EJEMPLO DE MECANIZADO EN CONTROL NUMÉRICO CON

EJEMPLO DE MECANIZADO EN CONTROL NUMÉRICO
CON CATIA V5 RELEASE 7
Fabio Gómez-Estern
Junio de 2004
1. Introducción
CATIA V5 R7, más que una herramienta de aplicación específica es un
conjunto de utilidades que asisten al ingeniero en las distintas fases que
conducen a la concepción y fabricación de un nuevo producto.
En este ejercicio ilustraremos dos de las tareas más comunes de CATIA
• diseñar una pieza mecánica en tres dimensiones,
• definir interactivamente las operaciones de mecanizado a realizar
sobre el stock inicial, y
• generar un programa de control numérico en lenguaje APT.
El objetivo de este ejemplo es un programa de control numérico para el
mecanizado de la siguiente pieza:
2. Definiciones
STOCK: Bloque inicial paralelepípedo de material metálico del que se partirá
para obtener la pieza definitiva mediante sucesivas operaciones de retirada
de material
APT: Automatically Programmed Tooling. Lenguaje de alto nivel para la
definición de operaciones de mecanizado en control numérico. Debe
traducirse mediante un post procesador para generar el lenguaje específico
de la máquina, generalmente el ISO.
CONTROL NUMÉRICO (NC ó CN): Nos referiremos tanto al lenguaje como a
la máquina que interpreta las instrucciones del programa de mecanizado
WORKBENCH: En CATIA V5, el contexto de trabajo con menús
especializados para desarrollar una determinada tarea o fase de concepción
del producto.
SCKETCH: Es el Workbench de trabajo en dos dimensiones, a partir del que
se extraen los perfiles y curvas generatrices de la figura tridimensional.
PAD (extrusión o relleno). Creación de un sólido a partir de un perfil
(profile, obtenido con el Sketcher) plano que se “estira” a lo largo de un eje
perpendicular.
POCKET (vaciado). Operación análoga al PAD, pero el efecto es la retirada
de material o vaciado.
3. Opciones de configuración en CATIA
El menú Tools-Options contiene una extensa colección de ventanas que
permiten configurar con gran lujo de detalle los parámetros de trabajo del
sistema. La ventana principal de configuración está organizada de forma
jerárquica mediante un árbol desplegable. Las opciones afectan a todos los
workbench disponibles en CATIA. Algunas de las opciones más útiles son
Unidades de trabajo: Emplearemos el Sistema Internacional, longitudes
en mm. Es la opción por defecto. Se puede modificar/editar mediante la
secuencia de menús
Tools-Options-General-Parameters-Units
Figura 1. Configuración de las unidades de trabajo
Opciones de apariencia gráfica: Permite definir los colores de fondo, de
objetos seleccionados, preseleccionados, inactivos...
Tools-Options-General-Display-Visualization
Figura 2. Configuración de la apariencia gráfica
Opciones de generación de programas de control numérico: Para
seleccionar el tipo de postprocesador, el formato de datos de salida, el
lenguaje de control numérico (APT ó ISO), el modelo exacto de máquina de
control numérico para la generación de programas en lenguaje ISO.
Tools-Options-NC Manufacturing-Output
Figura 3. Configuración del módulo de control numérico
La opción Post-Processor debe estar en Cenit para poder generar
instrucciones ISO (bajo nivel)
4. Creación de la pieza
Apertura del entorno de trabajo:
Start-> Mechanical Design -> Part Design
Figura 4. Entorno de trabajo de diseño mecánico
En esta figura vemos que el árbol de trabajo consta de cuatro elementos: la
geometría de pieza (PartBody), inicialmente vacía, y los tres planos
principales del sistema de coordenadas original: xy, yz, zx.
Seleccionando uno de estos planos y pulsando el icono “Sketcher” (tercero
de la barra de herramientas de la derecha en la figura 1), pasamos a
dibujar perfiles en 2D en el plano seleccionado, con las herramientas
propias del workbench “sketcher”.
