Danny Vicente Álvarez Moreira - DSpace@UCLV

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Automática y Sistemas Computacionales
TRABAJO DE DIPLOMA
Propuesta de Modernización de Máquina Electro-erosiva de
Control Numérico ONA Plus 120.
Autor: Danny Vicente Álvarez Moreira
Tutor: MSc. Eduardo Izaguirre Castellanos
Ing. Carlos Sing Yú
Santa Clara
2012
“Año 54 de la Revolución”
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Automática y Sistemas Computacionales
TRABAJO DE DIPLOMA
Propuesta de Modernización de Máquina Electro-erosiva de
Control Numérico ONA Plus 120.
Autor: Danny Vicente Álvarez Moreira
Email: [email protected]
Tutor: MSc. Eduardo Izaguirre Castellanos
Email: [email protected]
Ing. Carlos Sing Yú
Email: [email protected]
Santa Clara
2012
“Año 54 de la Revolución”
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta
Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería
en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que
estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en
eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.
_______________________________
Danny Vicente Álvarez Moreira
Autor
____________
Fecha
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la
dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de
esta envergadura referido a la temática señalada.
____________________________________________________
Danny Vicente Álvarez Moreira
Autor
____________________________________________________
Boris Luis Martı́nez Jiménez, Dr.C
Jefe del Departamento
____________________________________________________
Responsable ICT o J’ de Carrera, (Dr.C., M.Sc. o Ing.)
Responsable de Información Cientı́fico-Técnica
_____________
Fecha
_____________
Fecha
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Fecha
PENSAMIENTO
Andaríamos mejor si no fuera porque hemos construido
demasiados muros y no suficientes puentes.
D. Pire
I
DEDICATORIA
A mis padres, por apoyarme en la obtención de mis metas, por su dedicación y sacrificios
para hacer de mí una mejor persona y sobre todo por su infinito amor.
II
AGRADECIMIENTOS
A todos los que han contribuido a la realización de esta tesis
III
TAREAS TÉCNICAS
1. Revisión bibliográfica del tema relacionado con las máquinas electro-erosiva de
control numérico, características, aplicaciones y reconversión.
2. Estudio de los métodos de electro-erosión, características, programación,
prestaciones, ventajas y desventajas.
3. Estudio de la máquina electro-erosiva ONA Plus 120, funcionamiento y
especificaciones.
4. Defectación de los sistemas de control y accionamiento de la ONA Plus 120.
5. Modificación de los elementos de hardware y software necesarios para llevar a
cabo la modernización.
6. Evaluación de la efectividad de la modernización, mediante procedimientos de
simulación.
7. Realización del análisis técnico-económico.
Firma del Autor
Firma del Tutor
IV
RESUMEN
El desarrollo creciente de las tecnologías asociadas al control numérico computarizado en
máquinas herramientas, hace que desde el punto de vista tecnológico las mismas envejezcan en
relativamente pocos años, en una situación económica tan compleja como la actual las empresas
de países como el nuestro se enfrentan a este reto difícil de superar. Es por esta razón, que
enmarcados en un proceso de renovación y de forma conjunta, la Universidad Central “Marta
Abreu” de Las Villas y la Empresa INPUD Primero de Mayo en Villa Clara se han dado a la
tarea de desarrollar este proyecto para la modernización y puesta en marcha de una máquina
electro-erosiva ONA Plus 120.
En este trabajo se proponen los elementos de reconversión para dicha máquina principalmente en
el sistema automatizado electrónico, sensores, actuadores, y controladores de los motores,
incorporándose elementos de cómputo para gobernar el posicionamiento de los ejes de la
máquina, donde se explota el empleo de técnicas CAD/CAM durante el diseño. De esta manera
el proyecto de modernización se concibe como el punto de partida importante para la
incorporación de dicha máquina a la producción, con mejores condiciones funcionales y de
productividad. De esta manera, la misma pueda ser utilizada en el maquinado de aplicaciones
industriales con un costo de inversión relativamente bajo según los resultados del análisis
técnico-económico efectuado.
V
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ............................................................................................................................. I
DEDICATORIA .............................................................................................................................II
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ III
TAREAS TÉCNICAS ................................................................................................................. IV
RESUMEN .................................................................................................................................... V
Introducción .................................................................................................................................... 1
Organización del informe ........................................................................................................... 2
Capítulo 1: Fundamentos de operación de las máquinas herramientas electroerosivas y de control
numérico. ........................................................................................................................................ 4
1.1
Proceso de electroerosión ............................................................................................... 7
1.1.1
Principio físico ........................................................................................................ 9
1.2.
Tipos de mecanizado por electroerosión....................................................................... 11
1.3.
Consideraciones acerca de la modernización de máquinas herramientas..................... 17
1.4. Conclusiones parciales del capítulo ................................................................................... 19
Capítulo 2: Descripción de los elementos del proyecto de modernización. ................................. 20
2.1 Descripción de la ONA Plus 120 ........................................................................................ 20
2.2 Elementos para la modernización ...................................................................................... 22
2. 2.1 Sistema sensorial......................................................................................................... 24
2. 2.2 Motores de paso .......................................................................................................... 26
VI
2.3 Software de control ............................................................................................................. 31
2.3.1
Descripción del software EMC2........................................................................... 32
2.4 Conclusiones parciales del capítulo .................................................................................... 34
Capítulo 3: Simulación del maquinado de una pieza.................................................................... 35
3.1 Simulación de tarjeta controladora y motores de paso ....................................................... 36
3.2 Configuración del EMC2 para la prueba simulada............................................................. 37
3.2.1 Modos de operación del EMC2 .................................................................................. 43
3.3 Análisis económico............................................................................................................. 43
Conclusiones ................................................................................................................................. 47
Recomendaciones ......................................................................................................................... 48
Referencias bibliográficas............................................................................................................. 49
Anexos .......................................................................................................................................... 51
Anexo A: Estructura de un bloque de programación CNC y algunas instrucciones de
movimientos.............................................................................................................................. 51
Anexo B: Conexiones y formas de montaje de los transductores lineales MT ........................ 52
Anexo C: Motor de paso HY 200 3424, dimensiones y especificaciones ................................ 53
Anexo D: Funciones de los pines del circuito integrado L297................................................. 54
Anexo E: Funciones de los pines y características eléctricas del L298.................................... 55
Anexo F: Código G del diseño para la simulación del maquinado de una pieza...................... 56
Anexo G: Circuito impreso y diseño 3D de la tarjeta controladora.......................................... 57
VII
Introducción
Mejorar continuamente la calidad de los procesos, es un factor clave que conduce al éxito y al
crecimiento hacia una posición competitiva fortalecida de toda empresa. En este sentido, las
empresas manufactureras juegan un papel muy importante en el desarrollo tecnológico de
cualquier país. Dentro de este sector, el mecanizado es uno de los que ha experimentado mayor
evolución.(Boon and Mercado, 1991)
Si para la mecanización total de un número de piezas fuera necesario realizar las operaciones de
fresado, mandrinado y perforado, es lógico que se alcanzaría la mayor eficacia, si este grupo de
máquinas herramientas estuvieran agrupadas, pero se lograría una mayor productividad si todas
estas operaciones se realizaran en una misma máquina. Esta necesidad, sumada a numerosos y
nuevos requerimientos forzó la utilización de nuevas técnicas que reemplazaran al operador
humano. De esta forma, se introdujo el control numérico en los procesos de
fabricación. Inicialmente, el factor predominante que condicionó todo automatismo fue el
aumento de productividad. Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de la industria
aparecieron otros factores no menos importantes como la precisión, la rapidez y la flexibilidad.
El gobierno cubano ha fundamentado en el nuevo modelo de actualización económica la
necesidad de impulsar el desarrollo industrial como un factor importante para el fortalecimiento
económico, y se reconoce que las empresas de manufactura jugarán un papel protagónico en este
proceso de avance. Una opción o alternativa frente a esto, es la reconversión de las industrias,
introduciendo la automatización y actualizando la mayor cantidad de elementos para enfrentar
los retos actuales y futuros de la producción.(PCC, 2011)
La industria manufacturera del país, ha asimilado dentro de los procesos no convencionales de
mecanizado, los procesos de electroerosión o mecanizado por descarga eléctrica (EDM), los
cuales han tenido mucho éxito en el mecanizado de alta dureza, con elevada precisión.
Conjuntamente las tecnologías CAD (diseño asistido por computadora) y CAM (manufactura
asistida por computadora), permiten utilizar la información geométrica correspondiente a la pieza
y para lograr la creación de un programa de control numérico computarizado, que responda al
maquinado correcto de la misma, lográndose una sensible reducción del tiempo dedicado a la
actividad, a la vez de mejorar la calidad de los resultados obtenidos.(Albert, 2007)
Se distinguen dentro del proceso de mecanizado por electroerosión dos métodos: el de corte por
electrodo y el corte por hilo conocido como (WEDM) a partir de su significado en ingles (Wire
Electrical Deschanger Machining).
El presente informe se centrará en mostrar la modernización desde el punto de vista de la
automatización de una máquina electro-erosiva de control numérico por penetración, modelo
ONA Plus 120, perteneciente a la Empresa INPUD Primero de Mayo en Villa Clara, con el fin
1
de incorporar la misma al sector productivo, así como de servir de guía en el desarrollo de
aplicaciones de naturaleza similar a la de este trabajo.
El resultado tangible de esta investigación es la reconversión de dicha máquina, e incorporación
de la misma al sector productivo de la Empresa INPUD en Villa Clara. Para llevar a cabo la
reconversión, primeramente se efectúa un estudio de la misma, acompañado de la defectación de
los sistemas de control y accionamiento, para finalmente proponer las modificaciones necesarias
en relación a los elementos de hardware y software.
Por otra parte, debido a que el proyecto de modernización se realiza en nuestro país, la
reparación o mantenimiento de la misma es perfectamente realizable, dado que se pueden
importar los componentes necesarios para esta tarea. Con ello se evita la contratación de este
servicio a la empresa productora de dicha maquinaria, dejando de incurrir en los enormes costos
de mano de obra especializada, que esta opción trae consigo.
Objetivo General:
Proponer los elementos necesarios de hardware y software para la modernización de la máquina
electro-erosiva de control numérico ONA Plus 120.
Objetivos específicos:
1. Efectuar revisión bibliográfica del tema relacionado con las máquinas herramientas de
electroerosión y su reconversión
2. Estudiar el principio de funcionamiento general y especificaciones de la máquina electroerosiva de control numérico ONA Plus 120.
3. Definir los elementos de hardware y medios técnicos en general necesarios para llevar a
cabo la modernización.
4. Verificar el funcionamiento y cumplimiento de las especificaciones operativas de los
elementos propuestos para la reconversión de la máquina, mediante procedimientos de
simulación.
Organización del informe
El presente trabajo está compuesto por tres capítulos bien definidos en cuanto a su contenido,
además cuenta con las conclusiones generales y recomendaciones, a las cuales se arribaron. Al
final se sitúan las referencias bibliográficas para aquellos lectores que deseen profundizar en el
tema y los anexos para el mejor entendimiento de lo que aquí se presenta. A continuación se
expone la idea principal de cada capítulo.
•
Capítulo 1: En este capítulo se realiza una revisión bibliográfica acerca de los
fundamentos de operación de las maquinas herramientas enfocándose principalmente en
las máquinas electroerosivas por penetración, además se describen elementos del control
numérico computarizado.
2
•
Capítulo 2: En este capítulo se efectúa la descripción general de la máquina ONA Plus
120, considerando los principales parámetros de funcionamiento, sistemas sensoriales,
paneles de control y mando, etc. Así como, de manera general se definen los medios
técnicos y elementos de software, necesarios para la modernización.
•
Capítulo 3: En este capítulo se desarrolla una simulación del maquinado de una pieza
para verificar el funcionamiento de los elementos principales de la propuesta de
reconversión, también se expone un análisis económico de las ventajas de la
modernización
3
Capítulo
1:
Fundamentos
de
operación
de
las
máquinas
herramientas electroerosivas y de control numérico.
