producidas por las piezas móviles del sistema motor. Por ejemplo, la NH4000 DCG de Mori Seiki, consigue unos niveles de aceleración sin precedentes gracias el efecto del “Guiado desde el Centro de Gravedad”. Los intervalos de ausencia corte se pueden reducir significativamente gracias al aumento de velocidad de todos los componentes. En un reciente viaje a las fábricas de Mori Seiki en Japón, MetalUnivers conoció mejor el DCG y otros detalles sobre esta compañía.

A partir de mediados de los ochenta, todas las máquinas que salían al mercado ofrecían altas velocidades y altos niveles de precisión. Los retos más importantes durante los primeros años eran el tamaño y la velocidad de los motores del husillo, cómo desarrollar una tecnología que soportase el calor resultante, diseñar máquinas que pudiesen aprovechar los adelantos de los cada vez más rápidos dispositivos de control numérico, etc. Y, sin lugar a dudas, los resultados fueron considerablemente buenos. Sin embargo, parece que en los últimos cinco años la investigación de tecnologías que mejoren la velocidad y la precisión ha quedado estancada. Lo único que se ha conseguido es reducir ligeramente el tiempo de mecanizado aumentando la velocidad en aras de conseguir una mayor precisión o calidad de las superficies

Pero ahora aparece el sistema “Driven at The Center of Gravity”, una tecnología creada a partir de la observación de la dinámica de movimiento real de la máquina. Cualquier ingeniero de máquinas-herramienta sabe que siempre es mejor guiar desde el centro de gravedad. En Mori Seiki creen que esta tecnología hará realidad las mejoras más importantes de los últimos tiempos en lo referente al tiempo de mecanizado, la precisión, la calidad de las superficies y la vida útil de las herramientas. Este principio es común a todas las máquinas-herramienta en las que la herramienta y la pieza de trabajo se mueven relativamente la una hacia la otra, y no sólo a los centros de mecanizado. Las máquinas de Mori Seiki con tecnología DCG realizan todos los movimientos exactamente como desea el operario, con la máxima seguridad y precisión.

El principio de “Guiado desde el Centro de Gravedad” reduce el tiempo de mecanizado, aumenta la precisión del contorneado y ofrece una mejor calidad en las superficies. “Guíalo desde el Centro”. Esta vendría a ser la idea que hay detrás del principio de “Guiado desde el Centro de Gravedad”. (Fig 1).

Figura 1

Las máquinas-herramienta utilizan husillos de bolas y motores lineales para mover las herramientas y las piezas de trabajo. Si se guían por su centro de gravedad, moverlas no debe suponer ningún problema. No obstante, esto no es siempre cierto. ¿Por qué? Tomemos, por ejemplo, el eje que mueve el husillo hacia arriba y hacia abajo en un centro de mecanizado vertical.

El centro de gravedad del husillo es el mismo centro del husillo, pero resulta imposible colocar un husillo de bolas allí mismo. Por otro lado, el centro de gravedad del eje que mueve la mesa cuando se trabaja con piezas pesadas. En otras palabras, el centro de gravedad de la mesa de encuentra dentro de la pieza de trabajo. Y claro está, tampoco hay modo alguno de colocar un husillo de bolas ahí. ¿Cómo se puede solucionar?. En Mori Seiki han tenido la idea de rodear el centro de gravedad con dos puntos de guiados en cada lado. La línea que conecta el centro de los dos husillos de bolas debería pasar por el centro de gravedad del objeto que se está moviendo. ( Fig.2).

Figura 2

La ventaja del DCG es la menor vibración. El gráfico (Fig 3) compara la vibración en las máquinas DCG y en las máquinas estándar.

El cuadro azul muestra la amplitud de vibración durante el recorrido en el NV4000 DCG sin aplicar el principio “Driven at the Center of Gravity”.

El cuadro rojo muestra la misma situación, pero habiendo aplicado este principio. Los resultados son drásticos y claros.

