DISEO Y CONSTRUCCION DE UNA MAQUINA CNC PARA LA OBTENCION DE OBJETOS SOLIDOS A PARTIR DE UN DISEO ASISTIDO POR COMPUTADORA

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA BOLIVIANAINGENIERIA ELECTRONICACONTROL INDUSTRIALLA PAZ BOLIVIA2015

INTRODUCCIONLas maquinas controladas por computadora se han desarrollado de manera rpida desde los aos setentas con la fabricacin del micro controlador, hoy en da las industrias han adquirido la tendencia de automatizar los proceso de fabricacin de objetos slidos.Las maquinas cnc son capaces de posicionarse sobre una base de manera totalmente automtica contraladas por una computadora, este medio es de gran ayuda a la hora de automatizar el control de posicionamiento de la mquina para el mecanizado de objetos slidos, adems se pueden realizar movimientos complejos con mas precisin y en un menor tiempo de fabricacin que no se realizaran manualmente, gracias al programa que controla la mquina.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.1 ANTECEDENTES El control numrico o control decimal numrico (CNC) es un sistema de automatizacin de mquinas herramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparacin con el mando manual mediante volantes o palancas. Las primeras mquinas cnc se construyeron en los aos cuarenta y cincuenta que estaban basados en mquinas existentes de la poca, tenan motores que seguan instrucciones a travs de tarjetas perforadas.A travs del tiempo se han desarrollado lenguajes para la comunicacin de instrucciones a las mquinas, un ejemplo es el sistema CAD diseo asistido por computadora y tambin el sistema CAM (fabricacin asistida por computadora) en el cual se puede disear objetos solidos a travs de lneas y curvas a las que se denomina geometra de un objeto.Puntos importantes de la evolucin de la maquina cnc 1: 1. (1725)Mquinas de tejer construidas en Inglaterra, controladas por tarjetas perforadas.[footnoteRef:1] [1: http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/controlnumericocnc/

]

1. (1863)M. Forneaux- primer piano que toc automticamente.1. (1870-1890)Eli Whitney- desarrollo de plantillas y dispositivos.1. "Sistema norteamericano de manufactura de partes intercambiables.1. (1880)Introduccin de una variedad de herramientas para el maquinado de metales.1. Comienzo del nfasis en la produccin a gran escala.1. (1940)Introduccin de los controles hidrulicos, neumticos y electrnicos.1. Aumento del nfasis en el maquinado automtico.1. (1945)Comienzo de la investigacin y desarrollo del control numrico.1. Comienzo de los experimentos de produccin a gran escala con control numrico.1. (1955)Las herramientas automatizadas comenzaron a aparecer en las plantas de produccin para la Fuerza Area de produccin de los Estados Unidos:1. (1956)Hay concentracin en la investigacin y el desarrollo del control numrico.1. (1960)Hasta la actualidad0. Se crean varios nuevos sistemas de control numrico.0. Se perfeccionaron las aplicaciones a la produccin de una gama ms grande de procedimientos de maquinado de metales.0. Se idearon aplicaciones a otras actividades diferentes del maquinado de metales.0. Se utilizaron insumos computarizados de control numrico.0. Se utilizan documentos computarizados de planeacin grficos por control numrico.0. Se han desarrollado procedimientos computarizados de trazo de curvas de nivel por control numrico, a bajo costo.0. Se han establecido centros de maquinado para utilizacin general.1.2 DESCRIPCION Y FORMULACION DEL PROBLEMALa fabricacin de piezas en general a nivel industrial requieren de diferentes procesos para el acabado, dependiendo del tipo de material y segn el proceso de mecanizado que se lleva a cabo, un problema que tiene una empresa en particular por ejemplo que fabrica brazos robticos es el alto costo final de fabricacin de modelos y piezas en dos y tres dimensiones, ya que requiere una medida exacta y que tambin es difcil de encontrar.Por otra parte, el precio y la forma de adquirir las piezas exactas se facilitara con la implementacin y diseo de una maquina cnc para la fabricacin de dichas piezas, lo cual resulta beneficioso para adquirir piezas a medida y as tambin reducir los costos de material prima.1.2.1 FORMULACION DEL PROBLEMACmo disear y fabricar un control numrico por computadora a una fresadora mecnica para crear objetos solidos diseados por computadora?