La máquina herramienta (MH) es un tipo de máquina que se utiliza para dar forma a materiales
sólidos, principalmente metales. Su característica principal es su falta de movilidad, ya que
suelen ser máquinas estacionarias. El moldeado de la pieza se realiza por la eliminación de una
parte del material, que se puede realizar por arranque de viruta, por estampado, corte o
electroerosión.(Gómez, 2006)
Se considera control numérico a todo dispositivo capaz de dirigir posicionamientos de un órgano
mecánico móvil, en el que las órdenes relativas a los desplazamientos del móvil son elaboradas
en forma totalmente automática a partir de informaciones numéricas definidas, bien
manualmente o por medio de un programa con la incorporación de elementos de cómputo
integrados en la máquina herramienta, Control Numérico (CN) es el término original de esta
tecnología, que actualmente es intercambiable con el término Control Numérico por
Computadora o CNC,
Para la programación en el control numérico se pueden utilizar dos métodos: Programación
Manual y Programación Automática. En el primero, el programa pieza se escribe únicamente por
medio de razonamientos y cálculos que realiza un operario, mientras que en la programación
automática, los cálculos los realiza un computador, que suministra en su salida el programa de la
pieza en lenguaje de máquina. Por esta razón recibe el nombre de programación asistida por
computador.
El lenguaje de máquina comprende todo el conjunto de datos que el sistema de control necesita
para la mecanización de la pieza. Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma
fase del mecanizado, se le denomina bloque o secuencia, y se enumeran para facilitar su
búsqueda. Este conjunto de informaciones es interpretado por el intérprete de órdenes.
Por otra parte, la denominada Fabricación Asistida por Ordenador (CAM por sus siglas en
ingles), ofrece significativas ventajas con respecto a los métodos más tradicionales al controlar
equipos de fabricación con ordenadores en lugar de hacerlo con operadores humanos. Por lo
general, los equipos CAM conllevan la eliminación de los errores del operador y la reducción de
los costes de mano de obra. Sin embargo, la precisión constante y el uso óptimo del equipo
constituyen ventajas aún mayores.
Los equipos CAM se basan en una serie de códigos numéricos, almacenados en archivos
informáticos, para controlar las tareas de fabricación. Este Control Numérico por Computadora
(CNC) se obtiene describiendo las operaciones de la máquina en términos de los códigos
especiales y de la geometría de formas de los componentes, creando archivos informáticos
especializados o programas de piezas. La creación de estos programas de piezas es una tarea que,
en gran medida, se realiza hoy día por software informático especial, que crea el vínculo entre
los sistemas CAD y CAM.(Valentino and Goldenberg, 1991)
4
En el sistema CAD (Diseño Asistido por Computador), la pieza que se desea maquinar se diseña
en la computadora con herramientas de dibujo y modelado sólido. Posteriormente, el sistema
CAM (Manufactura Asistida por Computador) toma la información del diseño y genera la ruta
de corte que debe seguir la herramienta para fabricar la pieza deseada; a partir de dicha ruta de
corte, se crea automáticamente el programa de maquinado, el cual puede ser introducido a la
máquina mediante algún dispositivo de memoria, o enviado electrónicamente.
Por su parte, el programa de mecanizado consiste en una secuencia o bloque de programa, que
debe contener todas las funciones geométricas, funciones máquina y funciones tecnológicas
necesarias para llevar a cabo el proceso de mecanizado el diagrama de la figura 1.1 lo
ejemplifica de una manera gráfica.
Figura 1.1: Diagrama de flujo del proceso de mecanizado con CAD/CAM y CNC.
El comienzo del control numérico estuvo caracterizado por un desarrollo anárquico de los
códigos de programación, donde cada constructor utilizaba el suyo particular. Posteriormente, se
crea la necesidad de normalizar los códigos de programación (ver Anexo A), como condición
indispensable para que un mismo programa pudiera servir para diversas máquinas, con tal de que
dichas máquinas fuesen del mismo tipo. Los caracteres más comúnmente usados, regidos bajo la
norma DIN 66024 y 66025 (Tecnología, 2010), son entre otros, los siguientes:
N: constituye la dirección correspondiente al número de bloque o secuencia. Esta dirección va
seguida normalmente de un número de tres o cuatro cifras. En el caso del formato N03, el
número máximo de bloques que pueden programarse es 1000 o sea de N000 a N999.
X, Y, Z: son las direcciones correspondientes a las cotas según los ejes X, Y, Z de la máquina
herramienta. Dichas cotas se pueden programar en forma absoluta o relativa, es decir, con
respecto al cero pieza o con respecto a la última cota respectivamente.
5
Códigos G: establecen la dirección correspondiente a las funciones preparatorias. Se utilizan
para informar al control de las características de las funciones de mecanizado, como por
ejemplo, forma de la trayectoria, tipo de corrección de herramienta, parada temporizada, ciclos
automáticos, programación absoluta y relativa, etc. La función G va seguida de un número de
dos cifras que permite programar hasta 100 funciones preparatorias diferentes.(Estern, 2004 )
Códigos M: representan las funciones misceláneas que se requieren para el maquinado de
piezas, y que no son de movimiento de la máquina (arranque y paro del husillo, cambio de
herramienta, refrigerante, paro de programa, etc.)
Los programas CNC que utilizan estos códigos están compuestos por bloques sucesivos cada
uno de éstos es una instrucción para el control. Los bloques pueden estar numerados ó no, la
numeración puede no ser de uno en uno, puede ser de cinco en cinco, de diez en diez, etc. pero
siempre de de manera creciente si por alguna razón existiera un bloque cuyo número sea menor
al anterior, el control detiene la ejecución del programa.(Tecnología, 2010)
En la actualidad las Máquinas Herramientas de Control Numérico (MHCN), constituyen una
modalidad muy utilizada en la automatización flexible, en general son máquinas herramientas
programadas para fabricar lotes de piezas de pequeño y medio tamaño y de formas complicadas,
donde los programas de software sustituyen a los operarios y/o especialistas que controlaban y
operaban el funcionamiento de las máquinas herramientas convencionales. El funcionamiento
automático incluye las tareas a ejecutar, velocidades de corte y posicionamiento, así como
algunas variables de control adaptable para comprobar aspectos tales como temperatura,
vibración, condición del material, desgaste de las herramientas, etc., y que posibilitan proceder a
con los reajustes necesarios.
Estas máquinas pueden encontrarse en forma asilada, en cuyo caso se habla de un módulo, o
bien interconectadas entre sí por medio de algún tipo de mecanismo automático para la carga y
descarga de las mismas durante su trabajo continuo, en cuyo caso se hablaría de una célula de
fabricación. Cuando una máquina de control numérico actúa de forma independiente, necesita
contar con la presencia de un operario, quien generalmente se ocupa de la carga y descarga de
las piezas a procesar, los programas y las herramientas.(Martino, 1990)
Por la forma de trabajar las máquinas herramientas se pueden clasificar en tres tipos:
•
•
•
De desbaste o desbastadoras, que dan forma a la pieza por arranque de virutas.
Prensas, que dan forma las piezas mediante el corte, el prensado o el estirado.
Especiales, que dan forma a la pieza mediante técnicas diferentes, láser, electroerosión,
ultrasonidos, plasma, etc.
Otra de las formas de clasificación existente, consiste en agruparlas en dos grupos principales:
máquinas convencionales y no convencionales; en el primer grupo clasifican, entre otras, los
tornos, taladros, fresadoras, pulidoras, sierras, cepilladoras, etc. El segundo grupo lo componen
las máquinas de electroerosión, arco de plasma, láser, ultrasónicas, etc.
6
Si bien la anterior clasificación es correcta, el término de proceso de "mecanizado no
convencional" para hacer referencia a la electroerosión, podría ponerse en duda, debido a la
amplia introducción de la misma en los talleres de maquinado, lo cual ha venido acompañado en
los últimos años, de grandes avances tecnológicos asociados a este proceso. La velocidad de
trabajo, tamaño de las piezas, ángulo de corte, costo, precisión, trabajo desatendido, etc.
representan los pilares fundamentales en los que se sustenta el éxito de la electroerosión, tanto en
sus variantes de electroerosión por hilo, como electroerosión por penetración.
De hecho, actualmente representa el cuarto método de maquinado de piezas más utilizado, sólo
superado por el fresado, el torneado y el rectificado. La amplia difusión de la electroerosión en
los últimos tiempos, obedece a las rápidas mejoras experimentadas en relación a
precio/prestaciones, a la introducción de nuevas aplicaciones y al creciente interés generado en la
industria mecánica, por las ventajas asociadas a esta tecnología.(Gómez, 2006)
1.1
Proceso de electroerosión
Desde que la electricidad comenzó a dar sus primeros pasos, se observó el efecto destructivo
producido por la chispa eléctrica, al saltar entre dos contactos en el momento de su separación.
Este efecto incitó a numerosos científicos a profundizar en su investigación, con el fin de
evitarlo, pero ello, unido a una necesidad de buscar un método nuevo de mecanizado diferente a
los convencionales que utilizaban herramientas mecánicas, llevó a la idea de utilizar el citado
efecto destructivo, como vía o método de reproducción de formas.
En 1943, en plena segunda guerra mundial, y dada la escasez de oro y cobre, el matrimonio
compuesto por los científicos soviéticos B.R. y N.I. Lazarenko centraban su investigación en la
búsqueda de materiales que pudieran sustituir estos metales, que se empleaban en los contactos
de dispositivos eléctricos de conmutación de alta potencia. Los Lazarenko establecieron un plan
de pruebas para comprobar la influencia de determinados parámetros en el desgaste de los
contactos, mediante descargas de condensadores.(Ona-Electroerosión, 2002a)
Un joven científico de su equipo, B.N. Zolotykh, fue encargado de realizar tal tarea con los
Lazarenko y fue quien publicó el 23 de abril de 1943 el primer artículo sobre la electroerosión,
titulado "Sobre la inversión del efecto de la erosión eléctrica”. Si bien, su mayor interés como
investigador era cómo minimizar el efecto de las descargas, se percataron de que bajo ciertas
condiciones el desgaste se maximiza, lo que les llevó a pensar en utilizar esta técnica como una
nueva tecnología para el arranque de material. Para ello, pusieron a punto el primer circuito
generador de descargas erosivas, conocido como "circuito Lazarenko", y desde entonces se ha
denominado con la palabra "electroerosión" a esta nueva técnica de mecanización de los metales.
La característica más importante de la electroerosión, es la posibilidad de erosionar cualquier
tipo de material conductor de la electricidad, independientemente de su dureza, ya que los
factores que influyen en los resultados no son los puramente mecánicos como dureza, tenacidad,
etc. sino los térmicos como conductividad térmica, temperatura de fusión, etc. Junto a esta
7
característica, hay que citar la capacidad de reproducir la forma del electrodo-herramienta, que
en adelante será llamado tan sólo "electrodo", lo cual supone una gran ventaja para el caso de
piezas de formas complicadas.
Las primeras máquinas de electroerosión aparecieron en los años 1948-1950, siendo básicamente
máquinas-herramienta convencionales, tales como taladros, etc. que habían sido transformadas
parcialmente para las necesidades de la electroerosión, adaptándoles un generador, un tanque de
trabajo, etc.(Ona-Electroerosión, 2002a)
Fue a mediados de la década de los años 50, cuando aparecieron en el mercado las primeras
máquinas de electroerosión concebidas como tales, siendo alguna de sus aplicaciones iniciales la
destrucción de brocas y machos rotos en piezas. Los primeros generadores que existieron,
denominados de relajación, producían un gran desgaste de los electrodos, del orden del 100% en
volumen, pero esto no fue impedimento para que los sectores industriales se interesaran en la
naciente tecnología.
Al igual que en otras áreas de la tecnología, los avances de la electrónica tuvieron su influencia
positiva en el proceso de electroerosión, permitiendo sustituir los generadores de relajación por
los transistorizados, lo cual se produjo en los inicios de los años 60.
La reducción de los índices de desgaste de los electrodos a niveles del 0.5% en volumen,
consecuencia directa del uso de los generadores transistorizados, abrió las grandes puertas de la
industria del molde, matricería, forja, etc.
El efecto en los índices de producción de máquinas de electroerosión fue inmediato, y la
tecnología de la electroerosión se convirtió en un sistema de mecanizado fundamental, frente a
los hasta entonces existentes. De este modo, comenzó a extenderse el concepto de “métodos no
convencionales” para referirse a la electroerosión frente a los “métodos convencionales”
diferenciación que todavía hoy perdura.
