Embed Size (px)
Citation preview
Umbral Científico
ISSN: 1692-3375
Universidad Manuela Beltrán
Colombia
Villarreal, Edwin
Prototipo CNC para el torneado en serie de metales
Umbral Científico, núm. 12, junio, 2008, pp. 8-19
Universidad Manuela Beltrán
Bogotá, Colombia
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=30401202
Cómo citar el artículo
Número completo
Más información del artículo
Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal
Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
8 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO
EN SERIE DE METALES
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
Umbral Científico Bogotá Colombia Nº 12 p.8 - 19 Junio 2008
Edwin Villarreal
Fecha de recepcion: Octubre 30 de 2007Fecha de Aceptacion: Mayo 27 de 2008
Edwin Villarreal López1
RESUMEN
EL artículo tiene como objetivo presentar los aspectos principales del diseño y la implementación de un prototipo de torno CNC multiherramienta enfocado en la fabricación de piezas en serie a partir de barras de materiales metálicos. El prototipo desarrollado tiene características industriales en cuanto a: robustez, vida útil, precisión, flexibilidad y elevada productividad. Inicialmente se identifican los componentes principales de la máquina y luego se describen en detalle los procedimientos de diseño para los módulos; mecánico, electrónico y de software. Se muestran los resultados finales de la integración de estos componentes y se dan algunas características funcionales del prototipo final. Por último, se enumeran algunas conclusiones y se formulan futuras etapas de la investigación.
PALABRAS CLAVE Torno automático, CNC, Control motores de paso
ABSTRACTThe aim of the article is to present the main aspects of the design and construction of a CNC multi-tool lathe. The prototype is focused mainly in the series manufacturing of parts from bars of metallic materials. The developed machine has industrial features in terms of robustness, accuracy, flexibility and high productivity. First, the main components of the prototype are identified and then the design procedures of the mechanical, electronic and control modules are described in detail. The result of the final integration is then presented and some of the functional specifications of the prototype are given. Finally, some conclusions and future stages of the research are formuled.
KEYWORDS Automatic lathe, CNC, stepper motors driving
1 Ingeniero de Diseño y Automatización Electrónica, Universidad de la Salle. Magister en Automatización Industrial, Universidad Nacional de Colombia. Candidato a Doctorado en Ingeniería de Sistemas y Computación, Universidad Nacional de Colombia. Docente investigador e Integrante del Grupo de Investigación en Aplicabilidad Tecnológica, Universidad Manuela Beltrán.
UMBRAL CIENTÍFICO/ 9
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
INTRODUCCIÓN
En la pequeña y mediana industria colombiana de hoy en día, se vive una realidad técnica muy lejana a la vista en las universidades y en las industrias a gran escala, dado que la mayoría de los procesos productivos realizados en éstas industrias en desarrollo son muy antiguos y presentan un atraso significativo al compararlos con el actual nivel tecnológico mundial.
Esta diferencia abismal se debe principalmente al poco poder adquisitivo de estas industrias, al elevado costo que aún tienen las máquinas modernas y a la incapacidad de las pequeñas empresas de acceder a créditos que les permitan renovar su maquinaria, lo cual genera poca productividad. Todo esto constituye un círculo vicioso que poco a poco ha ido frenando el desarrollo de la industria tecnológica en Colombia, y en general, en los países en desarrollo.
Existen diversos esfuerzos institucionales como el Instituto de Fomento Industrial y el Fondo Nacional de Productividad y Competitividad que buscan hacer frente a estas dificultades. Sin embargo aún no son lo suficientemente efectivos, hecho que se ve reflejado en la difícil situación que afronta este sector en la actualidad.
Como un aporte a la solución de esta problemática para un ámbito industrial en particular, en este trabajo se presenta el desarrollo de un prototipo automatizado de un torno, máquina de amplia acogida en el sector metalmecánico debido principalmente a su capacidad de elaborar una gran variedad de piezas diferentes con cortos tiempos de preparación, y bajos costos de operación.