1.3 JUSTIFICACIONLa elaboracin de este proyecto soluciona una necesidad en la adquisicin de piezas, ya que actualmente las empresas se ven obligados a importar piezas especficas que requieren. La aplicacin de control numrico por computadora satisface esa necesidad real, en la que la fabricacin y la adquisicin de estos modelos que ya se ha mencionado anteriormente debido a su complejidad y elevado costo de importacin y fabricacin , no garantizan el trabajo continuo debido a la falta de estos materiales.Una mquina de cnc se consiguen nicamente en el mercado a un precio muy elevado y poco accesible para las empresas poco desarrolladas. Por esta razn se justifica el diseo y la implementacin de este sistema para poder incrementar la produccin de materia prima.1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION1.4.1 OBJETIVO GENERALDisear e implementar un sistema de control numrico computarizado (CNC), para la fabricacin de piezas solidas a travs del sistema CAD.1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Desarrollar un sistema de comunicacin por medio de la computadora para el control numrico computarizado. Disear un circuito de control para automatizar una maquina fresadora manual mecnica. Desarrollar un programa para el control de la maquina

2 MARCO TEORICO2.1 Principio de funcionamiento [footnoteRef:2] [2: Francisco Cruz Teruel , Control Numrico y Programacin]

Para mecanizar una pieza se usa un sistema decoordenadasque especificarn el movimiento de la herramienta de corte.El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relacin a los ejes de coordenadas de la mquina, usando un programa informtico ejecutado por un ordenador.En el caso de untorno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos longitudinales del carro y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la torre.En el caso de lasfresadorasse controlan tambin los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Y. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la fresadora; dependiendo de la capacidad de la mquina, esto puede no ser limitado nicamente a tres ejes.Aplicaciones

