GRAFICACIÓN DE MAQUINARIA Y EQUIPO MAYOR Y EQUIPO MENOR.

DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA

FRANCISCO MARTINEZ GARCIA

6° SEMESTRE

ING. INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

GRAFICACIÓN DE MAQUINARIA Y EQUIPO MAYOR Y EQUIPO MENOR.

SISTEMA PARA EL DISEÑO APOYADO EN COMPUTADORAS ( CAD)

CAD significa Diseño Asistido por Computadora o Computer Aided Design, según la denominación en inglés y que da lugar a la sigla. El CAD se desarrolló en los años 60 y hoy es el método más generalmente adoptado para diseñar y optimizar el desarrollo de productos de la más diversa naturaleza. La industria usa herramientas CAD para el diseño de prácticamente todos los productos que usted ve y usa a diario. 

Cabe mencionar, que los diseñadores no sólo utilizan programas CAD para el diseño de productos, sino que también emplean los mismos para el diseño de indumentaria, desarrollos arquitectónicos o urbanísticos, grandes obras de infraestructuras y un sin fin de otras aplicaciones más. El fin primario de su tarea es documentar su creación, con total detalle y precisión. 

El producto de su trabajo luego puede ser trasladado al papel, según las normas y mejores prácticas de presentación gráfica de la información, desarrolladas durante décadas y utilizadas mucho antes del uso de la computadora, como herramienta de dibujo. Pero como se ampliará más adelante, este fin no es único y en estos años cobra fuerza el desarrollo de técnicas que obtienen provecho del documento binario que se origina en estos paquetes informáticos, para la ejecución automatizada de trabajos físicos. 

El diseño CAD es el uso de paquetes informáticos basados en programas o software que ayudan a los ingenieros, arquitectos, diseñadores industriales y otros profesionales en sus tareas de diseño. CAD es la parte principal del proceso de diseñar e implica tanto el empleo de software como de hardware. Este proceso de diseño consiste en trasladar la idea instalada en la mente del diseñador al sistema CAD, "construyendo virtualmente" la pieza o conjunto.

La disponibilidad de programas de diseño modernos, va desde sistemas de dibujo en2D, basado en la gráfica de vectores, a modeladores de sólidos en 3D. Los programas CAD pueden dividirse en dos grupos: los que son paquetes informáticos de dibujo en 2D y los de elaboración en 3D. Los primeros realizan trazos y formas geométricas primitivas, que se inscriben en el plano o lo que equivale a decir, no tienen altura o elevación alguna. Los segundos, pueden representar sólidos que

muestran con exactitud las características de forma y dimensión del objeto que se busca recrear. 

Estos objetos tridimensionales, pueden ser generados como sólidos, formas poligonales o mallas, según el algoritmo gráfico adoptado por el programa CAD, que se emplea. Estas tres soluciones son las más usuales en la actualidad y constituyen las tres grandes vertientes tecnológicas en este ámbito. Sin embargo, no se puede dejar de mencionar el método de modelado paramétrico, que adoptan algunos programas de diseño. Los parámetros se refieren a las restricciones, cuyos valores determinan la forma o la geometría del modelo. Los parámetros pueden ser numéricos, tales como longitud de una línea o el diámetro de un círculo, o parámetros geométricos, como la relación de tangencia entre dos entidades gráficas, así como también el paralelismo, con centricidad, horizontalidad o verticalidad, entre dos o más formas geométricas. Los parámetros numéricos pueden estar asociados entre sí, a través del uso de relaciones, lo que les permite captar la intención del diseño.

En estos últimos años, la mayoría de los paquetes informáticos se están adecuando para diseñar en 3D. El diseño 3D es realmente la actual tendencia del diseño asistido por computadora. Utilizando el diseño 3-D, los profesionales del diseño pueden hacer un modelo fiel de su producto, puede comprender todas las características cualitativas de su aspecto visual. A partir del mismo, se puede realizar una observación pormenorizada de este modelo, para identificar y corregir cualquier defecto, antes que el mismo sea aprobado para su producción. 