Diseño de perfiles en 2D
Mediante las barras de este workbench, podemos trazar figuras geométricas
simples, polígonos, curvas, chaflanes, redondear esquinas, acotaciones...
Figura 5. Una de las barra de herramientas del Sketcher
Dibujamos la base de nuestra figura. Nótese que el árbol de trabajo a la
izquierda se ha actualizado con los nuevos elementos (que aparecen al
desplegar la rama Geometry)
Figura 63. Diseño de figuras planas (Sketcher)
Extrusión (PAD)
Para generar la primera figura tridimensional volvemos al workbench de
trabajo en 3D para lo cual pulsamos en “Exit Workbench”
A continuación seleccionamos el perfil trazado y pulsamos “Pad”
La ventana de la figura 4 indica las
opciones de la extrusión.
Si queremos que el espesor de la
pieza sea de 20mm, configuraremos
la ventana como aparece aquí.
Otras opciones son, por ejemplo,
que la extrusión se prolongue hasta
la intersección con un plano
(Type...), invertir la dirección del
relleno (Reverse direction) o que la
operación se produzca en ambas
direcciones (Mirrored extent).
Figura 7.
El resultado de la operación Pad aparece a continuación
Figura 8. Sólido obtenido mediante el comando PAD
Creación de un perfil 2D sobre una cara del sólido
Seleccionando la cara superior de la pieza, como en la Figura 5, podemos
utilizarla como un nuevo plano para el diseño de figuras planas, pulsando de
una vez más en la opción “Sketcher”.
A
B
Figura 9. Trazado de los perfiles para el vaciado
Sobre la cara superior trazamos dos circunferencias (etiqueta A), las
circunferencias servirán de guía para los taladros.
A continuación abandonamos el workbench Sketcher (ver nota abajo) y
volvemos a crear un nuevo Sketch a partir de la cara superior de la pieza
(la misma que se seleccionó para las circunferencias). De nuevo en el
entorno de trabajo 2D, trazamos un rectángulo de esquinas suavizadas
(cuyo radio de curvatura no debe ser inferior al de la herramienta empleada
para el vaciado).
mientras que el rectángulo define el contorno de un vaciado de 10mm de
profundidad que se practicará desde la parte superior de la pieza.
NOTA IMPORTANTE:
El trazado de las circunferencias y el rectángulo han de pertenecer a dos
elementos Sketch diferentes en el árbol de trabajo. Esto es necesario
porque las operaciones en 3D se aplican a un Sketch completo, de modo
que si el vaciado de los taladros no es la misma operación 3D que el del
rectángulo superficial (p. ej. porque la profundidad de vaciado es diferente),
necesariamente habrán de realizarse dos Sketch: uno para taladros y otro
para rectángulo.
Operaciones de vaciado de sólidos
Volviendo al entorno de trabajo en 3D (al que accedemos con el botón Exit
Workbench), realizaremos en primer lugar el vaciado de rectángulo. Para
ello seleccionaremos la opción “ POCKET” (vaciado en la dirección
perpendicular de un perfil) y se abrirá la siguiente ventana
Figura 10. Vaciado
En esta caja de diálogo hemos especificado el perfil generador del vaciado,
(el Sketch del rectángulo), y la profundidad y dirección del vaciado
Para realizar el vaciado de los taladros, realizamos la misma operación,
salvo que el Sketch seleccionado debe ser el de las circunferencias, y la
opción Type debe tomar el valor “up to last”. Con ello decimos que la
profundidad del vaciado se prolongará hasta la última intersección con una
superficie del sólido, con lo que se logran taladros pasantes. La figura 7
muestra el resultado de las operaciones de vaciado y el árbol de trabajo
resultante.
Figura 11. Pieza 3D resultante.
5. Creación del stock
Llamamos “Stock” al trozo de metal macizo del que se ha de retirar material
mediante una fresa para llegar a la pieza definitiva. Naturalmente el stock
excederá en todas las direcciones las dimensiones de la pieza objetivo.
Antes de entrar en el workbench de programación de máquinas control
numérico debemos definir el sólido que forma el stock en los mismos
workbench de diseño mecánico que hemos empleado para el diseño de la
pieza.
