Máximas prestaciones en mecanizado de alta velocidad

Hoy en día cada vez es más habitual el desarrollo de la programación de piezas con softwares informáticos. El programador realiza el dibujo de la pieza en un PC y el software de CAD-CAM se encarga de generar las trayectorias que el CNC debe realizar posteriormente. El procesado de esas trayectorias generadas por ordenador es un desafío para los controles numéricos

Al convertir superficies libres a trayectorias de mecanizado se generan curvas tridimensionales, que son aproximadas mediante segmentos lineales. Como la aproximación a la pieza se realiza mediante una descomposición de las curvas en segmentos lineales hay una relación directa entre la precisión y el volumen de los datos a gestionar, de forma que, cuanto mayor sea la precisión deseada, mayor será el número de puntos necesarios para conseguirla.

El CNC 8065 dispone de la suficiente capacidad de memoria para el almacenaje de esas cantidades de datos. Si no se dispusiera de esa capacidad de almacenaje no se podría realizar un acabado muy preciso y sería necesaria una fase de pulido manual para obtener la pieza deseada. Aparte de una capacidad de almacenaje elevada, el CNC debe disponer de otras características para poder manejar correctamente esos datos. Habitualmente para conseguir un acabado de pieza preciso se genera un programa con muchos segmentos lineales. Si se requieren altas velocidades de mecanizado, el CNC debe ser capaz de gestionar todos los pequeños segmentos sin penalizar la velocidad programada. Del mismo modo, las trayectorias a realizar por la herramienta se deberán de realizar de una manera suave, sin acelerones y frenados bruscos, en caso contrario se podrán apreciar imperfecciones en la superficie de la pieza.

En las aristas que pueda tener la pieza el CNC adapta la velocidad de la herramienta para obtener la arista deseada, reduciendo la velocidad en esos puntos sin penalizar demasiado la velocidad programada por el operario y evitando redondearlas por pasar demasiado rápido. El suavizado de trayectorias se consigue gracias a la creación de polinomios de curvas suaves que pasan por los puntos originales del programa. Al ser curvas, las transiciones entre bloques son siempre tangenciales y, como consecuencia, la velocidad no disminuirá en exceso. Adicionalmente, la interpolación polinómica aporta un buen acabado superficial de la pieza, una elevada velocidad de mecanizado y la posibilidad de describir cualquier curva tridimensional.

Hay diferentes formas de curvas paramétricas o splines, como también se conocen:

Splines de Hermite.

Splines de Akima.

Splines de Bézier.

B-splines Uniformes No Racionales.

B-splines No Uniformes No Racionales.

Segmentos Curvos No Uniformes Racionales de Polinomios Cúbicos.

Cada uno de los distintos tipos de splines tiene sus propias características como:

La suavidad de la curva.

Pertenencia, o no, de los puntos de control a la curva.

Rango de influencia de los vértices (local, global).

Tendencia al sobrepasamiento.

Esfuerzo computacional requerido.

El CNC 8065, acepta programas pieza en formato de curvas NURBS para su ejecución. También permite adaptar programas ISO generados en sistemas CAD/CAM, formados por una gran cantidad de segmentos lineales de pequeño tamaño, y generar automáticamente splines Akima que pasan por los puntos programados.

Si bien las curvas NURBS son una nueva técnica que comienza a desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los CNC de última generación como el CNC 8065. Las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la capacidad de procesado de datos del CNC, sino por la respuesta de la máquina.

El CNC 8065 permite seleccionar entre diferentes tipos de perfiles de aceleración:

Lineal.

Trapezoidal.

Seno cuadrado (también conocido como curva con forma de campana).

Los mejores resultados se obtienen habitualmente utilizando un perfil de aceleración en forma de campana (seno cuadrado). El jerk, también conocido como sacudida, es la variación (derivada) de la aceleración en función del tiempo. El control de jerk fuerza una aceleración gradual para suavizar los cambios de bruscos de velocidad. Los escalones, saltos bruscos en los valores de comando, tienden a excitar oscilaciones en las frecuencias de resonancia de los sistemas mecánicos. Si un sistema no es suficientemente rígido, es necesario un control de jerk que suavice los cambios bruscos de velocidad.

En resumen, con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida la mecánica de la máquina y, por otro, gracias a la reducción de vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar el valor de la velocidad de avance y reducir el error.

Una de las prestaciones más importantes y complejas de un CNC es la función Look-Ahead (mirar hacia delante). Existen términos alternativos que hacen referencia a esta misma función ("automatic feed rate override", "geometric intelligence", etc.), pero, independientemente de cómo se denomine, el Look-Ahead puede mejorar drásticamente la productividad de mecanizado. No se puede hablar de mecanizado a alta velocidad sin Look-Ahead.

Con la función Look-Ahead el procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en el programa pieza que se está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo a la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite mantener el avance a valores relativamente altos evitando marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la máquina.

No existe ninguna regla que diga cuántos bloques hay que mirar por adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia en función de los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina (menor capacidad de aceleración), mayor número de bloques de Look-Ahead serán necesarios. El número típico para el mecanizado a alta velocidad está por encima de 100 bloques, pudiéndose llegar a necesitar en casos muy extremos hasta 1000 bloques.

Aunque pueda parecer contradictorio, una máquina puede trabajar más rápido manteniendo o incluso aumentando la suavidad del mecanizado. Los beneficios de las herramientas gráficas para la puesta a punto combinados con la inteligencia del Look-Ahead ayudan a crear un movimiento más fluido. Esta mejora respecto a los métodos de aceleración tradicionales supone una gran ayuda. Trabajando con la función Look-Ahead, los ejes de la máquina pueden ejecutar el programa acelerando suavemente en las superficies suaves y decelerando suavemente en las áreas de mayor complejidad.

La máquina trabaja sin los golpes y trompicones que a veces se pueden dar en el mecanizado sin Look-Ahead. Además, al ser los movimientos mucho más suaves, la vida de los componentes de la máquina se alarga.

En resumen, el CNC 8065 con su amplia capacidad de memoria, generación de trayectorias más suaves, ejecución de programas pieza en formato nurbs, así como, el control de aceleración, Jerk y look-ahead hacen que sea un control numérico de máximas prestaciones para mecanizado en alta velocidad.