La historia de las máquinas CNC
John T. Parsons (1913-2007) de Parsons Corporation en Traverse City, MI es considerado el pionero del control numérico, precursor de la moderna máquina CNC. Por su trabajo, John Parsons ha sido llamado el padre de la segunda revolución industrial. Necesitaba fabricar complejas palas de helicóptero y rápidamente se dio cuenta de que el futuro de la fabricación pasaba por conectar las máquinas a los ordenadores. Hoy en día se pueden encontrar piezas fabricadas con CNC en casi todas las industrias. Gracias a las máquinas CNC, tenemos productos menos costosos, una defensa nacional más fuerte y un nivel de vida más alto que el posible en un mundo no industrializado. En este artículo, exploraremos los orígenes de la máquina CNC, los diferentes tipos de máquinas CNC, los programas de máquinas CNC y las prácticas comunes de los talleres de máquinas CNC.
Las máquinas se encuentran con el ordenador
En 1946, la palabra «ordenador» significaba una máquina de cálculo operada por tarjetas perforadas. Aunque Parsons Corporation sólo había fabricado una hélice antes, John Parsons convenció a Sikorsky Helicopter de que podían producir plantillas extremadamente precisas para el montaje y la fabricación de hélices. Acabó inventando un método informático de tarjetas perforadas para calcular los puntos de la pala del rotor de un helicóptero. Luego hizo que los operarios giraran las ruedas hasta esos puntos en una fresadora de Cincinnati. Convocó un concurso para el nombre de este nuevo proceso y dio 50 dólares a la persona que acuñara «Control Numérico» o NC.
En 1958, presentó una patente para conectar el ordenador a la máquina. Su solicitud de patente llegó tres meses antes que el MIT, que estaba trabajando en el concepto que él había iniciado. El MIT utilizó sus conceptos para fabricar el equipo original y el licenciatario del Sr. Parsons (Bendix) concedió sublicencias a IBM, Fujitusu y GE, entre otros. El concepto de CN tardó en imponerse. Según el Sr. Parsons, los que vendían la idea eran informáticos y no fabricantes. Sin embargo, a principios de la década de 1970, el propio ejército estadounidense popularizó el uso de ordenadores de control numérico construyendo y alquilando estos equipos a numerosos fabricantes. El controlador CNC evolucionó en paralelo con el ordenador, impulsando cada vez más la productividad y la automatización en los procesos de fabricación, especialmente el mecanizado.
¿Qué es el mecanizado CNC?
Las máquinas CNC fabrican piezas en todo el mundo para casi todas las industrias. Crean cosas a partir de plásticos, metales, aluminio, madera y muchos otros materiales duros. La palabra «CNC» significa Control Numérico por Ordenador, pero hoy en día todo el mundo lo llama CNC. Entonces, ¿cómo se define una máquina CNC? Todas las máquinas de control de movimiento automatizado tienen tres componentes principales: una función de mando, un sistema de accionamiento/movimiento y un sistema de retroalimentación. El mecanizado CNC es el proceso de utilización de una máquina-herramienta dirigida por ordenador para producir una pieza de material sólido con una forma diferente
El CNC depende de las instrucciones digitales que normalmente se realizan en un software de fabricación asistida por ordenador (CAM) o de diseño asistido por ordenador (CAD) como SolidWorks o MasterCAM. El software escribe el código G que el controlador de la máquina CNC puede leer. El programa informático en el controlador interpreta el diseño y mueve las herramientas de corte y/o la pieza de trabajo en múltiples ejes para cortar la forma deseada de la pieza de trabajo. El proceso de corte automatizado es mucho más rápido y preciso que el movimiento manual de las herramientas y las piezas de trabajo que se realiza con palancas y engranajes en los equipos más antiguos. Las máquinas CNC de hoy en día tienen múltiples herramientas y realizan muchos tipos de corte. El número de planos de movimiento (ejes) y el número y los tipos de herramientas a los que la máquina puede acceder automáticamente durante el proceso de mecanizado determinan la complejidad de la pieza de trabajo que puede realizar un CNC.
Cómo utilizar una máquina CNC
Los maquinistas de CNC deben adquirir conocimientos tanto de programación como de trabajo del metal para aprovechar al máximo la potencia de una máquina CNC. Las escuelas técnicas y los programas de aprendizaje suelen iniciar a los estudiantes en tornos manuales para que sepan cómo cortar el metal. El maquinista debe ser capaz de visualizar las tres dimensiones. Hoy en día, el software facilita más que nunca la fabricación de piezas complejas, ya que la forma de la pieza puede dibujarse virtualmente y, a continuación, el software puede sugerir las trayectorias de las herramientas para fabricar dichas piezas.