Sin salir del workbench 3D donde nos quedamos en la última operación,
pulsaremos el menú desplegable Insert, y seleccionamos Body. Aparecerá
un nuevo elemento sólido en el árbol de trabajo
inicialmente vacío.
El procedimiento para crear este nuevo sólido es análogo al empleado en el
apartado anterior, alternando entre los workbench 3D y Sketcher. Paso a
paso construiremos un paralelepípedo con paredes paralelas a la pieza
objetivo, con la cara inferior coincidente, que exceda 5mm en todas las
dimensiones la pieza objetivo.
Figura 12. Stock (semitransparente) y pieza objetivo
Visualizar objetos ocultos
Al estar la pieza objetivo incluida en el volumen del stock, la visualización
sólida con caras ocultas empleada hasta ahora impide ver el interior de la
composición. Esto se puede resolver de tres maneras:
• la opción visto/oculto del menú view:
•
•
Seleccionando uno de los sólidos (posiblemente el stock) en el árbol
de trabajo, y seleccionado la opción Hide/Show del menú contextual
que aparece al pulsar el botón derecho del ratón.
Seleccionando el stock, seleccionado en el menú contextual la opción
Properties, y aplicar un cierto grado de transparencia mediante el
elemento “Transparency” de la caja de diálogo (figura 12).
6. Creación del programa de mecanizado por control
numérico
Las indicaciones de los apartados anteriores permiten a disponer de un
modelo virtual de la pieza que se desea realizar. El último paso dentro de
CATIA para materializar el diseño en un objeto real consiste en definir, de
manera gráfica e interactiva, las operaciones y movimientos que debe hacer
una máquina herramienta de control numérico (MHCN en adelante) a partir
del stock para llegar al objetivo.
Dichas operaciones, como es sabido, se indican a la máquina mediante un
programa de control numérico, escrito en un lenguaje comprensible para la
máquina. En la industria existen dos tipos de lenguajes que son totalmente
válidos para nuestros propósitos, pero con algunas diferencias:
• APT (Automatically Programmed Tooling). Es un lenguaje de alto
nivel, en el sentido en que posee sentencias de complejo significado
geométrico que una máquina elemental de CN no podría interpretar.
Podría decirse que su gramática es relativamente próxima al lenguaje
humano. Tiene la ventaja de que no esta particularizada para ningún
modelo o fabricante de MHCN.
• Lenguaje ISO, también conocido como “palabras G”. Es el lenguaje
que interpretan todas la máquinas comerciales de hoy en día, aunque
existen ligeras variaciones de un fabricante a otro. Es, por lo dicho,
un lenguaje de bajo nivel.
Aunque esta distinción es matizable y la existencia de los dos lenguajes se
debe fundamentalmente a motivos relacionados con el desarrollo histórico
de esta tecnología, el hecho de que APT sea un lenguaje no específico para
una MHCN concreta, implica que hay que dar un último paso de adaptación
a la MHCN donde se realizará el mecanizado. Este paso se denomina
postprocesado, y al programa que realiza la tarea se le conoce como
Postprocesador. En la página de configuración de CATIA podemos
seleccionar el postprocesador para generar código ISO específico o bien
generar el programa en APT.
En cualquiera de los dos lenguajes conocidos podemos afirmar que un
programa de cálculo numérico es una secuencia de instrucciones que
gobiernan el movimiento de una herramienta en las trayectorias que debe
recorrer para retirar el material sobrante del stock. CATIA es el último
responsable de generar dichas instrucciones, para lo cual nosotros nos
limitaremos a indicar gráficamente la naturaleza de los movimientos a
realizar.
La idea fundamental es reutilizar los componentes geométricos del diseño
3D que acabamos de concluir, para indicar a CATIA de forma sencilla los
lugares geométricos que definirán las trayectorias de la broca.