El Diseño Asistido por Computadora se utiliza en todos los proceso, desde el concepto hasta la ingeniería de diseño de productos, que involucra la técnica de Validación de Diseño, Simulación de Movimiento, Análisis de Elementos Finitos, etc. Estos productos pueden ser utilizados por consumidores finales o utilizados en otros productos, como partes componentes. Por ejemplo, se puede diseñar un tornillo en

CAD y luego usarlo en un subconjunto mecánico, como puede ser un planetario, el cual es parte de una máquina de movimiento de suelos. 

CAD/CAM, proceso en el cual se utilizan los ordenadores o computadoras para mejorar la fabricación, desarrollo y diseño de los productos. Éstos pueden fabricarse más rápido, con mayor precisión o a menor precio, con la aplicación adecuada de tecnología informática. Los sistemas de Diseño Asistido por Ordenador (CAD, acrónimo de Computer Aided Design) pueden utilizarse para generar modelos con muchas, si no todas, de las características de un determinado producto. Estas características podrían ser el tamaño, el contorno y la forma de cada componente, almacenados como dibujos bi y tridimensionales. Una vez que estos datos dimensionales han sido introducidos y almacenados en el sistema informático, el diseñador puede manipularlos o modificar las ideas del diseño con mayor facilidad para avanzar en el desarrollo del producto. Además, pueden compartirse e integrarse las ideas combinadas de varios diseñadores, ya que es posible mover los datos dentro de redes informáticas, con lo que los diseñadores e ingenieros situados en lugares distantes entre sí pueden trabajar como un equipo. Los sistemas CAD también permiten simular el funcionamiento de un producto. Hacen posible verificar si un circuito electrónico propuesto funcionará tal y como está previsto, si un puente será capaz de soportar las cargas pronosticadas sin peligros e incluso si una salsa de tomate fluirá adecuadamente desde un envase de nuevo diseño. Cuando los sistemas CAD se conectan a equipos de fabricación también controlados por ordenador conforman un sistema integrado CAD/CAM (CAM, acrónimo de Computer Aided Manufacturing). La Fabricación Asistida por Ordenador ofrece significativas ventajas con respecto a los métodos más tradicionales de 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 previsto del equipo representan ventajas aún mayores. Por ejemplo, las cuchillas y herramientas de corte se desgastarán más lentamente y se estropearían con menos frecuencia, lo que reduciría todavía más los costes de fabricación. Frente a este ahorro pueden aducirse los mayores costes de bienes de capital o las posibles implicaciones sociales de mantener la productividad con una reducción de la fuerza de trabajo. 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. Las características de los sistemas CAD/CAM son aprovechadas por los diseñadores, ingenieros y fabricantes para adaptarlas a las necesidades específicas de sus situaciones. Por ejemplo, un diseñador puede utilizar el sistema para crear rápidamente un primer prototipo y analizar la viabilidad

de un producto, mientras que un fabricante quizá emplee el sistema porque es el único modo de poder fabricar con precisión un componente complejo. La gama de prestaciones que se ofrecen a los usuarios de CAD/CAM está en constante expansión. Los fabricantes de indumentaria pueden diseñar el patrón de una prenda en un sistema CAD, patrón que se sitúa de forma automática sobre la tela para reducir al máximo el derroche de material al ser cortado con una sierra o un láser CNC. Además de la información de CAD que describe el contorno de un componente de ingeniería, es posible elegir el material más adecuado para su fabricación en la base de datos informática, y emplear una variedad de máquinas CNC combinadas para producirlo. La Fabricación Integrada por Computadora (CIM) aprovecha plenamente el potencial de esta tecnología al combinar una amplia gama de actividades asistidas por ordenador, que pueden incluir el control de existencias, el cálculo de costes de materiales y el control total de cada proceso de producción. Esto ofrece una mayor flexibilidad al fabricante, permitiendo a la empresa responder con mayor agilidad a las demandas del mercado y al desarrollo de nuevos productos.

Control Numérico Computarizado.

