INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA UNIVERSIDAD DAVINCI
CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO CNC UNIDAD III CONTROL NUMÉRICO
TEMA 3.3 Dispositivos y sistemas de control
Facilitador y desarrollador de materiales: Victor Raúl Camargo Ruiz
Abril 2016 3.3 Dispositivos y sistemas de control Los principales dispositivos y sistemas de una máquina de Control Numérico son: •
Sistema de Transmisión.
•
Sistema de Movimiento.
•
Sistema de Cabezal.
•
Sistema de sujeción de pieza.
•
Sistema de Intercambio de herramienta.
•
Sistema de control.
•
Sistema de medición.
Cada sistema está integrado por dispositivos especializados para las funciones específicas. A continuación, haremos una descripción de estos sistemas.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Figura 3.3.1. Sistemas de transmisión. La transmisión de los movimientos se puede lograr a través de un conjunto integrado por un motor, un sistema lineal y otros elementos para lograr el
ensamble. La conversión del movimiento giratorio a desplazamiento se puede lograr mediante diversos arreglos como son: Tornillo y tuerca embalada. Generalmente de rosca M8 o M10. Por lo que la transmisión de movimientos es lenta.
Figura 3.3.2. Tornillo y tuerca embalada. Correa dentada. Consiste en una correa y una polea, ambas dentadas. Para transmitir potencia sin deslizamiento. Este conjunto tiene un paso de trabajo mayor que los demás sistemas por lo que su movimiento es más rápido.
Existen
diversos tipos de correas dentadas pero las más comúnmente usadas son los tipos T5, GT2, XL o HTD.
Figura 3.3.3. Correa dentada y polea. Husillos y tuercas con ruedas (bolas) recirculantes. Es el conjunto de mayor precisión, pero también es de mayor costo. Consiste en un conjunto de bolas
met谩licas que se desplazan unas a otras mientras la tuerca se mueve. Con ello se eliminan las imprecisiones ya que existe una precarga entre ellas. La fricci贸n es m铆nima gracias a que dichas bolas tienen un comportamiento semejante a un rodamiento.
Figura 3.3.4. Husillos y tuercas con ruedas recirculantes.
SISTEMA DE MOVIMIENTO
Figura 3.3.5. Sistemas de movimiento. El sistema de movimiento de un CN tiene la funci贸n de permitir los movimientos con suavidad y estabilidad. Los principales componentes que pueden integrar este sistema son:
•
Rodamientos, chumaceras y cojinetes. Permiten el movimiento giratorio entre dos componentes con suavidad y precisión. De acuerdo a las características requeridas se pueden usar diferentes tipos.
Figura 3.3.6. Rodamientos. •
Rodamientos, chumaceras y cojinetes lineales. Se usan para transmitir movimientos de traslación entre dos elementos.
Figura 3.3.7. Rodamiento Lineal. Figura 3.3.8. Chumacera lineal
Figura 3.3.9. Cojinete lineal.
•
Barras lineales. Son barras de alta precisión hechas comúnmente de acero AISI/SAE 1045 con un recubrimiento de 0.001 milímetros de cromo duro.
Figura 3.3.10. Barras lineales.
•
Guías lineales. Trabajan en conjunto con las barras para permitir estabilidad y precisión en los movimientos.
Figura 3.3.11. Barra lineal con base guía para chumacera abierta.
•
Herrajes para ensamble y soporte. Son elementos complementarios para ensamblar, estabilizar y fortalecer la estructura del sistema de movimientos y transmisión.
Figura 3.3.12. Herraje para ensamble. SISTEMA DE CABEZAL El cabezal cuenta principalmente con los siguientes componentes: โ ข
Husillo. El husillo es el principal componente del cabezal, ya que soporta al portaherramientas en el caso de la fresadora y soporta al Chuck en el caso de un torno. Se fabrica de acero resistente al impacto, y de su precisiรณn en el giro depende mucho la estabilidad de la mรกquina y los resultados del maquinado.
Figura 3.3.13. Husillo para fresadora. torno.
Figura 3.3.14. Husillo para
Figura 3.3.15. Columna central del
Figura 3.3.16. Chaqueta de
Husillo para fresadora.
husillo
•
Motor. Se utiliza un motor de corriente directa tipo shunt o bien un motor de corriente alterna trifásico jaula de ardilla o monofásico preferentemente de tipo universal. La potencia del motor será de acuerdo a los materiales a desbastar.
Figura 3.3.17. Motor de inducción. •
Variador de velocidad. Es el elemento que permite ajustar la velocidad de giro del husillo en el valor establecido para cada maquinado.
Figura 3.3.18. Variador de velocidad.
•
Tirador de pinzas. En el interior del husillo de una máquina fresadora o centro de maquinado, se cuenta con un sistema para el montaje y desmontaje rápido de los conos portaherramientas.