La Figura 4 muestra una representación temporal de los niveles de vibración. Se observa cómo la máquina con sistema de DCG deja de vibrar casi desde el primer momento, mientras que la máquina convencional sigue vibrando mucho después. En el extremo de la máquina que vibra hay una herramienta y una pieza de trabajo. Obviamente, la vibración afectará negativamente a la calidad de la superficie mecanizada.

Además, si la herramienta entra en contacto con la pieza de trabajo mientras ambas están vibrando, la punta de la herramienta se desgastará mucho más de lo debido. La vibración es el enemigo natural de la vida útil de cualquier herramienta. No obstante, hay otro problema aún más grave. Cuando hay vibraciones, el dispositivo de cálculo numérico reacciona desviándose de las instrucciones e intenta corregir las vibraciones moviendo el motor de avance.

Figura 3

Figura 4

En consecuencia, en muchos casos se generan aún más vibraciones. Los ingenieros están familiarizados con este fenómeno, de modo que, para contrarrestarlo, ajustan el dispositivo de cálculo numérico para que reaccione con menos sensibilidad. En otras palabras, hacen que el dispositivo de control numérico ignore las discrepancias menos importantes. Como resultado de ello, la precisión de las operaciones cae en picado o, por el contrario, se reduce notablemente la velocidad. En consecuencia, se puede afirmar que la vibración es el enemigo natural de la precisión y el tiempo de mecanizado.

Los motores lineales se venden como la característica definitiva al hablar de las características dinámicas de las máquinas-herramienta, supuestamente porque el tornillo esférico actúa a modo de barra de torsión. ¿Es esto realmente así cuando se compara con el principio de “Guiado desde el Centro de Gravedad”. La Fig.5 añade un motor lineal al gráfico anterior (Fig. 3).

Cuadro verde: es una máquina sin tecnologías DCG y con motor lineal, mientras que el cuadro naranja es una máquina con tecnología DCG y motor lineal. Los efectos del motor lineal son insignificantes en comparación con los del diseño “Guiado desde el Centro de Gravedad

Figura 5

Se dice que el diseño DCG resulta efectivo para mejorar la calidad de las superficies mecanizadas. Analicemos ahora con más detalle si es cierto. El mecanizado de superficies curvas es una parte muy importante del mecanizado de moldes y matrices. La superficie curva se puede considerar una sucesión de líneas poligonales sutiles: la dirección de su recorrido cambia ligeramente y en el mismo grado en cada esquina de la línea curva. Para poder realizar estos cambios sin sacrificar velocidad, es necesaria una aceleración potente, aún siendo los cambios de dirección muy leves. En todos los puntos en los que se inicia la aceleración se produce una vibración rotacional proporcional a la distancia entre el punto de guiado y el centro de gravedad. Esto se nota particularmente cuando el punto de mecanizado desciende por el lado de una cajera, llega al fondo y, a continuación cambia de sentido repentinamente.

Las líneas inestables en la imagen son trazos de un cambio de sentido repentino del punto de mecanizado en una máquina convencional. Sin embargo, la tecnología de “Guiado desde el Centro de Gravedad” llega al mismo corazón de la causa del deterioro en la calidad de la superficie mecanizada. Otro ejemplo de este tipo de cambio repentino de sentido es el recorte durante las operaciones de corte redondeado. Este problema ocurre cuando la herramienta efectúa el corte en la pieza de trabajo con un ángulo de 90, 180 ó 270º. La redondez es un aspecto muy importante al sustituir el taladrado por el contorneado utilizando una fresa universal radial, que realiza fácilmente las correcciones de diámetro. La tecnología de “Guiado desde el Cetro de Gravedad” también mejora la redondez (Fig. 6).

Figura 6

La innovación del sistema DCG es muy útil para reducir el tiempo de mecanizado. Las máquinas DCG producen una vibración muy pequeña al principio de la aceleración, lo que significa que pueden acelerarse con toda la potencia desde el inicio, mientras que las que no están dotadas con esta tecnología innovadora deben aplicar la energía de aceleración gradualmente, por temor a generar excesiva vibración cuando empiezan a acelerar. La Fig.7 muestra las máquinas que no son DCG arriba y, en la parte inferior están representadas las que sí corresponden a este diseño. Se aprecia claramente la diferencia en el tiempo preciso para alcanzar la máxima aceleración, cuando al empezar a acelerar, como indica la curva azul, se produce un intervalo muy grande hasta obtener la velocidad máxima.