En este articulo, inicialmente se tratan algunas generalidades acerca de este tipo de máquinas para luego entrar en detalle en la propuesta de diseño de cada uno de sus componentes principales. Luego se presentan algunos de los resultados de las pruebas realizadas al prototipo implementado y finalmente se dan algunas conclusiones del trabajo desarrollado.
CONTEXTUALIZACIÓN
Un torno es una máquina herramienta capaz de modificar la geometría cilíndrica de una pieza mediante el arranque de viruta [4]. La pieza mecanizada gira sobre su propio eje, mientras que una herramienta de corte es forzada a desplazarse dentro de su superficie, generando así el desprendimiento de una delgada capa de material (viruta). La Figura 1 ilustra el proceso de torneado, en donde 1 es la pieza a mecanizar, 2 es la herramienta de corte y 3 es el nuevo diámetro exterior obtenido.
Figura 1. Proceso de Torneado
En un torno convencional el movimiento de las herramientas es ejecutado por el operario, sin embargo, en la época actual, la industria se ha vuelto tan competitiva que ya no resulta rentable la fabricación de muchos productos en forma manual, lo cual ha obligado al
10 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
industrial a modernizar sus procesos. Esto ha dado origen a una amplia variedad de tornos automáticos de distintos tipos: hidráulicos, mecánicos, eléctricos, de control numérico, entre otros. Esta clasificación va de acuerdo al tipo de accionamiento de sus mecanismos. La Tabla 1 resume las principales ventajas y desventajas de estas configuraciones, de donde se destacan como los más flexibles los de control numérico CNC2, pero a su vez, como los más costosos.
Tabla 1. Comparativo de Distintos Tornos Automáticos
Tipo de accionamiento Actuador Ventajas Desventajas
Mecánico Levas, engranes ypalancas
Máseconómicos,
mecanizados simultáneos
Más susceptible al desgaste de sus
componentes
Eléctrico Motorreductores Menos complejos Largo tiempo de preparación
Hidráulicos Cilindros hidráulicos Robustos
DificultadesPara variar el
avance variar el avance
CNC Motores de pasoy servos Flexibles
Mecanizadoindividual(1
herramienta a la vez), Costosos.
Sin importar que tipo de accionamiento se utilice, en un torno se identifican los siguientes componentes principales: Cabezal (donde se sujeta la pieza), Contrapunta (utilizada para dar estabilidad al torneado y para ubicar herramientas para agujeros), Carro longitudinal y Carro transversal que es donde se ubica la herramienta (vea Figura 2) y la bancada que sirve como base para los demás componentes y además permite que el carro longitudinal se deslice sobre ella.
Figura 2. Geometría General del Torno3
2 Siglas de Computer Numerical Control3 Tomado de http://design.me.washington.edu. Fecha de consulta (09-07-2008)
UMBRAL CIENTÍFICO/ 11
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
En este trabajo se presenta el diseño de un prototipo de torno con control numérico que cuenta con dos accionamientos de herramienta completamente independientes, uno para operaciones de cilindrado y tronzado, ubicado sobre el carro transversal y el otro ubicado en la contrapunta, equipado con un intercambiador de 6 herramientas diferentes para la elaboración de agujeros. Esta configuración permite ejecutar mecanizados simultáneos, lo que a su vez, incrementa la productividad de la máquina.
Además, el sistema de sujeción de la pieza ubicado en el cabezal, está enfocado en la elaboración de piezas en serie, mediante un sistema de pinza-boquilla, lo que permite que la barra de material en bruto avance libremente una vez se termine el mecanizado de una pieza, sin necesidad de detener la máquina.En las siguientes secciones se describe en detalle el diseño de los distintos componentes del sistema.
METODOLOGÍA DE DISEÑO
La Figura 3 ilustra los bloques principales que constituyen el prototipo propuesto.