En primer lugar abriremos el Workbench de mecanizado en control
numérico sin cerrar la ventana de diseño de la pieza y el stock, pulsando
Start-NC Manufacturing-Prismatic Machining
con lo cual indicamos que trabajaremos con una MHCN de tres ejes.
NOTA:
Las opciones del submenú NC Manufacturing se describen en el documento
“Introducción a los elementos de CATIA”
En primer lugar nos encontramos con que el árbol de trabajo y los menús
contextuales han cambiado considerablemente. Los sólidos creados
aparecen tal y como los diseñamos, pero detectamos nuevos elementos
Figura 13. Workbench de mecanizado por control numérico
En el árbol de trabajo de la figura 13 podemos observar que nuestros
sólidos, PartBody y Body.2 han quedado subsumidos en una rama
denominada Product List. Se observan además otras dos ramas:
ProcessList, que contedrá todas las operaciones a medida que las vaya,os
definiendo, y Resource List, que contendrá un listado de todas las
herramientas que se vayan requiriendo en las operaciones.
NOTA
En este punto, el trabajo realizado se considera un proceso completo (en
lugar de una pieza), con lo que el salvado a disco tiene lugar en ficheros con
extensión .CATProcess.
7. Configuración previa del mecanizado
Antes de introducir operaciones de mecanizado hemos de definir unos
parámetros generales de configuración del programa mecanizado que
aparecen en las siguientes figura.
A
B
C
D
E
Los elementos indispensables aparecen etiquetados y su significado es:
•
•
•
•
•
A: Selección del tipo de máquina de control numérico. Escogeremos
una de tres ejes.
B: Origen de coordenadas y sistema de referencia. La posición inicial
de la herramienta coincidirá con el origen definido aquí. Las
instrucciones APT generadas estará referidas al sistema de referencia
que designemos (de forma interactiva).
C: Pieza a mecanizar. Seleccionaremos, en este punto, la pieza
objetivo que hemos diseñado.
D: Stock. Seleccionaremos la pieza que hemos diseñado para este
uso.
E: Plano de seguridad. Nos permite seleccionar un plano donde
podamos garantizar que la herramienta se mueve sin riesgo de c
colisionar con la pieza, generalmente por encima de la misma. Con
este plano definido, CATIA genera una programa donde en cada
cambio de operación dentro de la secuencia, la herramienta retorna
al plano de seguridad.
8. Inserción de operaciones de mecanizado
En primer lugar rebajaremos la cara superior del stock para obtener el
espesor deseado de 20mm. Para ello seleccionamos en el árbol el elemento
Manufacturing Program.1 y seleccionamos en el menú CATIA
Insert-Prismatic Operations-Facing
con lo que indicamos que mecanizaremos una cara de la pieza. Aparecerá
un nuevo elemento en Manufacturing Program.1 y otro en resource list
correspondiente a la herramienta que se empleará en esta operación.
Asimismo se abrirá un asistente para la configuración de la operación de
mecanizado
A
B
B
Figura 14. Configuración de una operación de mecanizado de
superficie (Facing)
La figura 14 muestra una serie de planos de color rojo etiquetados como A y
B. El plano A representará la cara que se mecanizará, sobre la que se
apoyará el extremo inferior de la herramienta. Los planos B indican los
límites del plano A que encierran la superficie a mecanizar.
El color de los planos etiquetados en la figura 14 tiene un significado
preciso. El color rojo sobre un elemento indica que CATIA aun no conoce a
qué parte concreta de la pieza corresponde. Para asociar una cara de la a
uno de los planos de la figura 14, basta con picar en el plano (rojo) de la
caja de diálogo y a continuación seleccionar la cara correspondiente en la
pieza. Al ser la operación que se desea un alisado de la cara superior de la
pieza objetivo, ésta es la que asociaremos al plano A.
Plano de mecanizado A
(cara superior de la pieza objetivo)
Contornos de B
(caras laterales del stock)
Figura 15. Selección de planos de mecanizado
Tras seleccionar uno a
uno los elementos
representados en la
figura 14 y asociarlos a
los correspondientes de
la figura 15, el diálogo
de operaciones de
mecanizado mostrará
todos los planos que
intervienen en la
operación en color verde
(Figura 16), indicando
que ya dispone de toda
la información necesaria
para crear la operación
Facing.