Figura 3.3.19. Tirador de pinzas del husillo con cono. SISTEMA DE CAMBIO DE HERRAMIENTA Las máquinas de control numérico utilizan cambiadores de herramientas conocidos como: •
Torreta. Es el cambiador de herramientas para torno.
•
Carrusel. Cambiador de herramientas para fresa.
Figura 3.3.20. Torreta.
Figura 3.3.21. Carrusel. Algunos cambiadores de herramientas cuentan con el desarrollo conocido como posicionado lógico, que consiste en buscar la ruta más corta para llegar a la posición de la herramienta deseada.
SISTEMA DE SUJECIÓN DE PIEZA La sujeción de piezas es muy importante para el proceso productivo. En el caso del torno se requiere una sujeción hidráulica debido a que la pieza se encuentra en movimiento generando un momento de rotación importante. La presión de salida de la bomba generalmente supera las 300 psi.
Figura 3.3.22. Chuck hidráulico.
Figura 3.3.23. Luneta para piezas largas. En el caso de una fresadora generalmente la sujeción de la pieza puede lograrse a través de dispositivos neumáticos (Mordazas neumáticas), ya que esta no se encuentra bajo velocidades altas o fuertes momentos de inercia, por lo que la presión de trabajo es la estándar industrial entre 80 y 120 psi.
Figura 3.3.24. Mordaza neumática para fresadora. SISTEMA DE MEDICIÓN
La medición de posición de la pieza se puede obtener mediante dos filosofías: •
La primera consiste en utilizar elementos que miden directamente la posición de los componentes utilizando para ello transductores lineales (Resolvers).
•
La segunda consiste en realizar una medición de la rotación de los husillos y realizar las conversiones necesarias para obtener el desplazamiento de la pieza, este método ocupa componentes más discretos (Revolvers), pero requiere cálculos de conversión.
Así mismo se establecen dos sistemas de medición basados en coordenadas: •
Medición por coordenadas incrementales. En este caso el último punto tocado por la herramienta se convierte en la posición de referencia para el próximo desplazamiento.
•
Medición por coordenadas absolutas. Es aquel sistema de medición que tiene un punto de referencia fijo para todas las dimensiones a determinar.
Los datos de salida de estos componentes pueden ser: Mediante un código digital binario. Mediante un valor de tensión. Mediante un valor de corriente. Lo anterior se logra ocupando transductores lineales o bien de rotación. A continuación, presentaremos los tipos más populares de estos componentes. Transductores Lineales Los sensores y transductores para medir distancias se clasifican en los siguientes tipos: Potenciómetros Lineales. Son transductores de distancia y posición por rozamiento. La medida se obtiene al deslizar un conjunto de escobillas sobre una pista plástica resistiva, que dará un valor proporcional en resistencia, de acuerdo a la posición. Se usa para distancias cortas,
generalmente menores a un metro, entregando valores máximos de 1, 5 o 10 kOhm.
Figura 3.3.25. Potenciómetro lineal.
Transductores Magnetoresistivos (Encoder Lineal magnético). Cuentan con una cinta magnética de hasta 30 m de longitud de una sola pieza. El dispositivo tiene dos componentes que son: la cinta magnética y el cabezal. Obteniendo una medición sin fricción, ya que el cabezal se desplaza a una distancia pequeña de la cinta. Al recorrer la cinta magnetizada, el cabezal genera una señal con dos canales que informan la referencia y el error.
Figura 3.3.26. Encoder lineal magnético.
Encoders lineales ópticos. Miden el desplazamiento lineal con una gran resolución y sin fricción. La medición se efectúa en una pista de cristal con un factor de escala.
Figura 3.3.27. Encoders lineales ópticos. Transductores de distancia inductivos (LVDTs). Son los más usados en máquinas herramientas. Debido a su principio de operación, la medida del desplazamiento se obtiene gracias al movimiento del núcleo dentro del cuerpo del sensor, modificando la amplitud de la señal inducida entre dos bobinas. Estos transductores comúnmente requieren de acondicionadores de señal para obtener respuestas en voltaje o corriente normalizados.
Figura 3.3.28. Transductores de distancia inductivos.
Transductores de rotación Los Transductores de rotación se clasifican en: Sensor de ángulo magnético o sensor de posición angular magnético. Se cuenta con dos elementos, un emisor y un receptor. El emisor es un imán que, al variar su posición, genera variación en los polos. El receptor detecta la posición del emisor y calcula el ángulo de manera absoluta. Teniendo la ventaja de que se pueden medir giros completos de 360º. Otra
ventaja se debe a la ausencia de fricción por lo que no hay desgaste en los componentes.
Figura 3.3.29. Sensor de posición angular magnético. Encoders incrementales magnéticos o encoders de anillo, Se destacan por no existir rozamiento entre el elemento sensor ni el detector. Consisten en aros magnéticos de varios diámetros que tienen un código grabado. El código es registrado por el cabezal que recoge esos impulsos magnéticos. Se pueden configurar resoluciones de más de 327000 impulsos.