Figura 3. Componentes del sistema
Para el diseño del sistema mecánico, se utilizaron conceptos básicos de resistencia de materiales y estática [2], complementados por los resultados de software de Diseño Asistido por Computador4 (DAC), mientras que para el módulo de componentes electrónicos, el proceso de diseño se fundamentó en la teoría de la electrónica de potencia [5] junto con una herramienta de diseño y simulación de circuitos electrónicos5.
Por último, para la implementación de las rutinas de control, se utilizó el lenguaje C++ [8], junto con un compilador compatible6.
RESULTADOS
SISTEMA MECÁNICO PROPUESTO
Tabla 2. Requerimientos Máximos para el Material a Mecanizar
Diam. Máx. 25mm
Material más duro a mecanizar Acero AISI-SAE 1020
Dureza Brinell 200
Avance máx. en cm/rev 0.1
Profundidad de corte en cm. 0.15
4 Solid EdgeTM y Solid WorksTM
5 OrcadTM
6 Turbo C++ CompilerTM V.3.0
12 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
La Tabla 2 muestra los límites máximos de la máquina en cuanto a diámetro máximo de la barra a mecanizar, dureza del material, avance y profundidad de corte. Una vez se definieron los principales requerimientos de diseño de la máquina se calcularon las fuerzas presentes en el proceso de torneado mediante las ecuaciones planteadas en [1], obteniendo los siguientes valores:
FX = 244N (1)FY = 2712N (2)FZ = 488,1N (3)
Donde FX, FY y FZ son las componentes de las fuerzas de corte en los ejes X, Y y Z, respectivamente.
La orientación de estas fuerzas se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Orientación de las Fuerzas de Corte
Bancada•
Una vez se tienen las fuerzas producidas en el proceso de torneado, se realizó el diseño estructural de la bancada, teniendo en cuenta:
No exceder los esfuerzos máximos admisibles de los materiales que la o componen.
Se establece como deformación máxima admisible de la bancada 5 o centésimas de milímetro
La estructura diseñada no debe fallar por fatigao
Dado que sobre la bancada se desliza el carro longitudinal y la contrapunta, o esta debe ser altamente resistente al desgaste
Debe estar en capacidad de absorber las vibraciones producidas en el o torneado.
Una vez realizados los cálculos de esfuerzos y deformaciones máximas [2] y los análisis de fatiga [3], se obtuvo la geometría mostrada en la Figura 5.
Figura 5. Bancada
UMBRAL CIENTÍFICO/ 13
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
La parte inferior está compuesta por dos perfiles en U de acero de bajo carbono mientras que las guías superiores, son de fundición gris. La combinación de estos materiales permite aprovechar, tanto la gran resistencia y bajo costo del acero, como la alta resistencia al desgaste y capacidad de absorción de vibraciones de la fundición gris. Esta última, además, fue sometida a un tratamiento térmico con el objetivo de extender su vida útil.
Por último, el perfil triangular seleccionado tiene la cualidad de ser auto-ajustable. Esta geometría es la más usual en este tipo de máquinas.
Cabezal•
Los requerimientos de diseño principales para los componentes del cabezal son:No se deben exceder la torsión ni la flexión máxima admisible en el husilloo
Los componentes no deben fallar por fatigao
Debe permitir la ubicación del sistema de sujeción de materia prima, así o como los depósitos de lubricante
El husillo de la máquina fue construido en acero de cementación para obtener alta resistencia al desgaste y sus dimensiones se hallaron teniendo en cuenta los análisis de esfuerzos, deformaciones y fatiga.
Para el sistema de sujeción de materia prima se utilizó el sistema pinza - boquilla, convencional en este tipo de máquinas automáticas, y su accionamiento se realiza mediante un actuador hidráulico. La Figura 6 muestra la geometría de la pinza utilizada. La barra se desliza por el agujero central mientras que el agarre se realiza mediante el movimiento en la dirección de las flechas de los componentes.