Figura 16. Planos seleccionados para la
operación
9. Parámetros de configuración
La caja de diálogo de la figura 14 permite definir, además de los planos que
conforman la geometría de la operación de mecanizado (figura 15), otros
parámetros relacionados con la posición. Si observamos las pestañas de
configuración veremos que hay 5 páginas de propiedades, que se abren al
pulsar cada pestaña:
A
B
C
D
E
Figura 17. Propiedades del mecanizado
Brevemente, los elementos etiquetados se describen a continuación:
•
A: Permite especificar el tipo de trayectoria que va a realizar la
herramienta, separación entre líneas paralelas y diferentes
profundidades. En la figura 18 vemos dos tipos de trayectorias.
Trayectoria elíptica hacia adentro
Trayectoria hacia delante y atrás
Figura 18. Tipos de trayectorias de mecanizado facial
•
•
B: Permite indicar los planos de mecanizado, como se indicó en las
figuras 14, 15 y 16.
C: Elección de la herramienta y definición de la geometría de la
herramienta. Los datos que se definen en este apartado son
fundamentales tanto para la generación del programa de control
numérico (p. ej. para el ajuste de radio) como para la correcta
simulación y previsualización de la operación mecanizado. Todos los
parámetros que aparecen en la figura 19 son editables por el usuario.
Figura 19. Tipos de trayectorias de mecanizado facial
•
D: Velocidades de avance (feedrate) y rotación (spindle) de la
herramienta en las distintas fases de la operación (figura 20). Las
fases a las que se refiere la figura son: aproximación, mecanizado,
retirada (p. ej. al salir de un taladro) y acabado.
Figura 20. Velocidades de rotación de la herramienta
•
E: Estrategias de aproximación “Segura”. La aproximación a la pieza
para realizar una operación de mecanizado debe ser diseñada con
cuidado para que no suceda ninguna colisión, cosa que se puede
detectar y estudiar mediante simulación. Permite definir varios
puntos “seguros” para la aproximación.
10. Simulación
Para visualizar el resultado de una operación pulsaremos, en la caja de
diálogo de la figura 14, una de las suguientes opciones:
•
•
Preview: se visualiza sólo el resultado de la operación de retirada de
material, como un fotografía. Se puede rotar en 3D y analizar
posibles colisiones y trazos de la herramienta no deseados.
Replay. Permite visualizar un vídeo en el que se ve el desplazamiento
de la herramienta y la paulatina retirada de material. Gracias a esta
opción, podemos profundizar en las causas de un mal resultado
detectado con la opción “Preview”.
11. Realización de dos taladros pasantes y vaciado
superior.
Se deja al lector como ejercicio la operación de mecanizado de los dos
taladros pasantes de la pieza . Como pista, se sugiere introducir (InsertPrismatic Operations) una operación de tipo Drilling para cada taladro.
CATIA se encargará de introducir en el programa y en el árbol de trabajo los
cambios de herramienta precisos.
El resto de los parámetros han de configurarse de forma análoga a como se
hizo con la operación “Facing”.
Para el vaciado del rectángulo en la cara superior debe procederse de
manera análoga, introduciendo, en lugar de Drilling, una operación de tipo
Pocketing.
12. Generación del código APT ó ISO
En el árbol de trabajo, basta con seleccionar “Manufacturing Program” y
, del que se despliega un menú en el que
pulsar el botón
seleccionaremos Generate NC Code in Batch Mode.
Esta orden requiere rellenar los datos relativos al lenguaje de la máquina
destino en la siguiente caja de diálogo:
Figura 21. Opciones de generación de código
La opción NC data type permite indicar si queremos generar un programa
ISO ó APT.
En el campo output file debemos indicar un nombre de fichero, que se
empleará parea generar un fichero ASCII con las instrucciones APT o ISO
del programa de mecanizado. El fichero generado puede ser editado con el
Block de Notas de Windows.