Hasta esas épocas, la única electroerosión conocida era la de penetración, y su aplicabilidad en el
mercado era un hecho real y ampliamente aceptado.
Hacia finales de los años 60 y comienzos de los 70, surge la idea de desarrollar la tecnología de
las máquinas de electroerosión por hilo. Si bien, este avance podría ser fijado en una fecha
concreta, la evolución de las máquinas de electroerosión por hilo se ha prolongado a lo largo de
dos décadas, y es hacia comienzos-mediados de la década de los años 90, cuando se aprecia una
identificación masiva entre los usuarios y la electroerosión por hilo, haciendo que los índices de
producción de estas máquinas lleguen a igualar y hasta a superar a los de las máquinas de
electroerosión por penetración.(Ona-Electroerosión, 2002b)
Si bien la electroerosión por hilo se ha desarrollado gracias a la evolución de la electrónica y,
más concretamente, a los controles numéricos, estos avances tecnológicos también han tenido su
8
influencia en la electroerosión por penetración. En los inicios de la década de los años 80, se
comienza a implementar la electroerosión por penetración con tecnología CNC.(Valentino and
Goldenberg, 1991)
Este avance en las máquinas de electroerosión por penetración, fue tan importante que al cabo
de poco más de una década (comienzos de los 90), prácticamente la totalidad de las máquinas
producidas por los fabricantes de primera línea ya eran de control numérico, la evidente y
progresiva implantación de las micro-tecnologías, ha jugado en los últimos años, un papel de
gran importancia en el avance de la electroerosión.
1.1.1
Principio físico
Se define el proceso de electroerosión como el método de arranque de material por medio de
descargas eléctricas controladas, que saltan, en un medio dieléctrico, entre un electrodo
(herramienta de trabajo) y la pieza a mecanizar.(Kahng and Rajurkar, 1977, Werner and Olson,
1968)
Los diversos fenómenos que entran en juego en el momento de la descarga y el consiguiente
arranque del material de la pieza son de gran complejidad, ya que las circunstancias que
concurren son muy críticas; por ejemplo el tiempo de duración varía entre microsegundos y
milisegundos, y las distancias interelectródicas son del orden de unas centésimas ó quizás
algunas décimas de milímetro.
En este tiempo y, debido a la intensidad del campo eléctrico en los dos puntos de máxima
proximidad (D) entre electrodo y pieza (ver figura 1.2), se llegará a un momento en que se
supere la tensión de disrupción del dieléctrico que los separa, iniciándose la formación de un
canal de elevada conductividad.
Figura 1.2: Lugar de máxima proximidad entre electrodo y pieza.
La concentración e intensificación del campo eléctrico, tiene como efecto la ionización del
dieléctrico y la polarización de las partículas e iones (Figura 1.3a). De esta manera, se forma el
canal de descarga, el cual queda rodeado por iones positivos que comprimen y lo aíslan del
medio circundante, reduciendo así su sección (Figura 1.3b).
9
(a)
(b)
Figura 1.3: Ionización del dieléctrico (a) e iniciación del canal de descarga (b).
La brusca caída de la resistencia del canal, permite que la corriente alcance valores elevados, y el
paso masivo de electrones origina un aumento de la ionización que, a su vez, crea un potente
campo magnético que comprime aún más el canal de la descarga, produciendo su calentamiento.
(Figura 1.4a).
La velocidad de aumento de la intensidad de la corriente se cifra en unos 10 a 100 millones de
amperes por segundo, alcanzándose temperaturas del orden de hasta decenas de miles de grados
en un tiempo de 2 a 4 microsegundos (Figura 1.4b).(Werner and Olson, 1968)
(a)
(b)
Figura 1.4: Paso de la corriente por el canal de descarga (a) y efecto del paso masivo de la
corriente por el canal (b).
El resultado de tan intensa acción térmica es la fusión, e incluso evaporación, de un reducido
volumen de material, tanto en pieza como electrodo. Incluso se generan residuos como
consecuencia de la ruptura del dieléctrico (Figura 1.5 a)
10
(a)
(b)
Figura 1.5: Arranque de material producido por la descarga (a). Estado final del cráter (b).
Al final de la descarga, la presión del interior de la burbuja cae bruscamente, a consecuencia de
lo cual se genera una depresión de manera que el dieléctrico arrastra los residuos existentes en el
cráter recién formado, a la vez que enfría su superficie, impidiendo la conducción del calor hacia
el interior del metal.
Al agotarse por completo la energía de la descarga, el ciclo ha llegado a su fin. El canal de
conductividad eléctrica se cierra al desionizarse el dieléctrico y recobra de nuevo su rigidez
dieléctrica, pudiendo así comenzar el ciclo correspondiente a la siguiente descarga, que se dará
entre los dos puntos de máxima aproximación entre electrodo y pieza (Figura 1.5b).
El tiempo de pausa entre dos descargas es fundamental para el correcto desarrollo del proceso. Si
este tiempo no existiera o fuese insuficiente, la chispa se colapsaría, dando lugar a un arco. La
acumulación de residuos en la cavidad también puede llegar a producir este efecto.
1.2. Tipos de mecanizado por electroerosión
Distinguiendo según la forma del electrodo y según el movimiento relativo de éste con relación a
la pieza, se pueden hacer varias subdivisiones dentro del concepto general de mecanizado por
electroerosión.
Figura 1.6: Formas típicas del mecanizado por electroerosión.
La variante por penetración es la más universal. Se basa en el avance continuo, y servocontrolado de un electrodo-herramienta que penetra en el electrodo-pieza, en presencia de un
líquido dieléctrico. Según la forma del electrodo y la profundidad que se dé a las formas
11
erosionadas en la pieza, se podrán obtener tanto formas pasantes, como formas ciegas de
geometrías complicadas (Figura 1.7).
Figura 1.7: Ejemplos de electroerosión por penetración.
La diferencia básica entre el corte por electroerosión y la electroerosión por penetración es que
la forma del electrodo no influye directamente en la forma de la pieza a obtener, ya que lo único
que se pretende es el realizar un corte en la pieza y no obtener una copia con la forma del
electrodo (Figura 1.8).
Figura 1.8: Corte por Electroerosión.
Todo ello presupone, por tanto, que el costo del electrodo se reduzca considerablemente al tener
una forma característica que lo hace muy asequible, ya que se puede comprar en el mercado
listo para su utilización. En este tipo de electroerosión hay que destacar el caso en que el
electrodo tiene forma de hilo (electroerosión por hilo), que se presenta la totalidad de las
aplicaciones prácticas.
En esta forma de electroerosión, se da un movimiento de rotación del electrodo, con lo que el
comportamiento se asemeja a una operación de rectificado convencional, pero el arranque de
material se realiza mediante descargas eléctricas, sin contacto directo entre electrodo y pieza
(Figura 1.9). El ámbito de aplicación de este tipo de máquina es muy reducido.
12
Figura 1.9: Rectificado por electroerosión.
En este contexto, podemos mencionar que las partes fundamentales de una máquina de
electroerosión son las siguientes:
• Una bancada o armazón, que sirve de base para los demás elementos.
• La mesa de trabajo.
• La unidad de filtrado, con el sistema de circulación del líquido dieléctrico, su filtrado,
enfriamiento, etc.
• El generador de impulsos, que puede estar incorporado en la bancada, pero que generalmente
se halla en un armario aparte, y se sitúa al lado de la máquina.
• Una unidad de CNC, que permite elevados niveles de automatización, aunque tales unidades
pueden no estar incorporadas en todas las máquinas.
Figura 1.10: Partes fundamentales y ejes de una máquina electroerosiva.
Dados los diferentes conceptos constructivos de máquina que existen, además de las dos
tipologías básicas de penetración e hilo, y de las numerosas variantes que pueden ser utilizadas
para dar solución al amplio espectro de aplicaciones de la electroerosión, la asociación alemana
13
VDI desarrolló la norma VDI 3402 en la que se definen los diferentes ejes de cualquier máquina
de electroerosión. En lo adelante toda referencia a este tema será consecuente con dicha
norma.(VDI-3402, 1980)
Armazón: Constituye el esqueleto de la máquina. Aunque puede tener diversas formas, ha de
estar concebido para servir de base de sujeción a todos los elementos y dispositivos necesarios
para el proceso de electroerosión, tales como los dedicados al accionamiento del sistema
portaelectrodos (en las de penetración), al sistema de movimiento y guiado del hilo (en las de
hilo), y a la mesa de trabajo con el tanque de dieléctrico. En máquinas pequeñas, normalmente,
en la construcción del armazón se adopta la forma de cuello de cisne.
La tendencia más moderna en máquinas de electroerosión consiste en separar el generador de los
elementos mecánicos, introduciendo aquél en un armario aparte. Esta tendencia está justificada
por el gran número de variantes que se pueden dar en los generadores para alimentar una misma
máquina, en el caso de la penetración, y en la conveniencia de alejar del cuerpo de la máquina de
cualquier fuente de calor que pudiese producir distorsiones mecánicas.
El cabezal de una máquina de electroerosión es un elemento esencial de la misma, ya que lleva
consigo todo el complejo sistema de mecanizado automático, además de una serie de órganos
que sirven para parar la máquina automáticamente al final del trabajo y para la lectura de la
posición del electrodo. Su parte principal es el servosistema de control que actúa sobre el
portaelectrodos, asegurando un desplazamiento vertical del electrodo, siempre sobre el mismo
eje. La rigidez de estos elementos ha de ser muy cuidada.
El servosistema de control es el encargado de mantener la distancia entre el electrodo y la pieza
constante, a menudo se le suele llamar a esta distancia “gap”. En el proceso de electroerosión se
van desgastando ambos electrodos, lo cual daría como consecuencia su separación en el
momento en que el gap se hubiera agrandado. La velocidad de arranque de material y el desgaste
dependen de la intensidad de la descarga y del tiempo de impulso.(Kahng and Rajurkar, 1977)
Según sean las dimensiones del electrodo, ambos polos tenderán a separarse en un tiempo más o
menos corto. Por ello, el servosistema de control ha de tener gran velocidad de respuesta para
acercar el electrodo a la pieza, con un avance muy preciso.
Asimismo, hay casos en los que el electrodo y la pieza entran en contacto directamente,
produciéndose un cortocircuito. En este caso el servosistema de control debe de separarlos
automáticamente con gran rapidez. Este movimiento automático se realiza aprovechando la
relación que existe entre la tensión media entre electrodos y su distancia. Toda variación de esta
distancia, se traduce automáticamente en una proporcional variación de dicha tensión (en el
mismo sentido). Midiendo con la ayuda de un dispositivo apropiado la desviación de dicha
tensión como señal de error, es posible regular automáticamente el avance y mantener constante
la distancia entre electrodos.
14
La mesa de trabajo es la unidad en la que se fija la pieza para su mecanización. Según sea el tipo
de arquitectura de la máquina, puede hacer que sea indistintamente la mesa o el cabezal el
elemento móvil.
La mesa de trabajo se halla dentro del tanque de trabajo, que se llena de líquido dieléctrico, y es
donde se efectúa el mecanizado. El volumen de dicho tanque depende del tamaño de la pieza y
de la potencia del generador.
Por su parte, los módulos CNC permiten la realización de una muy variada gama de funciones,
las cuales, en conjunto con la posibilidad de variar de los regímenes de potencia de los
generadores, el control del estado del proceso y los sistemas automáticos de intercambio de
electrodos y piezas, suponen un muy elevado grado de automatización y la posibilidad de
trabajar en modo desatendido durante largos períodos de tiempo.
La unidad de filtrado es la encargada de extraer del líquido dieléctrico, los residuos del material
arrancado durante el proceso de electroerosión. Además de los elementos necesarios para la
función de filtración, ésta unidad incluye los dispositivos necesarios para asegurar el envío del
líquido hacia el tanque de trabajo y poder ejecutar los diferentes tipos de limpieza de la zona de
trabajo.
Otro de los elementos fundamentales de la máquina de electroerosión es el generador. Con el
paso del tiempo se han ido desarrollando diversos tipos. Principalmente se pueden distinguir dos
grandes grupos: generadores de relajación y generadores de impulsos transistorizados.