Tipo de software que se utiliza habitualmente en el proceso de mecanizado CNC
Dibujo asistido por ordenador (CAD)
El software CAD es el punto de partida de la mayoría de los proyectos CNC. Hay muchos paquetes de software CAD diferentes, pero todos se utilizan para crear diseños. Los programas de CAD más populares son AutoCAD, SolidWorks y Rhino3D. También hay soluciones CAD basadas en la nube, y algunas ofrecen capacidades CAM o se integran con el software CAM mejor que otras.
Fabricación asistida por ordenador (CAM)
Las máquinas CNC suelen utilizar programas creados por el software CAM. El CAM permite a los usuarios configurar un «árbol de trabajo» para organizar el flujo de trabajo, establecer trayectorias de herramientas y ejecutar simulaciones de corte antes de que la máquina realice cualquier corte real. A menudo, los programas CAM funcionan como complementos del software CAD y generan códigos g que indican a las herramientas del CNC y a las piezas móviles de la pieza dónde deben ir. Los asistentes del software CAM facilitan más que nunca la programación de una máquina CNC. Entre los programas CAM más conocidos se encuentran Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks y Solidcam. Mastercam y Edgecam representan casi el 50% de la cuota de mercado de CAM de gama alta según un informe de 2015.
¿Qué es un control numérico distribuido?
Control numérico directo que se convirtió en control numérico distribuido (DNC)
Los controles numéricos directos se utilizaban para gestionar los programas NC y los parámetros de la máquina. Permitían que los programas se movieran a través de una red desde un ordenador central hasta los ordenadores de a bordo conocidos como unidades de control de la máquina (MCU). Originalmente llamado «Control Numérico Directo», evitaba la necesidad de cinta de papel, pero cuando el ordenador se caía, todas sus máquinas se caían.
El Control Numérico Distribuido utiliza una red de ordenadores para coordinar el funcionamiento de múltiples máquinas alimentando un programa al CNC. La memoria del CNC contiene el programa y el operador puede recoger, editar y devolver el programa.
Los programas DNC modernos pueden hacer lo siguiente:
- Edición – Puede ejecutar un programa NC mientras se editan otros
- Comparar – Comparar los programas NC originales y editados uno al lado del otro y ver las ediciones
- Reiniciar – Cuando una herramienta se rompe, el programa puede detenerse y reiniciarse donde se dejó
- Seguimiento de trabajos – Los operarios pueden fichar en trabajos y hacer un seguimiento de la configuración y el tiempo de ejecución, por ejemplo
- Mostrar dibujos – Mostrar fotos, dibujos CAD de herramientas, accesorios y piezas de acabado
- Interfaces de pantalla avanzadas – Mecanizado con un solo toque
- Gestión avanzada de bases de datos – Organiza y mantiene los datos donde se pueden recuperar fácilmente
Recogida de datos de fabricación (MDC)
El software MDC puede incluir todas las funciones del software DNC además de recoger datos adicionales y analizarlos para la eficacia global del equipo (OEE). La eficacia global de los equipos depende de lo siguiente: Calidad – el número de productos que cumplen con los estándares de calidad de todos los productos producidos Disponibilidad – porcentaje del tiempo planificado que el equipo especificado está trabajando o produciendo piezas Rendimiento – velocidad de funcionamiento real comparada con la velocidad de funcionamiento planificada o ideal del equipo.
OEE = Calidad x Disponibilidad x Rendimiento
OEE es una métrica de rendimiento clave (KPI) para muchos talleres de maquinaria.
Soluciones de monitorización de máquinas
El software de monitorización de máquinas puede estar integrado en el software DNC o MDC o adquirirse por separado. Con las soluciones de supervisión de máquinas, los datos de la máquina, como la configuración, el tiempo de ejecución y el tiempo de inactividad, se recopilan automáticamente y se combinan con los datos humanos, como los códigos de razón, para proporcionar una comprensión tanto histórica como en tiempo real de cómo se ejecutan los trabajos. Las máquinas CNC modernas recopilan hasta 200 tipos de datos, y el software de supervisión de máquinas puede hacer que esos datos sean útiles para todos, desde el taller hasta la planta superior. Empresas como Memex ofrecen un software (Tempus) que toma los datos de cualquier tipo de máquina CNC y los introduce en un formato de base de datos estandarizado que puede mostrarse en tablas y gráficos significativos. Un estándar de datos utilizado por la mayoría de las soluciones de supervisión de máquinas que ha ganado terreno en los Estados Unidos se llama MTConnect. En la actualidad, muchas máquinas herramienta CNC nuevas están equipadas para proporcionar datos en este formato. Las máquinas más antiguas pueden seguir proporcionando información valiosa con adaptadores. La monitorización de máquinas CNC se ha generalizado en los últimos años, y siempre se están desarrollando nuevas soluciones de software.