Figura 6. Pinza de Sujeción de Materia Prima
Carros longitudinal y transversal y contrapunta Multiherramienta•
Tales componentes fueron diseñados con el objetivo de poder ubicar en ellos la mayor cantidad de herramientas posible. Se tienen dos herramientas para tareas de cilindrado y tronzado ubicadas en el carro transversal mientras que seis herramientas intercambiables son dedicadas a la elaboración de agujeros de distintos tipos se ubicaron en la contrapunta.
Estas partes fueron construidas en fundición gris endurecida para garantizar su resistencia y capacidad de absorción de vibraciones.
La Figura 7 muestra el diseño virtual de la máquina implementada en donde se especifican los componentes principales.
14 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
Figura 7. Prototipo Diseñado
SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO DISEÑADO
Transmisión principal•
El motor principal fue seleccionado teniendo en cuenta nuevamente las fuerzas de corte calculadas en la sección anterior. En este prototipo no se incluyó un control electrónico de velocidad. En su lugar se utilizó un sistema de transmisión por polea-correa con tres velocidades diferentes. Este mismo motor es utilizado para impulsar el sistema hidráulico de sujeción de materia prima. La Tabla 3 indica las principales características de este sistema.
Tabla 3. Especificaciones del Sistema de Transmisión
Sistema de transmisiónPotencia del motor 2 Hp a 1750 rpmNúmero de fases 3-220v
Velocidades de rotación del husillo en rpm 750-1050-1500
Caudal bomba hidráulica 0.97 Gal/min
Accionamiento de los Carros•
Se utilizaron motores de paso IMS3450 de 75 voltios a 5 amperios con un controlador micropaso de corriente constante con una resolución de hasta 52000 pulsos por vuelta, junto con tornillos de rosca trapecial con paso milimétrico de 4mm. Para la selección de dichos componentes se consideraron las curvas de torque vs velocidad en pasos por segundo (Figura 8), de tal forma que se garantice un avance máximo de 1 metro/minuto a plena carga.
Figura 8. Torque vs. Velocidad para Motor IMS3450. Fuente [7]
UMBRAL CIENTÍFICO/ 15
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
El accionamiento del giro del cabezal intercambiador de herramientas se realiza también mediante un motor de pasos con un sistema de transmisión piñón-cadena y complementado con un sistema de bloqueo electromagnético que evita giros indeseados.
Esquema general de control•
La Figura 9 ilustra el esquema general utilizado por la máquina para convertir las señales lógicas en niveles eléctricos que puedan ser interpretados por los diferentes actuadores.
Figura 9. Esquema General de Control
Inicialmente se realiza un aislamiento de tipo óptico (vea [5]) que evita interferencia en el módulo de control por parte de los ruidos generados por los dispositivos de potencia.
Posteriormente se amplifican las señales aisladas, por un lado, para los controladores de paso y por otro para la activación de los relevos de estado sólido (vea [5]) encargados de controlar, la electroválvula del sistema de sujeción de material, el encendido del motor principal trifásico y el sistema de circulación de refrigerante.
Finalmente, para la alimentación de los motores de paso, se implementaron dos fuentes de 75 VDC y hasta 8 Amperios no reguladas mientras que para los demás dispositivos se utiliza una alimentación de 110 VAC.
SOFTWARE DE CONTROL
Puesto que no se ha diseñado ningún módulo de control intermedio entre el PC y la máquina, el volumen de información a enviar a través del puerto de comunicación es relativamente grande y depende de la resolución escogida para los controladores de los motores de paso. Por lo tanto, para hacer uso exclusivo de todos los recursos del PC se implementó el software de control bajo DOS, un sistema operativo monoproceso, y utilizando C++ como plataforma de desarrollo.
16 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
La comunicación entre el PC de control y la máquina se realiza por medio del puerto paralelo utilizando 11 de las salidas disponibles. Ninguna de las entradas del puerto es utilizada puesto que el control realizado en el prototipo es de lazo abierto, dada la considerable precisión de los motores utilizados. Las distintas secuencias de movimientos a realizar por la máquina pueden ser creadas y modificadas mediante cualquier editor de texto.