Figura 7

¿Es necesario implementar la innovación del “Guiado desde el Centro de Gravedad” en todos los ejes? El objetivo de utilizar la tecnología de DCG es reducir la cantidad de vibraciones que se generan cuando el punto que se guía y el centro de gravedad del objeto que se está moviendo no coinciden. Si la diferencia es poco importante, no es necesario implementar esta tecnología innovadora. Pero es en este punto en el que entra en juego la idea de ganancia: examinémoslo con más detenimiento. La ganancia es un parámetro que se utiliza para controlar la precisión del movimiento de una máquina. Cuanto mayor sea la ganancia, más intenta la máquina moverse con precisión de acuerdo con las instrucciones de control. Algunas máquinas no pueden seguir estas instrucciones al pie de la letra, lo que provoca notables variaciones con respecto al movimiento programado. Los diseñadores de máquinas saben que se pueden ajustar niveles altos de ganancia en buenas máquinas, pero no en máquinas más mediocres, por lo que intentan descubrir formas de mejorar la ganancia en todo tipo de máquinas.

Husillo de transmisión directa

El tamaño de la ganancia puede variar en una misma máquina dependiendo de los ejes implicados. Algunos ejes pueden ofrecer altos valores de ganancia, mientras que otros no pueden. En Mori Seiki cree que esto depende de la distancia entre el centro de gravedad y el punto de guiado. En consecuencia resulta lógico decir que no es demasiado importante añadir husillo de bolas o utilizar una transmisión eje-centro muy precisa en ejes en los que las distancias son cortas y se pueden ajustar buenos valores de ganancia.

Tres fábricas a plena capacidad

Las tres principales plantas de producción de Mori Seiki se encuentran en Japón. Se trata de las plantas de Chiba, Iga y Nara. Una visita a estas fábricas, como la que MetalUnivers realizó recientemente, pone de manifiesto el por qué de la posición de liderazgo mundial de esta empresa nipona. Son fabricas equipadas con lo mejor en tecnología, con planes de gestión modernos y constantemente revisados, con una elevadísima cualificación académica de los trabajadores y, especialmente, con un muy relevante grado de implicación de los trabajadores y directivos con su empresa. En Iga trabajan 250 diseñadores, 100 en Nara y 80 en Chiba. Además, si algo diferencia a Mori Seiki de otros es la fabricación propia de los componentes críticos. Cuenta también con medios propios para pretratamientos, fundición y trabajo de chapa.

La fábrica de Chiba, con 390 empleados, ha finalizado recientemente su ampliación. Fabrica ahora unas 35 máquinas mensuales, principalmente los centros de torneado-fresado de la serie NT, la serie MT de células de mecanizado y el SuperMiller 400 para un mecanizado integral. Cuenta con lo último en almacenamiento, gestión y cambio de herramientas, control de temperatura de la fábrica, sistema de recogida y gestión de virutas, así como los más novedosos sistemas de mecanizados, acabados y automatización de procesos.

La planta de Iga, con 1.300 trabajadores, es la principal. Aquí se fabrican unas 400 máquinas al mes y los componentes principales de las máquinas, también para otras fábricas. Desde el pasado julio cuenta con instalaciones para la fundición de piezas, con capacidad para 200 toneladas al mes. Algunas cifras son sorprendentes: el servicio técnico recibe al día unas 1.000 llamadas, de las cuales unas 700 se pueden solucionar por teléfono. Es un departamento abierto las 24 horas del día que se aprovecha de las ventajas del control remoto.

En Nara, 538 empleados se dedican a la fabricación, entre otros, de las NX y Dura, unas 200 a 250 máquinas al mes en total.

Personal de control de calidad, de blanco, revisando una Dura en la planta de Nara.