Grfico aproximado en escalas logartmicas del coste unitario de mecanizacin en funcin del nmero de piezas a mecanizar por lote.Mquinas tradicionales.Mquinas de control numrico.Mquinas especiales o de transferencia (transfert).Aparte de aplicarse en lasmquinas-herramientapara modelar metales, el CNC se usa en la fabricacin de muchos otros productos de ebanistera, carpintera, etc. La aplicacin de sistemas de CNC en las mquinas-herramienta han hecho aumentar enormemente la produccin, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado que era difcil de hacer con mquinas convencionales, por ejemplo la realizacin de superficies esfricas manteniendo un elevado grado de precisin dimensional. Finalmente, el uso de CNC incide favorablemente en los costos de produccin al propiciar la baja de costes de fabricacin de muchas mquinas, manteniendo o mejorando su calidad .2.2 Programacin en el control numricoSe pueden utilizar dos mtodos, la programacin manual y la programacin automtica. ..Programacin manualEn este caso, el programa pieza se escribe nicamente por medio de razonamientos y clculos que realiza un operario. El programa de mecanizado comprende todo el conjunto de datos que el control necesita para la mecanizacin de la pieza.Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se le denomina bloque o secuencia, que se numeran para facilitar su bsqueda. Este conjunto de informaciones es interpretado por el intrprete de rdenes. Una secuencia o bloque de programa debe contener todas las funciones geomtricas, funciones mquina y funciones tecnolgicas del mecanizado. De tal modo, un bloque de programa consta de varias instrucciones. El comienzo del control numrico ha estado caracterizado por un desarrollo anrquico de los cdigos de programacin. Cada constructor utilizaba el suyo particular. Posteriormente, se vio la necesidad de normalizar los cdigos de programacin como condicin indispensable para que un mismo programa pudiera servir para diversas mquinas con tal de que fuesen del mismo tipo. Los caracteres ms usados comnmente, regidos bajo la norma DIN 66024 y 66025 son, entre otros, los siguientes: N: es la direccin correspondiente al nmero de bloque o secuencia. Esta direccin va seguida normalmente de un nmero de tres o cuatro cifras. En el caso del formato N03, el nmero mximo de bloques que pueden programarse es 1000 (N000 hasta N999). X, Y, Z: son las direcciones correspondientes a las cotas segn los ejes X, Y, Z de la mquina herramienta (Yplanos cartesianos). Dichas cotas se pueden programar en forma absoluta o relativa, es decir, con respecto al cero pieza o con respecto a la ltima cota respectivamente. G: es la direccin correspondiente a las funciones preparatorias. Se utilizan para informar al control de las caractersticas de las funciones de mecanizado, como por ejemplo, forma de la trayectoria, tipo de correccin de herramienta, parada temporizada, ciclos automticos, programacin absoluta y relativa, etc. La funcin G va seguida de un nmero de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones preparatorias diferentes.Ejemplos:G00: El trayecto programado se realiza a la mxima velocidad posible, es decir, a la velocidad de desplazamiento en rpido.G01: Los ejes se gobiernan de tal forma que la herramienta se mueve a lo largo de una lnea recta.G02:Interpolacin circularen sentido horario.G03: Interpolacin circular en sentido antihorario.G33: Indica ciclo automtico de roscado.G40: Cancela compensacin.G41: Compensacin de corte hacia la izquierda.G42: Compensacin de corte a la derecha.G77: Es un ciclo automtico que permite programar con un nico bloque el torneado de un cilindro, etc. M: es la direccin correspondiente a las funciones auxiliares o complementarias. Se usan para indicar a la mquina herramienta que se deben realizar operaciones tales como parada programada, rotacin del husillo a derechas o a izquierdas, cambio de til, etc. La direccin m va seguida de un nmero de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones auxiliares diferentes.Ejemplos:M00: Provoca una parada incondicional del programa, detiene el husillo y la refrigeracin.M01: Alto opcional.M02: Indica el fin del programa. Se debe escribir en el ltimo bloque del programa y posibilita la parada del control una vez ejecutadas el resto de las operaciones contenidas en el mismo bloque.M03: Activa la rotacin del husillo en sentido horario.M04: Activa la rotacin del husillo en sentido antihorario, etc.(El sentido de giro del usillo es visto por detrs de la mquina, no de nuestro punto de vista como en los tornos convencionales)M05: Parada del cabezalM06: cambio de herramienta (con parada del programa o sin ) en las mquinas de cambio automtico no conlleva la parada del programa. F: es la direccin correspondiente a la velocidad de avance. Va seguida de un nmero de cuatro cifras que indica la velocidad de avance en mm/min. S es la direccin correspondiente a la velocidad de rotacin del husillo principal. Se programa directamente en revoluciones por minuto, usando cuatro dgitos. I, J, K son direcciones utilizadas para programar arcos de circunferencia. Cuando la interpolacin se realiza en el plano X-Y, se utilizan las direcciones I y J. Anlogamente, en el plano X-Z, se utilizan las direcciones I y K, y en el plano Y-Z, las direcciones J y K. T es la direccin correspondiente al nmero de herramienta. Va seguido de un nmero de cuatro cifras en el cual los dos primeros indican el nmero de herramienta y los dos ltimos el nmero de correccin de las mismas.2.3 Programacin automticaEn este caso, los clculos los realiza un computador, a partir de datos suministrados por el programador dando como resultado el programa de la pieza en un lenguaje de intercambio llamado APT que posteriormente ser traducido mediante unpost-procesadorallenguaje mquinaadecuado para cada control por Computadora. En realidad se deberan estandarizar los lenguajes de programacin debido a que sera mas til poder desarrollar al mximo las potencialidades de los C.N.C,2.4 Sistemas de control del movimiento para el CN.[footnoteRef:3] [3: James Madison , CNC Machining Hand book, Industrial press INC, p. 41]