Así pues, el generador que proporciona los impulsos o descargas erosivas tiene como
fundamento el proporcionar la tensión necesaria para el cebado o encendido de la descarga así
como para su mantenimiento. Además, tiene que limitar la corriente de las descargas, así como
garantizar la duración y la frecuencia de sucesión de las descargas. La tensión de mantenimiento
de las descargas cebadas es característica de cada pareja de metales electrodo-pieza y es
independiente de la corriente de la descarga.
Inicialmente, el primer circuito generador de descargas eléctricas para la electroerosión, fue el
denominado “Circuito Lazarenko” que recibe este nombre por los investigadores que lo
desarrollaron.
El circuito Lazarenko es de gran simplicidad y su elemento más característico es un condensador
que es alimentado por medio de una fuente de corriente a través de una resistencia (figura 1.11).
15
Figura 1.11: Variantes de circuitos generadores de relajación RCLD, con sus señales de
descargas.
Así pues, los circuitos de relajación presentan como ventajas la simplicidad, la robustez y un
campo relativamente extenso de energías de descarga. Como inconvenientes hay que citar el
elevado desgaste que afecta a los electrodos, la interdependencia de parámetros como la corriente
de la descarga, su duración y su energía, y la limitación relativa a la elección de los materiales de
los electrodos.
Hoy en día, todavía se emplea este tipo de generadores en aplicaciones como el de superacabado
y el de algunos micromecanizados, que exigen muy bajas energías y elevadas frecuencias.
Aumentando la corriente de la descarga, se llega a un cierto valor donde desaparece el fenómeno
de relajación, produciéndose un arco continuo donde el canal no se desioniza, y al no apagarse
la descarga, toda la energía de la fuente alimenta directamente al arco. No obstante existe una
limitante en el aumento de la capacidad de la corriente de arranque, esto llevó a la idea de
interrumpir exteriormente la corriente de carga, justo tras la descarga, para poder asegurar una
eficaz desionización del canal.
Todo lo expuesto anteriormente llevó a la idea de pulsar la corriente de descarga. Por ello se
pensó en los generadores de impulsos impuestos, siendo en 1959 cuando se presenta en París el
primer generador de impulsos transistorizado, en el cual las variables de tiempo de impulso (ti),
tiempo de pausa (to) y la intensidad del impulso (if), pueden ser variadas de forma independiente
(ver figura 1.12 a).
Estos generadores toman corriente de la red alterna, trifásica a 220 ó 380 V, y dan a su salida un
tren de impulsos consecutivos, en los que se pueden variar independientemente las variables
16
antes mencionadas. Dicha salida se aplica directamente a los electrodos, según se muestra en la
figura 1.12 b).
(a)
(b)
Figura 1.12: (a) Gráficas de las descargas y (b) generador de impulsos
La figura 1.12 (a) muestra un impulso de tensión y otro de intensidad en un proceso normal.
Entre los dos polos (electrodo y pieza) se establece una tensión (Uo) llamada tensión de vacío.
Durante un tiempo muy corto (td), llamado tiempo de encendido, que oscila entre 0,5 y 2 µs, se
inicia la descarga a través del líquido dieléctrico. Entonces la tensión entre los polos baja mucho,
hasta un valor Uf, llamado tensión de descarga. Se crea entonces el impulso de intensidad que es
de forma rectangular y de duración tf. En estos generadores, el electrodo es uno de los polos
(normalmente el ánodo), mientras que la pieza constituye el otro electrodo.
1.3.
Consideraciones acerca de la modernización de máquinas herramientas
Como ya se ha mencionado, en este proyecto se proponen los elementos necesarios para la
reconversión de la máquina herramienta electroerosiva por penetración ONA Plus 120
sustituyéndose los elementos de desplazamiento de la misma por un sistema eléctrico de tres
motores para el movimiento de los ejes y el movimiento del cabezal electroerosivo, así como un
moderno sistema sensorial. Tal y como se muestra en la Tabla 1.1 existen varias máquinas,
equipos e instalaciones tecnológicas que requieren de este tipo de modernización. En este caso
citamos solo las máquinas pertenecientes a la Empresa INPUD, pero en situación similar
pudieran encontrarse diversas entidades en nuestro país.
En el caso particular del INPUD, sería de gran importancia añadir otra estación de maquinado en
la Planta de Moldes y Troqueles de la citada entidad, para el cumplimiento de los planes de
producción de este centro, en este caso se seleccionó la ONA Plus como objetivo de la
reconversión.
17
Tabla 1.1: Equipos e instalaciones tecnológicas de la Empresa INPUD que requieren
modernizarse con sistemas de automatización.
ESTADO
Máquina o equipo
TÉCNICO
Sistema de Control
Automático
Mecánico
Eléctrico
Torno CNC DFS 2/E
Alemán
No funciona
Bueno
Malo
Electroerosiva de hilo
UE250 ONA
No funciona
Bueno
Malo
Trabajando
Bueno
Bueno
Trabajando
Bueno
Bueno
No funciona
Malo
Regular
No funciona
Bueno
Regular
No funciona
Bueno
Malo
No funciona
Bueno
Malo
Electroerosiva de
penetración HS 600 ONA
Fresadora CNC, Modelo
K600, KONDIA
Fresadora CNC, Modelo
FKR SRS, Alemania
Taladro por coordenadas
BKOE
Electroerosiva penetración
Plus 120 ONA
Electroerosiva penetración
INFRESA, ONA
18
1.4. Conclusiones parciales del capítulo
Después de realizar una profunda revisión bibliográfica se arriban a las siguientes conclusiones:
•
El control numérico unido al diseño y maquinado asistido por ordenador (CAD/CAM),
ofrece significativas ventajas con respecto a los métodos más tradicionales permitiendo la
eliminación de los errores del operador, una precisión constante y la reducción de los
costes de mano de obra.
•
La electroerosión por penetración constituye uno de los métodos de mecanizado más
usados, principalmente por la posibilidad que ofrece de erosionar cualquier material
conductor independientemente de su dureza.
•
Como resultado de las investigaciones acerca de las partes fundamentales de las
máquinas electroerosivas, así como las funciones de cada una de ellas, se considera
resulta factible desarrollar una propuesta de reconversión para la máquina electroerosiva
ONA Plus.
19
Capítulo 2: Descripción de los elementos del proyecto de
modernización.
En este capítulo se muestra una descripción general de las partes involucradas en el proyecto de
reconversión, considerando los principales parámetros de funcionamiento, sistemas sensoriales,
paneles de control y mando de la ONA Plus 120. Así como se definen los medios técnicos y
elementos de software en general, necesarios para llevar a cabo la modernización.
2.1 Descripción de la ONA Plus 120
Como objeto principal de la presente investigación se encuentra la máquina electroerosiva por
penetración ONA Plus 120 (figura 2.1 a) de la compañía ONA Electroerosión S.A., con sede en
País Vasco, España. Por consiguiente, como primer paso hacia su reconversión se procede a la
revisión y estudio de los datos mecánicos y eléctricos de sus partes principales.
Tabla 2.1: Principales datos de la máquina electroerosiva ONA Plus
Recorrido del porta electrodos
200 mm.
Distancia máxima entre cabezal/mesa
520 mm.
Medición profundidad comparador
50 + 25 =7 5 mm.
Curso longitudinal del carro
300 mm.
Curso transversal del carro
200 mm.
Dimensiones del tanque
800 × 500 × 290 mm.
Dimensiones de la mesa
550 × 350 mm.
Peso admisible de la mesa
200 Kg.
Peso máximo del electrodo
30 Kg.
En la Tabla 2.1 se muestran de manera resumida las principales características de la máquina
electroerosiva por penetración ONA Plus 120, según los datos brindados por el fabricante (ONAElectroerosión, 1980). Dentro de las especificaciones de la máquina se tienen las longitudes de
los ejes X (300 mm), Y (200) y Z (200 mm), valores que serán utilizados en el próximo capítulo.
Por su parte, en la Tabla 2.2 se indican los principales parámetros del generador de impulsos de
la máquina.
20
Tabla 2.2: Parámetros técnicos del generador de impulsos de la ONA Plus
Potencia
15, 30, 45, 60 Amperes
Tensión de los impulsos
50, 100, 200 volts
Regulación de los impulsos
1/1.999 µs
Regulación de las pausas.
1/999 µs
Desgaste volumétrico (cobre)*
0,2 (% vol.)
Desgaste volumétrico (grafito)*
0,1 (% vol.)
Rugosidad Ra (CLA)**
0,4/0,8 (µ)
Máximo arranque de material***
Potencia máxima requerida
100, 220, 350, 500 mm³/min
3/4/5.14/6.3 KVA
*
( ) Relación porcentual del volumen del electrodo gastado, respecto al volumen de material arrancado.
(**) Aspereza producida por la chispa en la superficie de mecanizado. El valor indicado está reflejado en
unidades "Ra" (CLA). Entre la rugosidad "Ra" (CLA) y "Rt" (rugosidad total) no existe una relación
matemática sencilla pero se utiliza como buena aproximación la siguiente: Rt = 4Ra.
(***) Volumen de material arrancado por unidad de tiempo en la pieza mecanizada, siendo el valor indicado
según normas VDI 3402.
Uno de las partes esenciales de cualquier máquina electroerosiva es su cabezal, lugar donde se
encuentra el portaelectrodos. El dispositivo de desplazamiento del cabezal de la ONA Plus 120
está compuesto por una caña, guiada por rodillos y con desplazamiento mediante un husillo
a bolas, el movimiento se realiza mediante la acción de bombas hidráulicas. Posee un sistema de
medición vertical (ver figura 2.1 b) encargado de regular la profundidad de la erosión. La
medición de los desplazamientos verticales del cabezal se hace con ayuda de un reloj
comparador (1) de 50 mm de carrera, que va fijado a la parte superior de la caña.
(a)
(b)
Figura 2.1: (a) Máquina ONA Plus 120 y (b) sistema de medición vertical para el cabezal.
21
EI comparador se apoya sobre el cabezal micrométrico (2) de 25 mm. con lo cual se puede
obtener una medición centesimal por comparador de 75 mm de recorrido del cabezal. En la
parte superior del comparador va incorporado, un microrruptor de profundidad (4) que detiene
el cabezal al llegar a cero el comparador, es decir, por haber alcanzado la profundidad de
trabajo deseada. El reloj comparador, al alcanzar la altura programada, detiene el cabezal,
desconectando la erosión o no, dependiendo de la configuración dada por el usuario.
Se dispone además de un interruptor de fin de carrera ascendente (5) que desconecta el
maquinado al terminar el recorrido en la parte superior y de un fin de carrera descendente (3)
que lo desconecta al terminar el recorrido en la parte inferior.
Todo el sistema de medición vertical además de poseer una alta precisión, se encuentra calibrado
y en buen estado técnico, por lo que se propone que el mismo se incluya en la reconversión como
parte del sistema de medición vertical, efectuando la función de elemento sensor límite para la
generación de señales de final de carrera.
Como se ha mencionado en el capítulo anterior en la máquina original los desplazamientos en X
e Y se realizan manualmente mediante la acción sobre los nonios de los ejes, mientras una
bomba hidráulica es la encargada de ejecutar la función de recorrido del cabezal electroerosivo, a
lo largo del eje Z.
En este caso se propone que el control de los recorridos de la máquina electroerosiva sean
gobernados por una computadora, que generará los pulsos mediante un programa elaborado en
código G (que es cargado por el usuario o generado por un software), donde mediante el puerto
paralelo de la computadora se efectuará la comunicación con la máquina ONA Plus.
Los códigos G establecerán las especificaciones relativas al movimiento lineal de cada eje, a
partir de los atributos: dirección y velocidad, generando las señales de pulsos que luego son
enviadas a los controladores de potencia (drivers) de los motores, que a su vez habilitan la
rotación de los mismos, convirtiendo las trayectorias generadas en el software, en movimientos
mecánicos de desplazamiento de los tres ejes de la máquina.
