Las máquinas de control numérico están ahora presentes en multitud de industrias, y también en otras empresas como los talleres donde se realiza mecanizado de metal u otros materiales. Con este tipo de máquinas se permite ahorrar tiempo y poder realizar mecanizados en piezas con mucha más precisión a los métodos manuales con otro tipo de herramientas manejadas por los operarios mediante volantes, palancas, o con sus propias manos.
CNC significa Control numérico Computarizado o por computador
Este tipo de máquinas consiguió mejorar mucho la calidad de las piezas conseguidas, abaratar costes, aumentar la productividad, y lo que es más importante, conseguir mayor homogeneidad entre las piezas producidas por estos métodos.
Índice
Introducción
Cuando se fabrican piezas, en muchas ocasiones se necesita que tengan unas dimensiones y forma específica, además de necesitar una estructura, composición, resistencia a esfuerzos determinada, etc. La mejor forma de conseguir fabricar esas piezas con las características técnicas necesarias es mediante el análisis y diseño de todas las variables que influyen en la calidad de la pieza por parte de un ingeniero.
El ingeniero puede realizar una serie de cálculos mediante ordenador para determinar cómo debe ser la pieza final para que pueda cumplir su acometido. Pero si, una vez obtenga estos datos, la pieza no es fabricada con exactitud, todo su trabajo podría verse comprometido. Por ejemplo, se podría alterar la rigidez estructural, la flexión, vibraciones, etc. Para que el trabajo se realice de la forma precisa, la solución son estas máquinas de control numérico para el mecanizado, como podrás comprobar en los siguientes apartados.
Historia
Desde principios del siglo XX se han venido usando máquinas impulsadas por energía motriz en la industria. Fue un primer paso en la búsqueda constante de productividad y eficiencia. En esa época, a pesar de la mecanización, las máquinas aún no habían desplazado a la mano de obra, que seguía siendo muy importante. Eso hacía que los costes de producción fueran mayores, con mayor lentitud, y menores ganancias, calidad y precisión obtenida.
Las máquinas de control tienen sus orígenes en los años 40 y 50, en Estados Unidos. Entonces, el ingeniero John T. Parsons usó máquinas existentes en aquella época con unas modificaciones para que se le pudieran pasar los números mediante tarjetas perforadas. De esa manera, el operario podría introducir dichas tarjetas y que los motores pudieran realizar los movimientos exactos necesarios para el mecanizado de la pieza. Eso era mucho mejor que los anteriores sistemas de actuación manual mediante palancas o volantes que movían los operarios, pero que podrían no ser suficientemente precisos para ciertas aplicaciones.
Aquella máquina de Parsons no era más que una fresadora con tecnología de válvulas de vacío que se podía programar mediante la carga de datos. Desde entonces, estas máquinas de control numérico primitivas fueron evolucionando hasta sistemas mucho más precisos usando la tecnología electrónica de control analógico y, más tarde, digital.
Un gran paso fue cuando las válvulas de vacío se reemplazaron por transistores, y luego los circuitos por chips. Eso produjo un gran cambio en la industria, y con el abaratamiento de los microcontroladores (MCU), se propició que las máquinas tuvieran sistemas mucho más inteligentes y programables para el mecanizado.
Eso haría que surgieran las actuales máquinas de control numérico computarizado o CNC (Control Numérico por Computadora) en los años 70, sentando las bases de las máquinas CNC tal como las conocemos en la actualidad. Poco a poco comenzaban a a ser cada vez más baratas y más fáciles de programar, hasta extenderse por multitud de sectores industriales y talleres de todo tipo de tamaño.
En los años 90 también se produciría otro gran salto, cuando se introdujo una tecnología de control numérico abierto. Eso no solo permitía un control mediante datos, sino que además permitía la personalización e incorporación de ciertos ajustes mediante la programación gracias a interfaces gráficas cada vez más intuitivas.