¿Cuáles son los diferentes tipos de máquinas CNC?
Hay innumerables tipos diferentes de máquinas CNC hoy en día. Las máquinas CNC son máquinas-herramienta que cortan o mueven material según lo programado en el controlador, como se ha descrito anteriormente. El tipo de corte puede variar desde el corte por plasma hasta el corte por láser, el fresado, el ruteo y los tornos. Las máquinas CNC pueden incluso recoger y mover elementos en una línea de montaje.
A continuación se muestran los tipos básicos de máquinas CNC:
Tornos: Este tipo de CNC gira la pieza de trabajo y mueve la herramienta de corte a la pieza de trabajo. Un torno básico es de 2 ejes, pero se pueden añadir muchos más ejes para aumentar la complejidad del corte posible. El material gira sobre un husillo y se presiona contra una herramienta de rectificado o de tallado que realiza la forma deseada. Los tornos se utilizan para fabricar objetos simétricos como esferas, conos o cilindros. Muchas máquinas CNC son multifuncionales y combinan todos los tipos de corte.
Routers: Las fresadoras CNC se suelen utilizar para cortar grandes dimensiones en madera, metal, chapas y plásticos. Los routers estándar funcionan en coordenadas de 3 ejes, por lo que pueden cortar en tres dimensiones. Sin embargo, también puede comprar máquinas de 4,5 y 6 ejes para modelos de prototipos y formas complejas.
Fresado: Las fresadoras manuales utilizan volantes y husillos para articular una herramienta de corte sobre una pieza. En una fresadora CNC, el CNC mueve tornillos de bolas de alta precisión a las coordenadas exactas programadas en su lugar. Las máquinas CNC de fresado vienen en una amplia gama de tamaños y tipos y pueden funcionar en múltiples ejes.
Cortadoras de plasma: El cortador de plasma CNC utiliza un potente láser para cortar. La mayoría de los cortadores de plasma cortan formas programadas de chapa o placa.
Impresora 3D: Una impresora 3D utiliza el programa para decirle dónde colocar pequeños trozos de material para construir la forma deseada. Las piezas 3D se construyen capa por capa con un láser para solidificar el líquido o la energía a medida que las capas crecen.
Máquina de recoger y colocar: Una máquina CNC «pick and place» funciona de forma similar a una router CNC, pero en lugar de cortar material, la máquina tiene muchas boquillas pequeñas que recogen los componentes utilizando un vacío, los mueven a la ubicación deseada y los colocan. Se utilizan para hacer mesas, placas base de ordenadores y otros montajes eléctricos (entre otras cosas)
Las máquinas CNC pueden hacer muchas cosas. Hoy en día la tecnología informática se puede poner en casi cualquier máquina imaginable. El CNC sustituye la interfaz humana necesaria para mover las piezas de la máquina para obtener el resultado deseado. Los CNC actuales son capaces de partir de una materia prima, como un bloque de acero, y fabricar una pieza muy compleja con tolerancias precisas y una repetibilidad asombrosa.
Poniéndolo todo junto: Cómo hacen las piezas los talleres de máquinas CNC
El funcionamiento de un CNC implica tanto el ordenador (controlador) como una configuración física. Un proceso típico de un taller de máquinas se parece a esto:
Un ingeniero de diseño crea el diseño en el programa CAD y lo envía a un programador de CNC. El programador abre el archivo en el programa CAM para decidir las herramientas necesarias y crear el programa NC para el CNC. Envía el programa NC a la máquina CNC y proporciona una lista de la configuración correcta de las herramientas a un operario. Un operario de preparación carga las herramientas según las instrucciones y carga la materia prima (o la pieza). A continuación, ejecuta piezas de muestra y las mide con herramientas de control de calidad para verificar que la máquina CNC está fabricando piezas de acuerdo con las especificaciones. Normalmente, el operario de preparación proporciona una primera pieza al departamento de calidad, que verifica todas las dimensiones y da el visto bueno a la preparación. La máquina CNC o las máquinas asociadas se cargan con suficiente materia prima para fabricar el número de piezas deseado, y un operario de la máquina se mantiene a la espera para garantizar que la máquina siga funcionando, fabricando piezas según las especificaciones y disponiendo de materia prima. Dependiendo del trabajo, a menudo es posible hacer funcionar las máquinas CNC «sin luz» y sin la presencia de un operario. Las piezas terminadas se trasladan a un área designada automáticamente.