Comandos Implementados•
G01 X___ Z___ F___: comando de interpolación recta que lleva la o herramienta de la posición actual a la posición X y Z con un avance F siguiendo una línea recta. Las coordenadas están dadas de manera global y en centésimas de milímetro, y el avance F está dado en centímetros por minuto.
G03 X___Z___F___: comando de interpolación cóncava [6] que lleva o la herramienta de la posición actual a la posición X y Z con un avance F siguiendo una trayectoria circular cóncava. Las coordenadas están dadas de manera global y en centésimas de milímetro, y el avance F está dado en centímetros por minuto.
G04 X___Z___F___: comando de interpolación convexa [6] que lleva la o herramienta de la posición actual a la posición X y Z con un avance F siguiendo una trayectoria circular convexa.
G77 Z___F___: comando que desplaza la contrapunta multiherramienta o de la posición actual a la nueva coordenada Z suministrada por el usuario con un avance F. Las coordenadas están dadas de manera global y en centésimas de milímetro, y el avance F está dado en centímetros por minuto.
G88 M___: comando para el encendido y apagado del motor principal y o la bomba de liquido refrigerante. El valor puede ser 1 para encendido o 0 para apagado.
G90 H___: comando para sujetar el materialo
G95 T___: comando para seleccionar la herramienta en la torreta, el o valor puede ser cualquier número entre 1 y 6.
Creación de un programa•
Para crear un programa únicamente es necesario escribir la secuencia de comandos deseada, cada una en un renglón diferente, así:
g88 m1 //enciende el motoro
g01 x3100 z600 f35 //lleva el carro a la coordenada 3100,600 con un o avance de 35cm/min
g90 h0 //abre la boquillao
g90 h1 //cierra la boquillao
UMBRAL CIENTÍFICO/ 17
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
g01 x0 z0 f35 //lleva el carro a 0,0 con avance de 35 cm/min o
g01 x-2150 z0 f35 //mueve el carro a -2150,0 con un avance de 35cm/o min
g01 x-2150 z300 f800 //mueve el carro a -2150,300 con un avance o rápido
g88 m0 //Apaga el motoro
Funciones adicionales•
El software cuenta con las rutinas básicas para leer y visualizar archivos. Además, permite la ejecución de programas instrucción por instrucción, así como de forma cíclica. También cuenta con un modo de operación manual que le permite al usuario desplazar y activar los distintos mecanismos por medio del teclado, así como la definición de los distintos puntos de referencia de programa.
Por último, cuenta con una interfaz gráfica que permite la visualización de la ejecución de las rutinas que hacen parte de un programa con el objetivo de depurar errores antes de su ejecución.
En la Figura 10 se muestra el material removido, el perfil de la pieza obtenida y la trayectoria seguida por la herramienta.
Figura 10. Interfaz de visualización
IMPLEMENTACIÓN FINAL DEL EQUIPO
La Figura 11 muestra la implementación final del prototipo. Los componentes principales fueron instalados dentro de una cubierta con le objetivo de mejorar su presentación y reducir el ruido ocasionado por su funcionamiento.
Figura 11. Implementación Concluida
18 /UMBRAL CIENTÍFICO
PROTOTIPO CNC PARA EL TORNEADO EN SERIE DE METALES
Se realizaron diferentes pruebas del prototipo bajo distintas condiciones con el objetivo de evaluar la precisión en el mecanizado, con resultados estadísticamente satisfactorios.Por último, la Tabla 4 resume las principales características técnicas de la máquina.
Tabla 4. Ficha Técnica
FICHA TÉCNICADiámetro máximo maquinable 25mmLongitud máxima de la barra 4 mNúmero de herramientas en el
Carro Transversal 2
Número de herramientas en la Contrapunta 6
Avance máximo 1m/minResolución 0.01mm
Velocidad del husillo 750-1050-1500 rpmMotor principal 2Hp trifásico a 1750
Resolución 0.01mmCaudal bomba hidráulica 0.97 gal/min
Compatibilidad Computador con MS-DOSTM y puerto paralelo
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
El diseño del prototipo construido se enfocó en alcanzar un desempeño aceptable pensando en su utilización industrial, en cuanto a robustez, larga vida útil y elevada productividad.