Se considera Control Numérico Computarizado, también llamado CNC (en inglés Computer Numerical Control) (también Control Numérico Continuo o Continuous Numerical Control), a todo dispositivo capaz de dirigir de forma semi-autónoma el posicionamiento de una herramienta mecánica móvil, mediante órdenes elaboradas de forma totalmente automática, a partir de información numérica, que se ejecuta en tiempo real. 

Los modernos dispositivos CNC están basados en tecnologías propias de la informática digital, a diferencia de los llamados NC (Numerical Control), de origen analógico, y por lo tanto ya superados y un tanto obsoletos. Para la realización de su tarea, los dispositivos CNC disponen de un Controlador o Control el cual tiene la función de interpretar las instrucciones de mecanizado de un código G en ejecución y convertirlo en movimiento. Para ser más específicos, el controlador interpreta la señal de pulsos, que genera la computadora a cargo del control de la máquina, para la realización de los movimientos. 

 Para lograr esto, el controlador amplifica la señal digital que procesa el

programa de control instalado en la computadora. El programa de control también provee de la Interfáz Gráfica de Usuario (en ingles GUI “Graphic User Interfase”) o Interfáz Máquina Hombre (en inglés HMI “Human Machine Interfase”), permitiendo la configuración de las variables del trabajo de mecanizado, mediante la interacción del operador con el mismo. 

Entre las operaciones de mecanizado, que se pueden realizar en una máquina herramienta CNC se encuentran las de torneado y de fresado. Sobre la base de esta combinación es posible generar la mayoría (si no son todas) las piezas de industria. Pero, los sistemas CNC se extienden a otros procesos productivos, tales como el Corte y Grabado por LASER, Oxicorte, Plasma, Chorro de Agua (Water-Jet), Punzonado, Corte por Hilo, EDM (Electrical Discharge Machining), etc. Este es, sin duda, una de las tecnologías que más ha revolucionado la fabricación de todo tipo de objetos, tanto en la industria metalúrgica como en muchos otros ámbitos productivos.  Principio de funcionamiento 

Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el movimiento de la herramienta de corte. El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando el programa de control ejecutado por una computadora y mencionado anteriormente. 

En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos laterales del Carro o Charriot y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la Torre o Torreta. 

En el caso de las fresadoras se controlan los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Z, así como también los desplazamientos horizontales, hacia izquierda o derecha y hacia delante o atrás, según esté dispuesto el eje de

coordenadas de la máquina. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de desplazamiento del Carro y la Torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa de trabajo o columna en el caso de la fresadora. 

Cabe mencionar que la cantidad de ejes de desplazamiento no puede estar limitada únicamente a tres ejes, sino que depende más de las características y capacidad de la máquina, pudiendo ésta tener control sobre un cuarto, quinto y hasta sexto eje.

Aplicaciones 

La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han generado un enorme aumento de los volúmenes de producción y mejorado sustancialmente la productividad, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado, que era difícil de hacer con máquinas convencionales, por ejemplo la realización de superficies esféricas manteniendo un elevado grado de precisión dimensional. Finalmente, el uso de sistemas CNC reducen costos de producción, manteniendo o mejorando la calidad. Es así, que en términos globales se observan notables avances en las capacidades y prestaciones de las máquinas herramientas, a partir de la generalización de esta técnica productiva en la fabricación de sus partes componentes. 

Programación de un control numérico 

Se pueden utilizar dos métodos, la programación manual y la programación automática.  Programación manual 

En este caso, el programa de mecanizado se escribe únicamente por medio de razonamientos y cálculos que realiza un operario. El programa de mecanizado comprende todo el conjunto de datos que el control necesita para la mecanización de la pieza. Esta modalidad es conocida como “Programación a Pié de Máquina” y hace uso de las herramientas que la GUI o HMI pone a disposición del operador, para la introducción de códigos, órdenes o comandos estandarizados. 

Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se le denomina bloque o secuencia, que se numeran para facilitar su búsqueda. Este conjunto de informaciones es interpretado o leído por el intérprete de órdenes. Una secuencia o bloque de programa debe contener todas las funciones geométricas, funciones de máquina y funciones tecnológicas del mecanizado. De tal modo, un bloque de programa consta de varias instrucciones. 