2.2 Elementos para la modernización
El proyecto de actualización está enfocado en tres direcciones de trabajo: proyecto mecánico,
proyecto electrónico y proyecto de control por software. En la primera parte se incluyen las
estructuras mecánicas y la especificación de los datos de la máquina. El proyecto electrónico
consiste en la selección de las fuentes de energía, placas controladoras de los motores de paso,
sensores y servomotor para el accionamiento de cabezal electroerosivo; mientras que el control
por software se enmarca en el uso de una plataforma de software para el control de la velocidad y
dirección de los motores de paso, además de proporcionar una interfaz gráfica para la interacción
con el usuario.
22
El panel control manual que se muestra en la figura 2.2, se propone como un valor añadido y
tiene como función proporcionar una variante de manejo opcional al operador, lo que significa
que ante un determinado evento, previsto o no, se puede prescindir del control computarizado y
disponer del mecanizado manualmente.
Figura 2.2: Vista frontal del panel de control manual.
Dentro de los elementos que contiene se encuentra el selector de servo, un conmutador de dos
posiciones, que permite seleccionar el servo vertical (para realizar erosiones y centrajes
verticales) o el servo horizontal (para realizar erosiones, desplazamientos y centrajes
horizontales), en esta posición permanece bloqueado el eje Z. También se incluye una pantalla
alfanumérica de 5 caracteres para la visualización de las cotas de desplazamiento en centésimas
de milímetro (máx. 199,95), radios de órbitas en milésimas de milímetro (máx. 19,995), así como
de mensajes de control, que indican el estado de operación en que se encuentra la máquina.
El panel de mando cuenta además un conmutador de 16 posiciones, que permite seleccionar las
distintas funciones que el control es capaz de realizar. Para la ejecución de estas funciones se
utiliza el pulsador Enter; dentro de las selecciones posibles se encuentran 6 posiciones que
permiten 3 tipos de órbitas circulares y otras 3 cuadradas, todas diferentes, que exigen la
selección previa del radio (en milésimas de milímetro), siendo el radio máximo de 19,995 mm.
Todas las funciones del selector de funciones necesitan un valor que deberá seleccionarse
previamente. En el caso de las órbitas, es el radio, en el de los desplazamientos, es la cota y en el
de la velocidad será un valor que se especificará durante el proceso de diseño de la pieza.
Las escalas utilizadas en los radios y en las cotas de los desplazamientos son diferentes,
siendo 5 µm las unidades menores de los radios y 50 µm las de las cotas.
23
Por otra parte existen 4 posiciones, que permiten desplazar manualmente la mesa según los ejes
X e Y, en sentido positivo o negativo. Esta función pone a cero el control, los motores para
el movimiento de los ejes X e Y permanecen libres, permitiendo movimientos manuales en
ambos ejes. Cualquier cota seleccionada previamente es puesta a cero. Si en esta situación
se sitúa el selector de servo en posición horizontal, se logran dos formas de mover la
mesa:
a) Manualmente: al estar libres los motores se puede desplazar la mesa en cualquier
dirección del plano definido para los ejes X e Y.
b) A través del control: si se sitúa el selector de funciones en alguna de las posiciones +X,
-X, +Y, -Y, al pulsar Enter estando desconectada la erosión, la mesa se desplazará en
el sentido indicado por la posición del selector.
Por último, las demás opciones del panel brindan la posibilidad al usuario de: localizar de forma
automática, el centro de una cavidad; aumentar o disminuir de forma rápida y continua los
valores reflejados en el visualizador, así como fijar una velocidad de movimiento deseada.
A partir de este momento se definen los elementos de hardware necesarios para llevar a cabo la
modernización de la ONA Plus 120. Entre los elementos seleccionados se encuentran dos
motores de paso modelo HY 200 3424 para el desplazamiento de los ejes X e Y, disponiéndose
para el tercer eje (eje Z) de un servomotor DC de Mavilor Motors, modelo BL 110.
2. 2.1 Sistema sensorial
Para poder diseñar un adecuado sistema de control es necesario definir las variables a medir y
seleccionar la instrumentación más adecuada. Para una máquina herramienta C.N.C es necesario
medir el número de revoluciones de los motores de paso para controlar la velocidad de
acercamiento y posición de la herramienta en el eje “Z” así como el movimiento de las mesas en
los ejes “X” e “Y”.(Zúñiga, 2003)
Controlar la ubicación de la herramienta en el eje “Z” para determinar la profundidad del
maquinado, la distancia entre la mesa del eje “X” y el eje “Z” así como la posición de la mesa de
trabajo para ejecutar los movimientos necesarios con el fin de maquinar los relieves deseados.
Dado que se necesita controlar la velocidad de los motores de paso y la posición de las mesas, se
propone como alternativa, el uso de transductores lineales o reglas lineales como también se les
conoce.
Los transductores lineales (figura 2.3 a) son elementos de las máquinas herramientas que se fijan
a los ejes de una máquina CNC, tienen como objetivo convertir el desplazamiento lineal en
señales eléctricas. A partir de los años 80, los principales fabricantes de máquinas comenzaron a
emplear las guías lineales en lugar de los buses tradicionales porque tienen una alta precisión,
una excelente rigidez y se desplazan más suavemente. (SANTOS, 2001)
24
Debido al desgaste mecánico que se ha producido durante la vida útil de la máquina herramienta
bajo estudio, se hace necesario el uso de estos elementos, para la medición fiable y precisa
(centésimas de milímetros) del trayecto recorrido. En tal sentido, se dispone de dos transductores
lineales modelo MT de la compañía Fagor para ser ubicados en los ejes X, Y, Z. Este modelo
está diseñado para proveer como señal de salida, dos trenes de impulsos desfasados 90° (VA y VB
en la figura 2.3 b), además de un impulso de referencia VIO sincronizado con las señales de VA y
VB. La longitud máxima del cable es de 20 metros y la tensión de alimentación, +5 V ±5 %, 100
mA.
Figura 2.3: (a) Transductor lineal Fagor MT y (b) señal de salida del transductor lineal.
Es indispensable considerar el tipo de movimiento (vertical, horizontal o inclinado) y considerar
la influencia de las cargas y fuerzas a fin de optimizar el funcionamiento del sensor, el Anexo B
se muestran algunos de estos parámetros.
Otro aditamento que se propone para el control de la posición de los ejes, son los detectores de
proximidad. El campo de aplicación más importante de este tipo de detector es como final de
carrera, siendo los más usados los medidores de posición eléctricos del tipo inductivo y
capacitivo, siendo su señal de salida empleada para alimentar instrumentos registradores o
controladores. Estos detectores tienen ventajas respecto a los que emplean el principio
electromagnético, como la ausencia de contacto, la robustez mecánica, la resistencia a ambientes
agresivos y su bajo costo (Sánchez and Hidalgo, 2010).
Otro elemento importante propuesto para la reconversión en un visualizador de cota Fragor VN
200, que está diseñado para trabajar en ambientes industriales, especialmente en máquinas
herramienta y como elemento de medición. Permite visualizar la posición de uno, dos o tres ejes
de la máquina, tal y como se muestra en la figura 2.4.(Fagor-Automation, 2009)
25
Figura 2.4: Panel frontal del visualizador de cotas.
El display de cada eje dispone de 8 dígitos verdes de 14,1 mm de altura y una indicación para el
signo negativo. Posee variantes de trabajo en modo absoluto o en modo incremental. Mediante el
panel numérico de teclas, se introducen valores o se le aplican ajustes de compensación a la
herramienta.
Las características técnicas de este visualizador de cotas, lo hacen apto para las condiciones de
trabajo existentes en el lugar de ubicación de la máquina. Entre las principales ventajas que
ofrece se encuentran el régimen de funcionamiento a una temperatura ambiente entre los 5º C y
45º C, con una humedad relativa del 95%, además mantiene almacenados los parámetros
máquina hasta 10 años incluso estando visualizador apagado. La alimentación es de 100 a 240V
AC +10 % -15 %, con frecuencia de red de 45 Hz a 400 Hz.
2. 2.2 Motores de paso
Un motor de paso es un transductor de características electromecánicas que permite la
conversión de energía y de información en movimiento. Su alimentación es eléctrica digital (tren
de impulsos) y su movimiento de rotación es de carácter progresivo. El motor paso a paso se
caracteriza por la capacidad de generar fuerza y la velocidad a través de señales eléctricas
añadidos en sus bobinas. (Domingos, 2009)
Los motores de paso son ampliamente utilizados en máquinas CNC (Domingos, 2009), debido a
que éste divide una rotación completa en un número de pasos iguales, o lo que es lo mismo en
una serie de ángulos precisos. Con ello se alcanza una alta resolución en desplazamiento y un
posicionamiento preciso, además poseen la habilidad de quedar enclavados en una posición (si
una o más de sus bobinas están energizadas) o bien totalmente libres (si no existe corriente
alguna circulando por éstas). En este caso, se proponen tres motores de paso, para efectuar los
movimientos de traslación de la máquina en los ejes X, Z e Y.
A fin de proporcionar una buena conversión de la información, el motor paso a paso debe tener
características síncronas, es decir, a cada impulso de alimentación debe corresponder un avance
26
fundamental, constante, llamado paso. La sucesión de impulsos en una determinada frecuencia,
permite imponer una velocidad de movimiento prácticamente constante. En función de estas
características el motor de paso proporciona un control de posición y velocidad sin la
introducción de errores acumulados y esto, junto con la simplicidad, la precisión y la durabilidad,
hace que se utilicen ampliamente en este tipo de aplicaciones. Existen dos tipos básicos de
motores de paso de uso común: los permanentemente magnetizados y los de reactancia variable.
Los primeros se dividen en unipolares y bipolares.
(a)
(b)
Figura 2.5: (a) Motor bipolar permanentemente magnetizado y (b) motor de paso HY 200 3424
Un motor bipolar permanentemente magnetizado (figura 2.5 a) consiste en un rotor magnetizado
permanentemente rodeado por los polos del estator con bobinados. Si se usa una corriente
manejada bidireccionalmente el motor da pasos conmutando las bobinas en secuencia. Para un
motor de este tipo, hay tres posibles secuencias de manejo, aunque para el motor seleccionado, se
utiliza la secuencia conocida como “one phase on” o “full step”, donde solo una fase es
energizada en cada momento o sea se energizan las bobinas en la siguiente secuencia para el giro
en el sentido horario: AB/CD/BA/DC (BA significa que el enrollado AB es energizado pero en
el sentido contrario). En la figura 2.6 se muestra de una manera más explícita lo anteriormente
explicado (Guerrero, 2007 ), donde la rotación que se indica es en el sentido de las manecillas
del reloj.
Figura 2.6: Secuencia de manejo “one phase on” para un motor bipolar.
27
Para la rotación en la dirección opuesta (en contra de las manecillas del reloj) se usa la misma
secuencia, excepto que el orden se invierte.
En la Tabla 2.3 se muestran los principales datos de los motores de paso escogidos, tipo HY 200
3424 (Technology, 2008), según se muestra en la figura 2.5 (b). Por su parte, en el Anexo C, se
indican las dimensiones y varias de las especificaciones de estos motores.
Tabla 2.3: Datos de motores de paso modelo HY 200 3424-170 A8
Número de fases
4
Pasos por giro
200
Ángulo de paso
1.8°
Corriente de fase nominal
1.7 A
Resistencia de fase
1.8 Ω
Tensión máxima aplicable
90 V
Torque de retención bipolar
116 Ncm
Figura 2.7: Torque de retención en los motores en función de los pasos por segundo.
El valor del torque de retención (116 Ncm) de la figura 2.7 está especificado en la hoja de datos
del motor, para una secuencia de manejo “one phase on” o “full step” y para una configuración
bipolar; de esta gráfica se desprende que el voltaje de alimentación de los enrollados puede ser
36V. Obsérvese que para una configuración bipolar ambos voltajes de trabajo 36 y 75 volts
generan la misma cantidad de pasos por segundo.
Para el manejo de este tipo de motores, se necesita una etapa intermedia entre la lógica de control
y el elemento motor, dicha función la ejercen los controladores, también conocidos como drivers.
28
Estos dispositivos electrónicos interconectan las instrucciones de las estrategias de mecanizado
con las máquinas CNC (Yeadon and Yeadon, 2001).