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Máquinas CNC
Los principios de funcionamiento de las máquinas de control numérico o CNC son bastante simples. Cuando se quiere mecanizar una pieza se necesitan una serie de herramientas: fresadoras, sierras, taladradoras, etc. Estas herramientas, en vez de ser dirigidas por una persona, ahora pueden programarse mediante sistemas de coordenadas para que puedan operar sobre la pieza de forma precisa.
Su funcionamiento es muy similar al de las actuales impresoras 3D, ya que usan unos ejes para mover el cabezal (de hecho, las impresoras 3D se pueden entender como un tipo especial de máquina CNC). Solo que en vez de un cabezal de impresión, se pueden usar multitud de herramientas (tornos, láser, rectificadora, chorro de agua, electroerosión, prensa, herramientas de corte, perforación, soldador, brazo robotizado,…). Cuando recibe los datos, se moverán usando desplazamientos longitudinales (eje X), transversales (eje Z) y verticales (eje Y). Algunas también tienen ejes giratorios A, B y C.
Al igual que las impresoras 3D, para poder realizar esos movimientos también se emplean servomotores. Solo se necesita el código o software adecuado para programar los movimientos de dichos servomotores para conseguir los magníficos resultados que tienen estas máquinas.
Además de los motores, toda máquina de control numérico o CNC tiene unos elementos esenciales:
- Dispositivo de entrada: es el sistema que se usa para poder cargar o modificar los datos.
- Unidad de control o microcontrolador: es el chip central que es capaz de interpretar los datos introducidos y gestionar el movimiento de los servomotores para que hagan exactamente lo que dicen los datos aportados.
- Herramienta: es el cabezal que actúa sobre la pieza.
- Sistema de sujeción/soporte: donde se ancla la pieza para realizar el proceso sin que se mueva. Estos sistemas, dependiendo del tipo de mecanizado podrían tener elementos extra, como recordarás, por ejemplo, de las máquinas de corte por chorro de agua que ya analizamos en un artículo previo. En ese caso, se necesitaba una estructura para recoger el agua y disipar de algún modo la enorme potencia del chorro de agua.
- Sistema de accionamiento e interfaz: son los controles mediante los que se puede operar o controlar la máquina. Además, la interfaz también puede ofrecer información o monitorización del proceso.
Ventajas y desventajas de una CNC
Como todo sistema, las máquinas de control numérico tienen sus ventajas y desventajas. Evidentemente, sus ventajas son claramente superiores, y hacen que pese a las desventajas merezca la pena usar este tipo de mecanizado en la mayoría de los casos.
Atendiendo a las ventajas de las máquinas CNC, hay que destacar:
- La automatización permite controlar y llevar a cabo procesos de fabricación sin esfuerzo humano.
- Aumenta la rapidez y productividad. Lo que permite reducir costes y aumentar el beneficio de la empresa.
- Permite fabricar todo tipo de piezas y realizar multitud de procesos desde la materia prima hasta un producto ya terminado en algunos casos.
- Se programan de forma fácil, con mucha exactitud. Eso mejora la calidad de piezas y reduce los costes por piezas defectuosas.
- Al ser programables también presentan una gran adaptabilidad.
- Como no se operan mediante personal, se reducen los costes de mantenimiento por un uso inadecuado de las herramientas.
Todas esas ventajas habría que sopesarlas en conjunto con sus desventajas:
- La reducción de la mano de obra necesaria (desde el punto de vista del desempleo).
- Alto coste inicial de estas máquinas.
- Especialización. Algunas de estas máquinas se centran en el fresado, el taladrado, la soldadura, etc. Mientras que un operario podría hacer varias de esas tareas si fuese necesario. No obstante, los modernos centros de mecanizado no solo usan una herramienta, sino que pueden tener hasta 100 o más herramientas disponibles para usar y que se cambian de forma automática para realizar multitud de funciones diferentes.