La máquina está en capacidad de elaborar piezas en serie de hasta 25 milímetros de diámetro, lo que cubre una gran gama de piezas y productos.
A pesar de tratarse de un prototipo, los costos de su implementación están muy por debajo del costo en el mercado de una máquina con características comparables (alrededor de un 70 % menor), por lo que resulta muy prometedor continuar con futuras investigaciones que permitan el desarrollo de un producto comercializable.
En esta fase de desarrollo no se incluyeron ciclos de mecanizado complejos como la elaboración de roscas, debido principalmente a la imposibilidad de realizar un control de giro preciso en el motor principal. Es por esto que desde ya se estudia la posibilidad de implementarlo o reemplazarlo por otro motor que sí permita este control.
El uso de un control de posición en lazo abierto arrojó resultados aceptables en cuanto a exactitud, sin embargo, sería aconsejable fijar alguna posición de inicio referenciada con la ayuda de algún sensor de posición para facilitar la recuperación de la máquina ante alguna falla, por ejemplo la interrupción del suministro de energía, o el bloqueo de alguno de los motores de paso.
Estos motores de paso, aunque precisos y de fácil manejo, presentan grandes deficiencias en su torque a velocidades relativamente altas (más de 250rpm) lo que impide alcanzar mayores velocidades de aproximación de la herramienta y afecta la productividad. Es por esto que una futura fase de desarrollo incluye reemplazarlos por un conjunto de servomotor-transmisión, lo cual generalmente permite torques y velocidades más elevadas.
Aunque la máquina cuenta con dos dispositivos portaherramienta totalmente independientes en sus accionamientos, aún no se encuentran implementadas en el
UMBRAL CIENTÍFICO/ 19
COMPARACION DE MARCAS DE AGUA Y HUELLAS DE AUDIO
controlador las rutinas que permitirían realizar mecanizados simultáneos, con el objetivo de elevar la productividad de la máquina. Este inconveniente será objeto de estudio en futuros trabajos.
La escogencia del PC como herramienta de control se justificó en el volumen de datos a manejar. Sin embargo, resulta necesario, en una próxima etapa de la investigación, la implementación de un módulo de control a nivel intermedio que reciba la información de la interfaz de usuario y la transmita a los controladores de la máquina. Este componente evitaría la dependencia actual de la disponibilidad total del PC y permitiría poder trabajar bajo otros sistemas operativos más amigables que MS-DOSTM.
Una vez se tenga esta etapa de control intermedia sería posible avanzar en el desarrollo de una interfaz de control más elaborada y con una mejor presentación visual, y que a su vez permita la integración de la máquina dentro de algún sistema de manufactura flexible, mediante lenguajes de programación y protocolos de comunicación estandarizados.
Las experiencias aportadas por esta investigación pueden ser extendidas al desarrollo de otras máquinas de alta demanda en el mercado, como centros de mecanizado, inyectoras, etc.
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a Industrias Villarreal por la financiación de esta investigación.
REFERENCIAS
Degarmo P., Materiales y procesos de fabricación, Pág. 610-630, 1988.
Beer F., Johnston R., Mecánica de materiales, McGraw Hill, 1993.
Norton R., Diseño de máquinas, AlfaOmega, 1999.
[Mikell G., Fundamentos de Manufactura moderna, materiales, procesos y sistemas, México, Prentice Hall, 1997.
Maloney T., Electrónica industrial moderna, México, Prentice Hall, 1997.
Koren Y., Computer control of manufacturing systems, McGraw Hill, 1997.
Http://www.imshome.com., Catálogos de motores., 2008.
Schildt H., Borland C++. Manual de referencia, McGraw Hill, 1997.