Estas interfaces (o drivers) están presentes normalmente en forma de circuitos electrónicos, el
grado de complejidad de estos circuitos varía en la medida, en que varían las características de
las máquinas que van a ser controladas por dichos circuitos.(Parker, 2003)
Un driver para motores de paso provee la energía eléctrica al motor en respuesta a las señales de
baja tensión del sistema de control, por lo que son básicamente una fuente de corriente
controlada, cuyo objetivo es suministrar la corriente adecuada a las bobinas del motor de
paso.(Parker, 2003)
Existen una gran cantidad de variantes para la confección de un controlador de potencia, en este
caso se planeó en un primer momento la utilización de una tarjeta de servomotores Compact 2
perteneciente a una máquina en desuso, pero luego de realizar algunas pruebas se comprobó el
mal estado de sus principales componentes. Sin embargo para la propuesta de la nueva tarjeta
controladora de potencia, se mantienen como elementos principales los circuitos integrados L297
y L298, empleándose el esquema circuital que se muestra en la figura 2.8, diseñado para medir y
controlar la corriente en los motores de paso. Al utilizarse de manera conjunta en una
configuración circuital los integrados L297 y L298, se logra un módulo que garantiza una
corriente constante para la carga inductiva que caracteriza al motor, así como posibilita efectuar
la función de interface entre la lógica de control y la etapa de potencia.
Esta combinación del controlador L297 y el L298 tiene muchas ventajas: son muy pocos los
componentes necesarios, el coste de montaje es bajo, la fiabilidad alta y requiere poco espacio,
así como se simplifica el desarrollo del software y la carga en el micro se reduce. Además, la
elección de un enfoque de dos chips ofrece un alto grado de flexibilidad.
Tal y como se muestra en el esquema de la figura 2.8, el circuito L297 recibe señales de control
desde el controlador del sistema, por lo general un microprocesador o una PC, y proporciona
todas las señales de activación necesarias para la etapa de alimentación del motor o etapa de
potencia. Adicionalmente, incluye dos circuitos PWM (Pulse-Width Modulation o Modulación
por Ancho de Pulsos) para regular la corriente en los devanados del motor de paso.
(Microelectronics, 1995)
29
Figura 2.8: Esquema circuital del controlador para motores de paso.
Si agregamos otro arreglo circuital similar al mostrado en la figura 2.8, se puede implementar la
salida a las cuatro fases del motor de paso, garantizando el movimiento del otro eje de la
máquina. Usando una simple lógica para la habilitación así como conectando los pines de: reloj
(encargado de la cantidad de pasos a ejecutarse), el sentido de giro y la secuencia de manejo, se
puede establecer un control del sentido y la cantidad de pasos para cada motor. Algunas de las
especificaciones técnicas de los dispositivos electrónicos L297 y L298 se encuentran en los
Anexos D y E, respectivamente.
Un ordenador sirve de soporte al programa generador de las señales mientras que el envío de los
datos al controlador de la operación del motor, se propone utilizar el puerto paralelo como
interfaz de comunicación entre la computadora y el circuito de control. Existen dos modelos para
la transmisión por puerto paralelo, transmisión unidireccional y transmisión bidireccional. El
primero se conoce como SPP (Standard Parallel Port) y posee una tasa de transmisión de datos
de hasta 150Kb/s, en esta variante son usados 4 bits a la vez, por otra parte el modelo
bidireccional llamado EPP (Enhanced Parallel Port) posee una tasa de transmisión de hasta
2Mb/s, sin embargo, esta velocidad sólo se consigue con el uso de cables especiales. El EPP
utiliza 8 bits a la vez en las transmisiones datos. En las PC, los puertos paralelos se conocen
comúnmente como LPT1, LPT2, LPT3, etc., aunque el puerto estándar es LPT1, cuyas
direcciones de memoria para el acceso son 378h, 379h, 37Ah. La Tabla 2.4 resume las
direcciones, los registros y su función.
30
Tabla 2.4: Direcciones, registros, y funciones relacionadas con el LPT1.
NOMBRE
DIRECCIÓN
DESCRIPCIÓN
Registro de datos
378h
Envía un byte a la impresora
Registro de estado
379h
Lee el estado de la impresora
Registro de control
37Ah
Envía datos de control a la
impresora
En el conector paralelo hay 25 señales de entrada y salida con lógica TTL, lo que significa que
un pin se encuentra a nivel lógico 0 cuando los valores de tensión están entre los 0 y 0.8 V, y a
nivel 1 lógico cuando la tensión pasa de 3.1 y 5 V.
Para una configuración del tipo SPP, los pines del 1 al 9 son salidas de datos, del 10 al 13 y el 15
son entradas, los pines 14,16 y 17 constituyen salidas y los terminales del 18 a 25 tierras, según
como se muestra en la figura 2.9.
Figura 2.9: Esquema de funcionamiento del conector paralelo DB25 en modo SPP
2.3 Software de control
Las máquinas CNC poseen una interfaz para la interacción con el usuario y por medio de este
sistema es posible cargar los archivos de maquinado necesarios para el trabajo. Además de eso el
sistema es también el encargado de generar las señales de pulso y dirección para las
controladoras de potencia. Las características que contribuyen a un buen software de control son:
Las características fundamentales que deben considerarse para la selección un adecuado software
de control son: facilidad de operación, ejecución en tiempo real, bajo costo, fácil actualización,
instalación y configuración.(LinuxCNC.org, 2000)
31
Generalmente, el primer análisis que debe ser realizado para la selección de un software de
control es si es viable desarrollar el sistema o adquirir un programa comercial. Actualmente
existen varios programas que responden a las necesidades del proyecto, pero desarrollar una
aplicación con las características requeridas puede llegar a ser muy complejo y laborioso, por lo
que se ha decidido utilizar un programa comercial.
Entre los principales programas de control para el maquinado de piezas podemos mencionar el
Turbo CNC, EMC2, MACH3, Art-CAM, etc. (Lyra, 2010). Todos estos programas tienen
características similares, pero el EMC2 posee una amplia base de datos que incluye los
controladores más utilizados en este tipo de aplicación, posee varias alternativas de interfaces
gráficas, así como una manera sencilla de cargar los archivos con los códigos G. Además tiene la
ventaja de ser una aplicación con distribución gratuita e instalación en ambiente Linux que
además resulta de código abierto (Open Source).
El paquete de software EMC2, ya ha sido utilizado en múltiples proyectos de control de
máquinas herramientas, tales como tornos y fresadoras, sobre todo en variantes didácticas por lo
que existe una gran cantidad de información al respecto.(Lyra, 2010, Arauz, 2009, Correa, 2006,
Carozzi, 2005), siendo ello otro de sus atributos importantes, que influyeron en su selección.
2.3.1
Descripción del software EMC2
El paquete de software EMC2 (Enhanced Machine Controller), permite controlar máquinas
herramientas, robots u otros dispositivos automatizados. Está diseñado para efectuar el control de
servomotores, motores de paso, relés y otros elementos que forman parte de las máquinas
herramientas. El mismo está dividido en cuatro componentes básicos: un controlador de
acciones, un controlador de entradas y salidas, un ejecutor de tareas y una interfaz gráfica.
(TEAM, 2009)
El EMC2 en su versión v.2.5.0 es utilizado en este proyecto para enviar las señales de paso y
habilitación a los motores de paso, a partir de un diseño previamente creado y cargado desde un
programa confeccionado en código G, es decir, que el EMC2 clasifica como un software de
maquinado asistido por computadora.(TEAM, 2009)
El primer paso para la instalación de dicho software consistió en visitar la página web de la
organización que desarrolla el programa y actualiza sus versiones. El sitio www.linux.org
dispone de las instrucciones necesarias para la instalación, configuración y manejo del mismo,
además posee un enlace de descarga directa del archivo .ISO de unos 695 Mb, éste se puede ser
grabado en un disco compacto o en una memoria flash, para luego ser instalado en un ordenador
con una distribución Ubuntu 10.04. Los requerimientos mínimos de hardware necesarios para
ejecutar dicha aplicación son: procesador x86 a 700 MHz, 348 MB de RAM y 8 GB de disco
duro, mientras que los valores recomendados son: un procesador ×86 a 1.2 GHz, con 512 MB o
más de memoria RAM y 8 GB o más de espacio de almacenamiento en disco duro.
32
El EMC2 posee tres tipos de interfaces gráficas, dos de ellas son usadas para aplicaciones cuyos
comandos de operación son por medio de códigos G (Axis y Mini). Una tercera interfaz está
disponible para los usuarios que deseen controlar el sistema por medio del lenguaje conocido
como Esquema de Contactos (denominado en ingles Ladder Net). La interfaz Axis está diseñada
en código abierto (OpenGL) y puede ser reconfigurada usando lenguaje denominado Python.
Figura 2.10: Interfaz gráfica del EMC2 en su variante de interfaz Axis
De forma general, el funcionamiento de la máquina reconvertida se caracteriza por tener el
siguiente comportamiento:
•
El software EMC2 provee la interfaz gráfica responsable de la interacción con el usuario.
A partir de este programa es posible cargar los códigos G (que poseen las funciones de
maquinado), ejecutarlos y acompañar la ejecución del programa paso a paso.
•
Las señales generadas por el EMC2 son enviadas, por medio del puerto paralelo, a las
tarjetas controladoras de potencia de los motores. Estas señales se ingresan a los
integrados L297 y L298.
•
La controladora es la encargada de controlar y limitar la corriente eléctrica enviada a los
motores de paso HY 200 3424.
•
Los motores de paso generan un torque capaz de rotar los husillos de bolas circulantes de
la mesa; donde las guías lineales ubicadas en los ejes, sirven de sensores para realimentar
el desplazamiento real experimentado, controlando así los movimientos de la mesa de
trabajo.
Debido a problemas con la disponibilidad en tiempo de los dispositivos electrónicos y
dificultades en la adquisición de los elementos de hardware necesarios para implementar de
33
manera real la tarjeta controladora de los motores de paso, se procede a efectuar la simulación
del circuito propuesto, para verificar su funcionamiento y evaluar su desempeño de manera
integral.
En el siguiente capítulo se procede a efectuar la simulación utilizando la plataforma Proteus en
conjunto con el paquete de software EMC2, ejecutándose una orden de maquinado dada.
2.4 Conclusiones parciales del capítulo
En el presente capítulo se abordaron los principales parámetros de la máquina elecroerosiva
ONA Plus 120, como base a conocer para una correcta propuesta de reconversión. Además, se
seleccionaron los dispositivos sensores y actuadores que se necesitan, así como la variante de
tarjeta controladora de potencia, concluyendo que es posible su utilización para la
implementación de las mejoras, debido a que estos elementos mencionados son en su mayoría
componentes reutilizables de otras máquinas en desuso, de bajo costo o comercializados por
empresas nacionales. Por último, se analizan las características y ventajas del programa EMC2
como generador de los comandos de maquinado, con lo cual se arriban a las siguientes
conclusiones:
•
Como resultado del estudio efectuado de la máquina electro-erosiva de control numérico
ONA Plus 120, se determina que resulta factible llevar a cabo la modernización de la
misma y su consecuente incorporación a la producción dentro de la Planta de Moldes y
Troqueles de la Empresa INPUD.
•
Se propone implementar el sistema de medición del desplazamiento lineal de los tres ejes,
mediante la ubicación de tres transductores lineales Fagor MT así como de tres
interruptores de fin de carrera; en el caso del eje Z se mantendrá como dispositivo de
seguridad un microrruptor de profundidad ya existente en la máquina. Para la
visualización del recorrido durante el mecanizado se incorpora un visualizador de cotas
modelo Fragor VN 200.
•
El software escogido para la generación de los comandos de maquinado es el EMC2, el
cual posee todas las características necesarias para el trabajo en la elaboración de piezas
para la máquina electroerosiva.
•
La acción mecánica para el recorrido de la mesa de trabajo y del cabezal electroerosivo
estarán a cargo de tres motores de paso HY200 170-A8 de probada utilidad en esta
función, mientras que la interfaz entre la etapa lógica y los motores actuadores
mencionados anteriormente corre a cargo de una controladora de potencia, cuyo diseño
base tiene como elementos principales a los circuitos integrados L297 y L298.
34
Capítulo 3: Simulación del maquinado de una pieza.
