Mecanizado preciso de piezas mediante robot CNC

Hay quien afirma que los materiales duros no pueden mecanizarse con precisión con robots de brazo articulado; Toolcraft se ha propuesto demostrar que no es así. Daniel Distler y Andreas Bauer utilizan el TwinCAT CNC y el control basado en PC de Beckhoff para implementar células robotizadas para el mecanizado preciso de componentes, incluidos bloques macizos de carburo de silicio y fundición gris.

Toolcraft sabe exactamente lo que necesita la industria transformadora, qué procesos y tecnologías funcionan en la práctica y cuáles no; y es que Toolcraft no solo fabrica para sus clientes utilizando sus 60 máquinas CNC, sino que también diseña, planifica y desarrolla sistemas de producción llave en mano para empresas de diversos sectores.

Fundada en 1989 como fabricante industrial para terceros, la empresa fue incorporando competencias en diversas tecnologías de fabricación, como el moldeo por inyección y la fabricación de moldes en 2005, y las tecnologías de fabricación aditiva en 2011. En 2015, la robótica se convirtió en la nueva división tecnológica de Toolcraft. “Independientemente de la tecnología en la que operemos, siempre queremos disponer del conocimiento necesario para ofrecer soluciones completas”, explica Daniel Distler, director de la división de robótica centrada en ventas y recursos humanos.

La gama abarca desde dispositivos sencillos hasta sistemas complejos integrados en las instalaciones del cliente. “Conectar nuevas máquinas a los controladores existentes en las instalaciones del cliente final no siempre es el método más sencillo, pero funciona cuando se utiliza tecnología de control flexible”, afirma Andreas Bauer, director de división de robótica de Toolcraft especializada en ingeniería.

Por ello, Andreas Bauer y Daniel Distler confían en el control basado en PC, incluso en las células de producción con robots de fresado de 7 ejes para el mecanizado CNC de componentes. “El TwinCAT CNC fue el primer controlador con una interfaz integrada para el sistema de control del robot Stäubli (TwinCAT Robotics uniVAL PLC, TF5130). Este paquete de tecnología facilitó considerablemente la ejecución del proyecto”, recuerda Andreas Bauer. Utilizando la célula de mecanizado diseñada por Toolcraft, un usuario puede fresar bastidores base para la producción de obleas a partir de grandes bloques de carburo de silicio y fundición gris. “En este caso, Toolcraft ya estaba utilizando nuestro TwinCAT CNC”, añade Alexander Klos, del departamento de ventas de la oficina de Beckhoff en Núremberg.

Al principio, el cliente seguía mecanizando los bloques con máquinas CNC convencionales de 5 ejes. Pero el fresado del material duro produce polvo ultrafino, que penetra en cada junta, guía lineal y rodamiento y provoca enormes problemas en poco tiempo. Las máquinas CNC se desgastaron rápidamente y requirieron una revisión a fondo. “Sabíamos que con el TwinCAT CNC podríamos alcanzar la precisión requerida de 0,2 mm en un área de mecanizado de hasta 1 m³, así como sellar los robots Stäubli y aplicar sobrepresión”, subraya Daniel Distler. Estas constataciones proceden de varios proyectos en los que, por ejemplo, se han desmontado por completo robots y se han sellado de tal forma que siguen funcionando con fiabilidad incluso a profundidades de hasta 20 m bajo el agua.

Los procesos completos de control y la supervisión del prototipo se ejecutan en un PC integrado CX2040 (abajo a la izquierda) con CPU Intel Core i7 y cuatro núcleos de procesador. Foto: Beckhoff.

El potencial de los robots en el mecanizado de piezas es enorme, pero ¿en qué aspectos hay que centrarse? “Hemos reflexionado profundamente preguntándonos hasta dónde queríamos llegar con el fresado robotizado y, por supuesto, cómo llegar hasta allí”, explica Daniel Distler. El objetivo no solo era mejorar la calidad del mecanizado y llevarla a un nuevo nivel sino también garantizar que los usuarios pudieran seguir creando los programas sin modificar su metodología de trabajo. Al inicio del proyecto, en 2018, se examinaron todos los componentes de una célula, desde un enfoque orientado a lograr la solución óptima: robot, mesa giratoria, cambiador de herramientas, husillo de fresado y, por supuesto, la tecnología de control. Andreas Bauer: “A partir de nuestra experiencia de los últimos ocho años, conocemos perfectamente los puntos fuertes y débiles de las distintas cinemáticas y diseños”. Esta experiencia se aplicó en colaboración con un proveedor de robots para desarrollar una cinemática capaz de aumentar la rigidez, la resistencia al polvo y al agua, la carga útil y el alcance.