El comienzo del control numérico ha estado caracterizado por un desarrollo anárquico de los códigos de programación. Cada constructor utilizaba el suyo particular. Posteriormente, se vio la necesidad de normalizar los códigos de programación como condición indispensable para que un mismo programa pudiera servir para diversas máquinas con tal de que fuesen del mismo tipo. Los caracteres más usados comúnmente, regidos bajo la norma DIN 66024 y 66025 son, entre otros, los siguientes: 

N: es 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 (N000 hasta N999).

X, Y, Z: son las direcciones correspondientes a las cotas según los ejes X, Y, Z de la máquina herramienta (y sus planos cartesianos). Dichas cotas se pueden programar en forma absoluta o relativa, es decir, con respecto al cero de coordenadas de la pieza o con respecto a la última cota respectivamente.

G: es 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. 

Esta función ha sido desarrollada en tal magnitud, que también se la conoce como Código G, haciendo de alguna forma referencia a la capacidad que la misma tiene, como lenguaje de programación de máquinas herramientas CNC. Sin

embargo, muy pocas maquinas adhieren actualmente a este estándar. En realidad, hay tantas variaciones de esta función, como fabricantes de máquinas. 

La función o código G es un lenguaje sencillo construido a partir del sistema de coordenadas cartesianas, para el control de movimiento en una máquina herramienta. El código G es también el nombre de cualquier comando incluido en un programa CNC, que comienza con la letra G. Por lo general cada instrucción en código G le indica a la máquina, que acción deberá realizar seguidamente. 

Por ejemplo, un comando de función o código G pueden decirle a la máquina que se mueva una cierta distancia y según un cierto sentido, en el eje X de su sistema de coordenadas. O bien, hacer un movimiento rápido hacia otro lugar. También, puede instruir a la máquina para que esta describa un arco, mientras se está realizando el fresado. Queda implícito, que una función G puede realizar la repetición de todas esta secciones, todas las veces que así sea indicado. 

La función G va seguida de un número de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones preparatorias diferentes.Algunos ejemplos: G00: Posicionamiento rápido. El trayecto programado se realiza a la máxima velocidad de avance posible. G01: Interpolación lineal. Los ejes se gobiernan de tal forma que la herramienta se mueve a lo largo de una línea recta. G02: Interpolación circular hacia la derecha o en sentido horario. G03: Interpolación circular hacia la izquierda o en sentido anti-horario. G04: Detención G20: Programación en pulgadas G21: Programación en mm G28: Retorno a la posición de origen o partida G33: Indica ciclo automático de roscado G40: Compensación del radio de la herramienta. Cancela compensación G41: Compensación de corte o del radio de la herramienta hacia la izquierda G42: Compensación de corte o del radio de la herramienta hacia la derecha

 G43: Compensación con desplazamiento positivo del radio de la herramienta G44: Compensación con desplazamiento negativo del radio de la herramienta G77: Es un ciclo automático que permite programar con un único bloque el torneado de un cilindro, etc. 

M: es la dirección correspondiente a las funciones auxiliares o complementarias. Se usan para indicar a la máquina herramienta que se deben realizar operaciones tales como parada programada, rotación del husillo a derecha o a izquierda, cambio de herramienta, etc. La dirección M va seguida de un número de dos cifras que permite programar hasta 100 funciones auxiliares diferentes. Algunos ejemplos: M00: Provoca una parada incondicional del programa, detiene el husillo y la refrigeración M01: Parada opcional M02: Indica el fin del programa. Se debe escribir en el último bloque del programa y posibilita la parada del control una vez ejecutadas el resto de las operaciones contenidas en el mismo bloque M03: Activa la rotación del husillo en sentido horario M04: Activa la rotación del husillo en sentido anti-horario (El sentido de giro del husillo es visto por detrás de la máquina, no de nuestro punto de vista como en los tornos convencionales). M05: Parada del cabezal M06: cambio de herramienta (con parada del programa o sin) en las máquinas de cambio automático no conlleva la parada del programa. 