Tal y como se menciona en el capitulo anterior, a partir de los inconvenientes generados al no
disponer de los componentes electrónicos reales, es que se procede a efectuar el maquinado de
una pieza utilizando el programa EMC2, en simulación conjunta con el paquete de software
Proteus, persiguiendo simular el esquema de interconexión real que se muestra en la parte
superior de la figura 3.1. Para poder llevar a cabo la simulación conjunta, se emplea el software
Proteus para simular el comportamiento del circuito correspondiente a la tarjeta controladora de
potencia, por lo que se interconectan dos ordenadores siguiendo el diagrama de bloques indicado
en la parte inferior de la figura 3.1.
Figura 3.1: Diagrama de bloques mostrando la interconexión real de los elementos para el
maquinado, y variante empleada para experimento simulado.
Para llevar a cabo la experiencia, se introducen en el software EMC2 los parámetros relativos a
los datos básicos de la máquina herramienta, las especificaciones correspondientes de los
motores de paso y de la tarjeta controladora de potencia seleccionada, así como los valores de
latencia del ordenador, con la configuración adecuada de las variables de entrada y salida para el
puerto paralelo.
Los dos ordenadores se conectan vía puerto paralelo, ejecutándose el código G del maquinado en
el software EMC2, cuya salida de pulsos se ingresa al programa editado en el Proteus que
contiene los circuitos de las tarjetas controladoras de potencia de los motores paso a paso de la
máquina herramienta. Gracias a ello, puede evaluarse el efecto que producen los trenes de pulsos
en el movimiento paso a paso de los motores de los ejes, y verificar que se mueven en la
dirección de rotación especificada, pudiéndose de esta manera comprobar el comportamiento de
los drivers de los motores.
35
3.1 Simulación de tarjeta controladora y motores de paso
Como bien se explicaba anteriormente, para la simulación de los circuitos electrónicos se emplea
el software Proteus, que resulta una compilación de programas de diseño y simulación
electrónica, desarrollado por Labcenter Electronics, el cual consta de los dos programas
principales: ARES (Advanced Routing and Editing Software) e ISIS (Intelligent Schematic Input
System), así como los módulos VSM (Virtual System Modeling) y Electra. Es rápido, preciso y
flexible, proporciona una depuración y supervisión no intrusiva, y dispone de un entorno de
desarrollo seguro (Brewer et al., 1991). Gracias al Proteus, se pueden reproducir los resultados
de circuitos reales, pudiéndose configurar fácilmente para simular una amplia gama de
arquitecturas presentes en sus librerías. Cuenta además con una estructura modular, que
simplifica la personalización y sustitución de componentes independientes en el diseño creado.
Debido a la carencia de los componentes necesarios para la implementación real de la tarjeta
controladora de los motores paso a paso, principalmente los circuitos integrados L297 y L298 se
desarrolla la simulación en la plataforma ISIS de Proteus. El diseño que se muestra en la figura
3.2, responde a una configuración para el manejo de dos motores de paso bipolares, cuyas
características son iguales a las de los HY-200 3424 mostradas en la Tabla 2.3. El elemento P1
en la figura corresponde al conector DB25 del puerto paralelo, siendo el encargado de la lectura
de los trenes de pulsos enviados desde el otro ordenador, donde a su vez se ejecuta el software
EMC2. Los valores del resto de los componentes se seleccionan siguiendo las especificaciones
sugeridas en los manuales.(Microelectronics, 1995)
Figura 3.2: Esquema circuital desarrollado en Proteus de la tarjeta controladora y los motores.
36
Con ambos programas listos en los ordenadores, se ejecuta el programa de maquinado y se
comprueba el resultado satisfactorio del diseño utilizado. En la prueba efectuada, luego del
maquinado de la pieza, se miden las trayectorias y se comprueba si las mismas poseen iguales
valores que las especificadas en el diseño, realizándose esta misma operación varias veces hasta
tener un conjunto de valores, que permita calcular las desviaciones, así como los errores de
paralelismo y perpendicularidad entre los ejes.
También mediante la utilización del programa ARES se ha diseñado el circuito impreso o PCB
(del inglés Printed Circuit Board) para el montaje en una etapa futura de los componentes de la
tarjeta controladora diseñada. Para la creación de este circuito impreso se tuvieron en cuenta las
conexiones de la alimentación de 36 V y 5 V para los circuitos integrados, así como los
conectores para la entrada/salida de los datos vía puerto paralelo y la conexión a las fases de los
motores de paso. En el Anexo F se muestran estos resultados.
Dado que el software Proteus recibe como entrada los trenes de pulsos provenientes del software
EMC2, se procede a continuación a mostrar la configuración empleada en el software EMC2
para la realización del experimento de simulación.
3.2 Configuración del EMC2 para la prueba simulada
A partir de la versión disponible del EMC2, fue creado un programa de configuración que
permite crear un conjunto de archivos con extensión .ini y .hal, con los datos específicos de un
determinado tipo de tarjeta controladora, así como de los motores de paso a manejar. Este
asistente se nombra “EMC2 Stepconf Wizard”. En los archivos creados, se encuentran
disponibles todos los parámetros de configuración de la máquina herramienta, la cual recibe los
comandos de control por medio del puerto paralelo (LPT1).
Para un determinado maquinado el programa es capaz de crear una nueva configuración o alterar
una configuración ya creada, en este caso, se inicializa la configuración de la máquina con los
datos de los nuevos elementos. Es en esta etapa, donde se introducen las informaciones básicas
relativas a la máquina herramienta electroerosiva, la PC y los controladores de potencia, según se
muestra en la figura 3.3.
37
Figura 3.3: Ventana de información básica de la máquina del “EMC2 Stepconf Wizard”
En la figura 3.3 el primer campo corresponde a la identificación de la máquina, que puede se ha
llenado con simplemente un nombre. Posteriormente se seleccionan el número de ejes que posee
la misma: X, Y, Z, y por último se escoge la unidad dimensional (pulgadas o milímetros).
El próximo paso es referido a los datos técnicos del controlador. En la opción del tipo de driver,
se procede a seleccionar el mismo, desde una lista de los controladores disponibles en el EMC2,
en este caso, se selecciona el L297. Los parámetros específicos de “Step Time” (duración de la
señal de paso en nivel alto), “Step Space” (duración de la señal de paso en nivel bajo), “Direction
Hold” (tiempo de duración de la señal de dirección después que fuera emitida la siguiente señal
de paso), y “Direction Setup” (duración de la señal de dirección antes de la señal de paso), se
muestran por defecto al seleccionar el driver mencionado. En la figura 3.4 se ejemplifica de
forma gráfica, las señales de comando anteriormente descritas.
Figura 3.4: Esquema de las señales de paso y dirección.
38
Los próximos campos asociados a esta misma ventana, corresponden a la configuración del
puerto paralelo, en este proyecto se utiliza el LPT1 como puerto de acceso a los drivers y como
ya fue visto en el capítulo 2, la dirección estándar de éste es 0x378 h (ver Tabla 2.4).
La última sección de esta ventana es para indicar el dato correspondiente a la latencia del
computador. Se denomina latencia a la suma de retardos temporales que ocurren en la PC a partir
de un pedido externo. En el caso de este proyecto, el pedido externo es el tiempo necesario para
la generación de pulsos de pasos, por lo tanto cuanto menor sea la latencia, más rápido es el tren
de pulsos.
De ello se deriva la importancia, de utilizar un sistema en tiempo real para garantizar que la tarea
sea ejecutada en el intervalo de tiempo especificado de acuerdo a la aplicación. Dado que el
EMC2 es un software en tiempo real, garantiza que las tareas serán ejecutadas en un intervalo de
tiempo preestablecido. El test de latencia provee este parámetro de reloj, para garantizar que el
motor no “pierda” pasos durante su movimiento.(LinuxCNC.org, 2000, Lyra, 2010)
Pasos para la ejecución del test de latencia, se siguen los siguientes pasos:
• Se abre una ventana de “Terminal” en Ubuntu;
• Se introducen los siguientes comandos: sudo mkdir /dev/rtf; sudo mknod /dev/rtf/3 c 150
3; sudo mknod /dev/rtf3 c 150 3; cd /usr/realtime*/testsuite/kern/latency; ./run ;
• Se teclea la contraseña del root ;
• Se ejecutan varios programas de la PC pero sin incluir el EMC2, esto se realiza para
cargar la computadora lo más posible asegurando la mayor latencia o el peor caso
posible;
• Ctrl+c para interrumpir el test;
• Se anota el mayor valor encontrado en la columna OVL_MAX.
El mayor valor encontrado en la columna OVL_MAX se introduce en el campo “Base Period
Maximum Jitter” (ver figura 3.3), y en dependencia de los valores introducidos en esta ventana,
el programa cambia la frecuencia de salida de los trenes de pulsos.
Para continuar con la configuración, es necesario introducir los campos relativos a la siguiente
ventana del asistente del programa, la misma permite configurar cada pin del puerto paralelo de
la computadora, tal y como se muestra en la figura 3.5.
39
Figura 3.5: Ventana para la configuración del puerto paralelo en el EMC2.
Como puede ser observado en la figura anterior, son referenciados 17 pines del puerto paralelo.
En vista de que el mismo posee 25 pines, los que restan son considerados tierras (0 volts). Los
pines del 10 al 15 son señales de entradas de la máquina herramienta al computador, y por lo
tanto pueden ser usados para implementar sensores de fin de carrera. En el caso de la prueba
efectuada, solo se pueden controlar dos ejes (X e Y) por la razón de que la simulación de los
motores y la tarjeta controladora se realiza en otro ordenador, y no hay disponible más pines en
el puerto paralelo, no obstante el programa diseñando permite el manejo de hasta cuatro ejes.
El primer pin se destina a la interrupción del accionamiento electrónico de la máquina. El pin 2
a los comandos de paso del eje X y el pin 3 a los pulsos de dirección del mismo. Vale resaltar
que existe la opción de invertir la lógica TTL si fuese necesario. Los pines 4 y 5 se encargan de
manejar el eje Y. Existen otras opciones de esta ventana para el manejo de los drivers, pero no
guardan relación con el proyecto. Por otra parte, tres de los pines de entrada al programa se
ocupan de dar una señal lógica TTL, en caso de alcanzarse cualquiera de los límites de cota de
los tres ejes.
La figura 3.6 muestra la ventana con los datos referentes a los ejes y a la sintonía del motor de
paso como parte mecánica del proyecto, indicándose a modo de ejemplo los parámetros de
configuración de uno de los ejes.
40
Figura 3.6: Ventana de configuración del EMC2, para los ejes de la máquina.
En la ventana de la figura 3.6, el primer campo expresa cuantos pasos realiza el motor en una
vuelta. En el caso del HY-200 3424 puede trabajar con hasta 200 pasos por vuelta, o sea cada
paso rota el eje en 1.8°. El segundo campo es el referente al modo de accionamiento del motor,
en caso de que sea accionado en paso completo (full step) se usa el valor 1, en cambio, si es
medio paso “half step” se utiliza el valor 2. Le sigue el campo referente a la reducción, que se
considera existe entre el motor y el husillo, en este caso se toma como 1:1 o sea sin reducción
mecánica.
Los parámetros de máxima velocidad y máxima aceleración son valores encontrados por prueba
y error, o sea la calibración se efectúa probando varios valores y por medio del botón “Test this
axis” (ubicado en la esquina superior derecha), se comprueba la validez de los datos insertados.
Nótese, que si ambos valores insertados son relativamente pequeños, es porque el proceso de
electroerosión es en esencia un proceso de mecanizado lento. Posteriormente, se introduce el
valor acerca del punto de origen cartesiano de la máquina, que es el valor del eje X que se toma
como punto de inicio para cualquier secuencia de maquinado, y que también se le conoce como
“home”, en este caso, tal y como se muestra, el valor escogido es 0.
El siguiente campo a llenar, es el tamaño del curso de la mesa en el eje X, donde en
dependencia del valor del origen seleccionado, se pueden introducir tanto cifras positivas como
negativas, indicando el sentido de giro a la derecha o izquierda. Por supuesto, que el valor
absoluto de los puntos extremos de la trayectoria a seguir, tiene que ser compatible con las
magnitudes especificadas en los datos técnicos de la máquina herramienta, que en este caso se
especifica como 300 mm de recorrido máximo. También es válido comentar, que este dato es
incorporado al programa, para que funcione como una especie de sensor de fin de carrera
41
virtual, ya que en caso que se ejecute un comando que provoque que la máquina se salga del
valor máximo establecido como límite, el software EMC2 no permitirá dicho movimiento.