El resultado es la configuración actual de una célula de mecanizado con robot CNC de gama alta con una nueva cinemática. “En la nueva generación, Toolcraft también utiliza servoaccionamientos y servomotores de Beckhoff, además del TwinCAT CNC“, añade Alexander Klos. El robot estaba equipado con engranajes de doble rodamiento en todos los ejes y codificadores en el lado de accionamiento y en el lado de salida. Además, se modificó el soporte del husillo. La base tecnológica de control del robot de fresado está formada por el potente PC embebido CX2040 en combinación con el panel de control multitáctil CNC CP3921-1502-0010, que se conecta al PC embebido mediante CP-Link 4 con un solo cable Ethernet (CAT.6A). El sistema se completa con los servomotores AM8000 y el servosistema multieje AX8000, así como con el CNC TwinCAT. Otros efectos secundarios positivos del nuevo diseño son los conjuntos de mangueras internas, que simplifican el manejo. Además, no se necesita un controlador de robot independiente, lo que libera espacio en el armario de control y reduce la complejidad del proyecto.

Los procesos de funcionamiento y la planificación de la trayectoria se ejecutan en código G, igual que en el CNC de 5 ejes, y se visualizan en un panel de control multitáctil CP3921 específico para el cliente. Foto: Beckhoff.

“Aunque Toolcraft empezó con TwinCAT CNC y PLC uniVAL TwinCAT Robotics, rápidamente fue posible migrar a otro tipo de robot con distintos sistemas de mecánica y cinemática, junto con nuestra tecnología de accionamiento y servoaccionamiento”, afirma Alexander Klos, que señala dos importantes propiedades del control basado en PC: la apertura del sistema y su flexibilidad. Por ejemplo, se pudieron integrar sin problemas los codificadores del lado de accionamiento y del lado de salida de los ejes del robot en los bloques de funciones de software de los controladores de ejes.

Además, con la cartera integrada de Beckhoff, que abarca desde CNC hasta servoaccionamientos y motores, la fabricación de herramientas se beneficia de opciones de optimización completamente diferentes. “El acceso directo a todos los parámetros y ajustes del proceso ha contribuido en gran medida a mejorar la precisión”, afirma Andreas Bauer. Por ejemplo, la ligera pero detectable histéresis del engranaje se compensó aún más mediante los codificadores del lado de salida y los algoritmos de control adecuados. Incluso cuando se aplican fuerzas elevadas, por ejemplo, durante el fresado de macizos o en función de la posición del punto central de la herramienta (TCP) en la zona de trabajo, los ejes responden con rapidez y precisión. “Además, la integración de los ciclos de medición y calibración garantiza la constancia de las propiedades”, añade Daniel Distler.

Toolcraft también mantiene la flexibilidad en la elección de sistemas de realimentación y en el uso de otras tecnologías: los servoaccionamientos admiten muchas interfaces de encóder y hay opciones adicionales disponibles a través de EtherCAT. “Pensamos constantemente en el futuro y estamos considerando integrar sistemas de cámaras para detectar y cargar automáticamente los componentes”, señala Andreas Bauer.

En el robot, los servomotores AM8000 de Beckhoff, junto con los codificadores en los lados de accionamiento y salida, garantizan movimientos precisos. Foto: Beckhoff.

Para las empresas de fabricación, es muy importante contar con una cadena de procesos que funcione, desde los planos CAD hasta el programa de mecanizado. Como señala Daniel Distler: “Nuestro enfoque consiste en quitar a los usuarios el miedo a manejar y programar los robots, al tiempo que les brindamos una mayor libertad en el mecanizado”. El control basado en PC también ayuda en este ámbito: los postprocesadores y la transformación de coordenadas se ejecutan en el PC integrado en paralelo con el control de trayectoria del robot CNC. Por tanto, los programas de mecanizado pueden programarse en G-Code como es habitual y generarse a partir de los programas CAD/CAM habituales. Daniel Distler explica: “Queremos que el robot se integre perfectamente con el software CAM del usuario”. Toolcraft también dispone de una plataforma de control flexible para este fin en forma de control basado en PC.