Hay tres tipos bsicos de control para el movimiento de las herramientas, es posible que las mquinas utilicen ms de uno: CN punto a punto. Tambin llamado de posicionado, el control determina y posiciona la herramienta en un punto predefinido sin importar en absoluto la trayectoria seguida. Lo nico que interesa es que la herramienta alcance con rapidez y precisin el punto deseado. El posicionamiento puede ser secuencial o simultaneo segn lo que la herramienta se desplace siguiendo la direccin de los ejes.(ver figura 1)

FIGURA 1. Control punto a punto

FUENTE: Titulo: Control Numrico y Programacin, Autor: Francisco Cruz Teruel. P 13

CN Praxial. Permite. El mecanizado en direcciones paralelas a los ejes de la mquina. Los movimientos se obtienen controlando el accionamiento en un eje mientras permanecen bloqueados los accionamientos del resto de los ejes. Este tipo de control no permite efectuar mecanizados en direcciones distintas a la de los ejes. Un control numrico paraxial puede ejecutar tambin movimientos punto apunto. (ver figura 2)FIGURA 2. Control Praxial

FUENTE: Titulo: Control Numrico y Programacin, Autor: Francisco Cruz Teruel. P 13

CN de Contorneo. Permite que la herramienta siga cualquier trayectoria regulando simultneamente el movimiento de los distintos ejes. Se controla continuamente el recorrido de la herramienta para generar la pieza con la geometra deseada. Por ello se conoce tambin con el nombre de control numrico continuo. Es el ms complejo de los tres sistemas y permite tambin el mecanizado praxial y el punto a punto.(verfigura 3)FIGURA 3. Control de Contorneo

FUENTE: Francisco Cruz Teruel, Control Numrico y Programacin, p. 13

Interpolacin. [footnoteRef:4] En estos controles CNC debe existir una sincronizacin perfecta en el movimiento de todos los ejes para ejecutar la trayectoria deseada. [4: Rafael Ferre Masip (1988), Como Programar un Control Numrico, Productica Marcombo, p 25.]

Para ello los controladores incorporan procedimientos de interpolacin. En los CNC convencionales los ms utilizados son: Interpolacin Lineal. Interpolacin Circular.En la interpolacin lineal el controlador mueve la herramienta en direccin recta entre dos puntos mediante trenes de puntos uniformemente repartidos, de forma que la relacin de la frecuencia de los mismos en cada eje es la pendiente de la recta (ver figura 4)FIGURA 4. Interpolacin Lineal

3 METODOLOGALa investigacin est dirigido hacia la seleccin de los mecanismos que se puede implementar, qu materiales utilizar y qu software-hardware seleccionar.3.1 RECOLECCIN DE INFORMACIN.Las tcnicas de recoleccin de informacin sern libros, internet, y entrevistas a entidades educativas y empresariales, diarios, noticias, televisin, mediciones, ensayos de prueba y error y simulaciones relacionadas a: Controles CNC, resistencia de materiales, diseo de estructuras, diseo de mecanismos, lenguaje de control numrico, diseo CAD, programacin para los sistemas de control, dispositivos necesarios.

3.4 MUESTRAS.Las personas que interfieren en la investigacin de este proyecto son los tcnico operarios de las mquinas de mecanizado, las personas con conocimientos en lenguajes NC, las personas que conocen el proceso de diseo de los moldes manualmente, los docentes universitarios con conocimientos de nuestro proyecto, la empresa que financia el proyecto.

BIBLIOGRAFA Robert H. Bishop (2002), The Mechatrinics HandBook , ISA-The Instrumentation, Systems, and Automation Society, Edicion ilustrada y 2da Edicion, CRC Press. Shigley & Mischke (1986)- Standard Handbook of Machine Design Editorial: McGraw Hill - 2da Edicin. Rafael Ferre Masip (1988), Como Programar un Control Numrico, Productica Marcombo Altintas (2000), Manufacturing automation metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC Desing, Cambridge University press. A.L. Casillas Mquinas Editorial: Artes graficas ENCO 36 Edicin. Garca Eduardo, Compilador C CCS y Simulador PROTEUS, Marcombo. Rafael Ferr Masip (1988), Fabricacin asistida por computador-CAM, Marcombo.