Las siguientes ventanas son idénticas a la mostrada en la figura 3.6, pero en las mismas se
configuran los demás ejes de la máquina (ejes Z e Y), siendo los parámetros a introducir
básicamente los mismos, variando solamente las dimensiones de recorrido de la mesa, que se
especifican en el campo “Table travel”. Después que todos los ejes han sido debidamente
configurados, se concluye con el asistente “Stepconf Wizard”, automáticamente invocándose la
ejecución del programa principal, y mostrándose en pantalla la interfaz grafica que se observa
en la figura 3.6.
Figura 3.7: Interfaz gráfica Axis, que se muestra al ejecutarse el programa EMC2
Nótese como existen disponibles una gran variedad de herramientas, que incluye la muestra del
diseño escogido, los valores del desplazamiento en cada eje, así como la velocidad del cabezal,
la ejecución de los comandos de código G, etc.
Como en la ventana de ejecución Axis, se pueden seleccionar varios métodos para el
maquinado, se procede en el siguiente epígrafe a efectuar una descripción general de los modos
de operación del EMC2.
42
3.2.1 Modos de operación del EMC2
Para la ejecución del EMC2, pueden ser usados tres modos de operación Manual, Auto y MDI,
cada uno con sus propias especificaciones.(TEAM, 2009). Cambiando el modo de operación, se
percibe una gran diferencia en la forma en que se comporta el programa. Por ejemplo, un
operador puede solicitar que la máquina se dirija al punto de origen o “home” usando de manera
sencilla el modo Manual, o puede hacer la misma operación cargando un archivo con extensión
de texto (.txt), cuyos datos son una lista de comandos en código G, donde la lectura de ese
archivo solo puede ser ejecutada por el modo Auto.
En modo Manual, cada comando de entrada es realizado por botones presentes en la interfaz
gráfica, que especifica el tipo de movimiento a ser realizado por la máquina, y donde se puede
seleccionar una velocidad de avance y un eje para mover. Es válido resaltar que, el uso de todas
las funciones puede ser realizado mediante el ratón o por teclado. Por otra parte, en modo MDI
se introduce y ejecuta solo una línea de código G cada vez. En caso que se quiera maquinar un
diseño con varias líneas previamente programado, se selecciona el modo Auto y se carga el
correspondiente archivo.
Para la prueba que se realiza, se utiliza un archivo de maquinado ya existente, cuyos códigos G
se muestran en el Anexo F, por lo que el modo de trabajo escogido es el Auto.
3.3 Análisis económico
La industria actual necesita de forma permanente mejorar su competitividad en un mercado
globalizado en pleno desarrollo. Sólo aquellas empresas que dispongan de las tecnologías más
avanzadas podrán garantizar su competitividad y su futuro. En una situación económica tan
compleja como la actual, las empresas se enfrentan a un reto muy difícil de superar ¿cómo es
posible disponer de la tecnología más moderna cuando la posibilidad de inversión es ajustada?.
Ante esta situación, las casas matrices ofrecen a las empresas que emplean sus equipos y desean
modernizar su equipamiento productivo en electroerosión, un servicio de reconversión con el fin
de que la misma posea igual nivel tecnológico y sea tan competitiva como una máquina nueva.
Dicha actualización puede realizarse de manera parcial o total. En la figura 3.8 se muestra un
ejemplo de la reconversión total realizado por la compañía ONA de una máquina DATIC 360
para convertirla en una DX. 360.(ONA-Electroerosión, 2009)
43
(a)
(b)
Figura 3.8: (a) Máquina DATIC 360 antes de su reconversión y (b) después de realizada la
reconversión total.
El coste de la modernización total de una máquina herramienta puede llegar a ser un 50% más
barato que lo que implica adquirir una máquina de similares características totalmente nueva.
Este porcentaje varía en función de cada modelo de máquina. Como regla general, se puede decir
que el ahorro es mayor, cuanto mayores son las dimensiones de la máquina que se desea
actualizar tecnológicamente, ya que la estructura de la misma es el elemento principal que se
aprovecha cuando se realiza la reconversión.
En el caso de la ONA Plus 120 se considera que la misma es de dimensiones pequeñas (esto es
fácilmente comprobable conociendo las dimensiones del tanque, el número de cabezales así
como su recorrido). Las ofertas de máquinas electroerosivas CNC nuevas de características
similares a esta rondan entre los 80 000 a 90 000 euros, siendo una opción muy usada el
adquirirla de segunda mano, en cuyo caso los precios oscilan alrededor de los 30 000 euros.
Por otra parte, se tiene que el servicio de reconversión que brinda la Empresa ONA (empresa que
desarrolló y fabricó la máquina que va a ser modernizada), incluye un valor aproximado para el
contrato de reconversión de la ONA Plus 120, ascendente a 25 000 USD.
En todos los casos, estos precios se encuentran muy por encima del costo total necesario para
llevar a cabo la reconversión, empleando recursos nacionales, los cuales se estiman alrededor de
los 23100 pesos (ver Tabla 3.1)
44
Tabla 3.1: Costo de los elementos para una reconversión con recursos propios.
Descripción
Costo estimado
(MN)
Mano de obra especializada
3500
Componentes electrónicos
5600
Montaje y puesta en marcha
1200
Elementos de computo
6000
Sensores y accionamientos
4500
Gasto energético
300
Diseño de software
2000
Total
23100
Para apreciar de una manera más clara las ventajas económicas de una reconversión a CNC, es
necesario analizar los datos brindados por el Departamento Económico de la Planta de Moldes y
Troqueles en la Empresa INPUD. En este caso, se muestra en la Tabla 3.2 el gasto energético por
hora de la máquina ONA Plus 120 (sin modificar) con respecto a otra electroerosiva por
penetración CNC HS-600, de dimensiones similares pero de reciente adquisición.
Tabla 3.2: Gasto energético por hora: ONA Plus 120 y HS-600.
ONA Plus 120
1 Hora de mecanizado:
Total
9.02
M.N.
8.47
C.U.C. 0.55
HS-600 (C.N.C.)
1 Hora de mecanizado:
Total
9.91
M.N.
9.46
C.U.C. 0.45
A primera vista no hay diferencia sustantiva, sin embargo, no se ha mencionado el dato
principal: el tiempo de mecanizado de una pieza (este factor depende de varios elementos, como
son: tamaño de la pieza, complejidad, calidad del acabado, experiencia del operador, etc.); según
la opinión de los técnicos operadores de la planta, algunos de ellos con más de 30 años de
experiencia en el trabajo con máquinas electroerosivas, el ahorro de tiempo (suponiendo el
mecanizado de una misma pieza) en el nuevo modelo C.N.C HS-600 es de alrededor de un 40%
con respecto a la ONA Plus de posicionado manual, o sea que lo que tomaba antes una hora con
una reconversión a CNC podría tomas unos 35 minutos, con un costo de total de 5.85 pesos (con
un componente de 5.29 MN y 0.56 CUC). Es por ello que, considerando la ficha de costo que se
muestra en la Tabla 3.1, se aprecia que para una hora de mecanizado, el ahorro es de 3.17 pesos.
45
Si tomamos en cuenta que estas máquinas herramientas están diseñadas para trabajar
ininterrumpidamente, entonces las ventajas económicas de la modernización son evidentes, en
solo una jornada de 8 horas, el ahorro por concepto energético es de 25.36 pesos.
Según el análisis efectuado anteriormente, podemos asegurar que el servicio de reconversión de
la máquina ONA Plus 120 empleando recursos y capital humano nacionales, puede considerarse
como una alternativa viable y factible de implementar, por lo que la propuesta de reconversión
dada en este proyecto implica un notable ahorro a la economía de nuestro país.
3.4 Conclusiones parciales del capítulo
En este capítulo se desarrolló la simulación del maquinado de una pieza desde la fase inicial de
configuración del EMC2, pasando por el diseño en Proteus de los elementos de los componentes
de hardware, hasta la comprobación del correcto funcionamiento de los dispositivos principales
tales como la tarjeta controladora a base de L297 y L298. Se comprobaron las ventajas del
EMC2 en su función de programa de control de maquinado: fácilmente configurable, y con una
interfaz gráfica similar a la mayoría de los programas de maquinado. Se realizó además un
análisis económico apoyándose en los datos brindados por el Departamento Económico de la
Planta de Moldes y Troqueles del INPUD, demostrándose los amplios beneficios económicos
dados por la reconversión propuesta. En este contexto se arriban a las siguientes conclusiones
parciales:
•
A través de la simulación conjunta en dos ordenadores del maquinado de una pieza, se
demuestra la efectividad del uso del EMC2 como software de control de operaciones en
funcionamiento conjunto con el circuito diseñado en Proteus, para la tarjeta electrónica
controladora de potencia y los motores de paso.
•
Se comprueba el comportamiento adecuado de los elementos de hardware y software
propuestos, que operando de manera integral, garantizan el funcionamiento de la máquina
ONA Plus 120, según quedó corroborado mediante las pruebas de simulación realizadas.
•
Desde el punto de vista económico queda demostrado la efectividad de la propuesta de
reconversión de la máquina electroerosiva ONA Plus 120, según los resultados arrojados
por el análisis económico efectuado.
46
Conclusiones
Después de realizar un análisis y estudio detallado de cada uno de los resultados obtenidos en
esta investigación, se exponen las siguientes conclusiones:
•
En el transcurso del proceso investigativo de la presente tesis se creó y recopiló una
amplia documentación técnica sobre la máquina ONA Plus 120 que servirá de base a la
confección de un manual de usuario de la máquina reconvertida.
•
Gracias a la propuesta de los elementos de hardware y software indicados, así como a los
resultados arrojados por técnicas de simulación, se puede llevar a cabo la modernización
de la máquina electro-erosiva de control numérico ONA Plus 120, con su posterior
incorporación a la producción.
•
Las propuestas de los elementos de medición, controladores, dispositivos actuadores así
como del software CAM de la máquina, son perfectamente implementables y fueron
seleccionados teniendo en cuenta sus características y las necesidades del proceso de
reconversión.
•
Mediante procedimento de simulación, se ha podido comprobar el comportamiento
favorable que presenta el sistema integrado por el programa de maquinado EMC2, la
tarjeta controladora propuesta y los motores de paso, encargados de los movimientos de
los ejes de la máquina.
•
Se demuestra la efectividad desde el punto de vista económico que representa la
reconversión a CNC de la máquina electroerosiva ONA Plus 120, utilizando recursos
materiales y humanos locales.
•
Se demuestra que existe el suficiente nivel teórico- práctico por parte de los estudiantes
de pregrado para enfrentar proyectos de automatización conjuntos con empresas del área.
47
Recomendaciones
1. Implementar las propuestas de modernización en la maquina electroerosiva ONA Plus
120 y comprobar el funcionamiento real de la misma, a partir de los resultados favorables
obtenidos de las pruebas de simulación.
2. Dar continuidad al presente proyecto de investigación para poner en marcha la máquina
electroerosiva ONA Plus 120, dada su importancia para el cumplimiento de los planes
económicos de la Planta de Moldes y Troqueles de la Empresa INPUD de Villa Clara.
3. Evaluar la posibilidad de realizar la reconversión de otras máquinas herramientas
similares utilizando como referencia los resultados y experiencia aportados en esta
investigación.
48
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Instituto Tecnológico de Costa Rica.
50
Anexos
Anexo A: Estructura de un bloque de programación CNC y algunas
instrucciones de movimientos.
51
Anexo B: Conexiones y formas de montaje de los transductores lineales MT
52
Anexo C: Motor de paso HY 200 3424, dimensiones y especificaciones
53
Anexo D: Funciones de los pines del circuito integrado L297
54
Anexo E: Funciones de los pines y características eléctricas del L298
55
Anexo F: Código G del diseño para la simulación del maquinado de una
pieza.
56
Anexo G: Circuito impreso y diseño 3D de la tarjeta controladora
57