Figura 3.3.30. Encoder incremental magnético. Sensores de ángulo inductivos o RVDT. Son sensores de posición angular, que cuentan con un núcleo móvil que se desplaza por un bobinado, haciendo variar la relación de tensión y fase entre dos bobinas una primaria
y otra secundaria. Debido a esto, los RVDT no tienen fricción por lo que se consideran sin desgaste.
Figura 3.3.31. Sensores de ángulo inductivos. Encoders absolutos. Proporcionan su salida mediante una palabra digital cuyo formato depende del tipo de encoder que se opere. Existen una gran cantidad de protocolos para la salida entre los que se destacan PROFIBUS, CANBUS y DEVICENET.
Figura 3.3.32. Encoders absolutos.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN El sistema de refrigeración tiene el objetivo de reducir la temperatura generada por los impactos entre los filos de la herramienta y la pieza. De este modo se tienen dos grandes beneficios: •
Alargar la vida de la herramienta.
•
Permitir mayores velocidades de fabricación.
Tipos de refrigerantes Los principales tipos son:
1. Los aceite íntegros. 2. Las emulsiones oleosas. 3. Las "soluciones" semi‐sintéticas. 4. Las soluciones sintéticas. En muchos casos contienen aditivos azufrados de extrema presión, parafinas cloradas y cada vez se fundamentan más en aceites sintéticos (poliglicoles y ésteres). Pudiendo contar con lubricantes sólidos como grafito, MoS 2 o ZnS2. A los tipos 2,3 y 4 se les conoce como Taladrinas El refrigerante puede suministrarse a través de un sistema consistente en un tanque con filtros, una bomba y un sistema de tuberías que lo llevan hasta la punta de la herramienta en contacto con la pieza. De esta forma tenemos dos tipos de sistemas de refrigeración: •
Refrigeración a través de mangueras. Es el método más común, pero presenta la inconveniencia de que con el cambio de los parámetros de la herramienta la aplicación del refrigerante no siempre llega al lugar conveniente.
•
Refrigeración directa, que utiliza el cuerpo de la herramienta y portaherramientas para aplicar de la mejor manera el refrigerante.
Figura 3.3.33. Refrigeración directa.
SISTEMA DE CONTROL Los dispositivos que integran el sistema de control son: El controlador Principal. Su funciรณn es integrar y coordinar las acciones del conjunto de dispositivos.
Figura 3.3.34. Controladores principales. Panel de interfase Hombre mรกquina. Compuesta por un teclado con pantalla y panel de control para funciones. En muchas ocasiones el control principal y el panel de interfase son parte de un mismo componente.
Figura 3.3.35. Panel de interfase Hombre mรกquina.
Los principales elementos de este panel de control son: •
Botón de encendido de computadora.
•
Botón de paro de sistema.
•
Botón de inicio de ciclo.
•
Botón de detención de ciclo.
•
Botón de paro de emergencia.
•
Botón de encendido de motores.
•
Selector de velocidad de husillo.
•
Selector de velocidad de avance
•
Selector de Modos (Control de ejes por Handweel, Cero pieza, Manual Data Input, Movimientos de eje por Jog)
•
Selector de velocidad de movimientos rápidos.
•
Botones de movimiento de ejes.
•
Botón de control a Handweel
•
Botones de funciones misceláneas (Encendido de refrigerante, encendido de inyector de aire, entre otros)
Controladores de ejes. Constituidos por amplificadores de señales individuales para cada servomotor.
Figura 3.3.36. Controlador de eje.
Controlador del husillo. Es un variador de velocidad para motores de corriente directa o bien de corriente alterna.
Figura 3.3.37. Variador de velocidad con servomotor para el husillo de máquina de CN. Controlador de funciones misceláneas. Generalmente es un PLC destinado a manejar un grupo de acciones como: •
Encender/apagar refrigerante.
•
Sujetar/soltar pieza.
•
Activar/regresar contrapunto.
•
Activar paro por sobrecorrimiento.
•
Activar alto por Home.
•
Abrir/cerrar puerta.
Figura 3.3.38. Controlador Lógico Programable.
Controlador de mano (Hand Wheel). Diseñado para mover manualmente los ejes de la mesa y del cabezal. Se utiliza para preparar el maquinado y realizar ajustes.
Figura 3.3.39. Handwheel.
CIERRE DEL TEMA Los dispositivos y sistemas de control de una máquina de Control Numérico, definen la precisión, velocidad
y fuerza con la que se desarrollarán los
movimientos de fabricación. Por lo cual la selección e integración de estos
componentes a las mรกquinas herramientas debe realizarse de manera acorde a las necesidades productivas de la empresa.
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