Tipos de programación para una CNC
Las máquinas CNC se pueden programar mediante dos métodos fundamentales:
- Manual: la programación se hace introduciendo la información que se desea en un intérprete de órdenes. Se hace mediante un código alfanumérico, como el de la norma DIN 66024 y 66025.
- Automática: en este caso se realizan mediante un computador. Una persona habrá introducido una serie de datos para crear la pieza en un software y estos datos se traducen en instrucciones para la máquina CNC en un lenguaje llamado APT. Luego se traduce a un lenguaje máquina (unos y ceros) que será comprensible por el microcontrolador de la máquina CNC para realizar el mecanizado.
Evidentemente, en la actualidad las que se han impuesto por sus ventajas y facilidad de uso son las automáticas.
Lenguaje APT
El lenguaje APT, mediante el que se programan las máquinas CNC, es un lenguaje de alto nivel de programación que se usa como código intermedio antes de ser traducido a un código máquina para que pueda ser interpretado por la máquina.
Fue creado en el MIT por Douglas T. Ross, y lo crearon para el laboratorio de servomecanismos en 1956. Actualmente, se ha transformado en un estándar internacional para el control numérico de este tipo de mecanizado.
Se considera como el predecesor de los modernos CAM (Computer-Aided Manufacturing), y comparte muchas similitudes con otros lenguajes de programación antiguos como FORTRAN. Su labor es la de usar los datos de los programas para manejar las máquinas de control numérico con ellos.
Es decir, los comandos APT serán transformados mediante el software en instrucciones para cargar en la memoria del microcontrolador de la máquina CNC (como datos binarios) y éste chip de control se encargará de transformarlas en señales eléctricas para poder controlar los servomotores y herramientas.
Las instrucciones de APT pueden hacer referencia a multitud de controles sobre la máquina de control numérico. Por ejemplo:
- Pueden indicar la velocidad y activación del husillo (RPM).
- Funciones auxiliares como la rotación, parada programada, si se tiene que cambiar de herramienta automáticamente…
- La necesidad de refrigerante.
- Los movimientos en direcciones (X,Y,Z y A,B,C).
- Funciones preparatorias (temporización, trayectoria, ciclos de repetición,…).
Evidentemente, los actuales sistemas posibilitan que los operarios no tengan por qué conocer el lenguaje APT, sino que el software se encargará de todo para que el proceso se realice de forma transparente. Los diseñadores de las piezas tan solo tienen que centrarse en crear la pieza que desean con programas tipo CAD.
Del DNC a las modernas interfaces
Por último, debes saber algo sobre el término DNC (Direct Numerical Control). Este sistema se usa para cargar en el controlador los datos necesarios para el mecanizado. Es decir, es el medio por el cual lo programado en el software CAM, o mediante APT, se carga en la máquina de control programado.
Básicamente es un computador conectado a una red en la que existe una o varias máquinas CNC. Antes se solía usar comunicaciones serie tipo RS-232C o RS422, pero las nuevas tecnologías de comunicación han mejorado estas interfaces hacia las Ethernet, e incluso inalámbricas.
En algunos casos, este ordenador (que puede ser el mismo que se emplea para el diseño), también almacena el programa o instrucciones que irán alimentando a la máquina CNC. El motivo es que algunos microcontroladores de estas máquinas tienen una memoria demasiado pequeña como para poder albergar el programa de mecanizado entero.
En los 80s, los equipos usados para esto eran estaciones de trabajo de DEC, IBM, HP, Sun Microsystems, etc. Poco a poco han ido siendo máquinas más baratas hasta los actuales PCs x86. Minicomputadoras mucho más baratas y capaces de ejecutar la inmensa cantidad de software CAD/CAM existente.
Recientemente, algunas interfaces gráficas con pantallas táctiles y computadoras integradas en las propias máquinas de control numérico hace que no sean necesario otros equipos computerizados adicionales. Todo lo necesario lo tiene la propia máquina o permiten cargar el programa mediante un simple pendrive.