F: es la dirección correspondiente a la velocidad de avance. Va seguida de un número de cuatro cifras que indica la velocidad de avance en mm/min.S: es la dirección correspondiente a la velocidad de rotación del husillo principal. Se programa directamente en revoluciones por minuto, usando cuatro dígitos.

I, J, K: son direcciones utilizadas para programar arcos de circunferencia. Cuando la interpolación se realiza en el plano X-Y, se utilizan las direcciones I y J.

Análogamente, en el plano X-Z, se utilizan las direcciones I y K, y en el plano Y-Z, las direcciones J y K.

T: es la dirección correspondiente al número de herramienta. Va seguido de un número de cuatro cifras en el cual los dos primeros indican el número de herramienta y los dos últimos el número de corrección de las mismas. Programación automática 

En este caso, los cálculos los realiza una computadora, interpretando un modelo virtual generado con un programa CAD y una configuración de trabajo, previamente desarrollada por un operador, de acuerdo a sus necesidades y capacidades de la máquina. El paquete informático empleado para este fin, suministra en su salida el programa o códigos en bloque, en lenguaje de máquina. Este proceso es conocido como Fabricación o Manufactura Asistida por Computadora o CAM, de la denominación en idioma inglés, que da lugar a esta sigla (Computer Aided Manufacturing).

Fabricación Asistida por Computadora

La fabricación asistida por computadora, también conocida por las siglas en inglés CAM (Computer Aided Manufacturing), implica el uso de computadoras y tecnología de cómputo para realizar de forma automática o semi-automática todas las fases de manufactura de un producto, incluyendo la planificación y control del proceso, la producción, la administración de recursos y el control de calidad. 

Debido a sus evidentes ventajas, se suele integrar el diseño y la fabricación asistidos por computadora mediante el empleo combinado de sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite la transferencia de información, desde la etapa de diseño a la etapa de planificación para la fabricación de un producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadas, para establecer la calidad del producto. 

Una de las funciones más relevantes de un sistema CAD/CAM, es la capacidad de simular la trayectoria de la herramienta en la operación de mecanizado, mediante la programación de la estrategia de trayectoria y demás parámetros que definen cada una de de las operaciones que intervienen en el proceso. Por ejemplo, un sistema CAD/CAM puede generar el programa de control numérico necesario, para controlar de forma autónoma operaciones de torneado, fresado y agujereado, de forma interpolada y repetitiva, de acuerdo a un plan de trabajo definido por su operador. 

Las instrucciones que se generan en la computadora, se pueden modificar tanta veces como sean necesarias, para optimizar la trayectoria de la herramienta. Allí reside la utilidad de la simulación, que en definitiva es una modelización virtual animada, de las operaciones de producción. Mediante esta, el ingeniero o el técnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la trayectoria presenta inconsistencias o posibles colisiones con prensas, soportes u otros objetos.

 

Algunos ejemplos de CAM son: el fresado programado por control numérico, la realización de agujeros en circuitos automáticamente por un robot, y la soldadura automática de componentes SMD (Surface Mount Device) en una planta de montaje.

El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en los procesos de manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos. Esto ha hecho posible reducir los costos de forma importante, y mejorar la productividad. Por ejemplo, el avión bimotor de pasajeros Boeing 777 fue diseñado en su totalidad en computadora, con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras. Este avión se construye de forma directa con los programas CAD/CAM desarrollados (y el sistema ampliado CATIA), y no se construyeron prototipos ni simulaciones, como los que se requirieron en los modelos anteriores. El costo de este desarrollo fue del orden de seis mil millones de dólares.  Algunas aplicaciones características del CAD/CAM son las siguientes: 

Programación por calendario de procesos para el control numérico, control numérico computarizado y robots industriales.

Diseño de matrices y moldes para fundición en los que, por ejemplo, se reprograman tolerancias de contracción.

Matrices para operaciones de trabajo de metales, por ejemplo, modelos progresivos para estampado.

Diseño de herramientas, soportes y electrodos para electroerosión. Control de calidad e inspección; por ejemplo, máquinas de medición por

coordenadas programadas en una estación de trabajo CAD/CAM. Planeamiento y programación de proceso. Distribución de planta.