Com funciona una màquina CNC i aplicacions

Les omnipresents màquines CNC estan per multitud de fàbriques i tallers de tota mena. Els seus meravellosos avantatges han fet que siguin màquines gairebé imprescindibles per a la mecanització de peces. Ara que ja saps què són aquest tipus de màquines, el següent és saber com funciona una màquina CNC, com es realitza la mecanització de les peces, el llenguatge de programació que utilitzen, així com les aplicacions més habituals d'aquestes màquines.

Com funciona una màquina CNC: Mecanitzat CNC o per control numèric

A partir dels dissenys CAD (Computer-Aided Design o Disseny Assistit per Computador) o CAM (Computer-Aided Manufacturing o Manufactura Assistida per Computador), se n'obté uns codis de lectura o llenguatge amb què la màquina CNC podrà seguir les rutes o moviments marcats per a la mecanització de la peça en un ordre adequat perquè s'obtingui el resultat desitjats. És a dir, perquè al final del procés sigui la peça idèntica a la del disseny per ordinador.

És a dir, gràcies a aquests codis es podrà moure el capçal amb l'eina de treball a través dels eixos de la màquina. Per descomptat, l'eina pot ser diferent d'una màquina a una altra, fins i tot algunes tenen un capçal amb multieina per canviar entre diverses i oferir més flexibilitat de treball. Per exemple, hi pot haver instruments de tall, perforació, fresat o tornejat, soldadura, emplaçament i col·locació, etc.

Control de moviment

Les màquines CNC tenen dues o més adreces programables (eixos). Generalment són 3 (X, Y, Z), encara que de vegades poden tenir més com vam veure a l'article anterior, a més de permetre rotacions (els eixos rotatoris es denominen A, B, C). Depenent de la quantitat d'eixos, podreu realitzar mecanitzats més o menys complexos. Com més eixos, més grau de llibertat de moviments, de manera que podria fer llaurats molt més complexos.

Per a la controlar el moviment d'aquests eixos, es poden fer servir dos negres de sistemes que poden funcionar de forma individual o conjunta:

Valors absoluts (codi G90): en aquest cas les coordenades del punt de destinació són referides al punt dorigen de coordenades. S'utilitzen les variables X (mesura del diàmetre final) i Z (mesura en direcció paral·lela a l'eix de gir de la claveguera).
Valors incrementals (codi G91): en aquest altre cas les coordenades del punt de destinació són referides al punt actual. S'utilitzen les variables U (distància radial) i W (mesura en direcció paral·lela a l'eix de gir de la claveguera).

accessoris programables

Només amb un control de moviment no es podria fer servir la màquina CNC. Per tant, les màquines han de ser programades d'altres maneres. El tipus de màquina CNC està, de fet, estretament relacionat amb el tipus daccessoris programables que té. Per exemple, dins del mecanitzat es poden tenir funcions específiques programables com:

Canvi automàtic d'eina: en alguns centres de mecanitzat multieina. El capçal portaeines podrà ser programat per fer servir l'eina necessària en cada cas sense que s'hagi de posar a la claveguera de forma manual.
Velocitat i activació de la claveguera: també es pot programar la velocitat de la claveguera en revolucions per minut (RPM), fins i tot el sentit de gir (horari o antihorari), així com aturar-se o activar-se.
Refrigerant: moltes màquines de mecanitzat que treballen amb materials durs, com la pedra o el metall, necessiten un refrigerant perquè no se sobreescalfin. El refrigerant també es pot programar per activar-se o desactivar-se durant el cicle de treball.

programa CNC

Les màquines de CNC es poden programar, com s'ha vist, però ho fan mitjançant diferents mètodes que hauries de conèixer a l'hora d'operar amb una:

Manual: introduint la informació que es vol en un intèrpret d'ordres. Per això, cal conèixer un codi alfanumèric que està estandarditzat, com el de la norma DIN 66024 i DIN 66025.
Automàtica: és el cas més habitual en l'actualitat, i es realitza mitjançant un ordinador connectat a la màquina CNC. Una persona podrà modificar les dades mitjançant un programari, sense necessitat de conèixer-ne els codis, ja que el mateix programa s'encarregarà de traduir-los a instruccions comprensibles per a la màquina CNC. Això es fa mitjançant un llenguatge anomenat APT, que alhora serà traduït a binari (zeros i uns) perquè el microcontrolador de la màquina CNC pugui comprendre'l i traduir-lo en moviments.

Actualment, també hi ha algunes altres màquines de CNC més avançades i fàcils d'usar, com les automàtiques que poden necessitar una intervenció humana encara menor.

Exemple de programa CNC. Font: Researchgate

El denominat programa CNC, que està escrit en un llenguatge de baix nivell anomenat G i M (estandarditzats per la ISO 6983 i EIA RS274) i compost per:

Codis G: instruccions genèriques de moviment. Per exemple, G pot fer que avanci, que es mogui radialment, pausar, fer cicles, etc.
Codis M: que no es corresponen amb moviments o de miscel·lània. Exemples de M podria ser arrencar o aturar la claveguera, canviar eina, aplicar refrigerant, etc.
N: el programa es divideix en fases o blocs d'instruccions que estaran encapçalats per la lletra N. Cada bloc està numerat, ja que les accions de mecanitzat s'executen de manera seqüencial. La màquina respectarà la numeració.
Variables o adreces: el codi també conté aquest tipus de valors, com F per a la velocitat de l'avenç, S per a la velocitat de la claveguera, T per a la selecció de l'eina, I, J i K per localitzar el centre d'un arc, X, Y, i Z per al moviment d'eixos, etc.

Tot dependrà del tipus de màquina. Per exemple, no és el mateix una màquina CNC per al plegat de xapes, que una per al tall. La primera ni té claveguera ni requereix refrigerant.

Taula d'exemples de codis G i M

Si observes la taula anterior, podríem utilitzar un exemple de bloc per explicar què passa. Per exemple, imagina que tens el següent codi o programa CNC:

N3 G01 X12.500 Z32.000 F800

Aquest petit snippet de codi CNC estaria indicant-li a la màquina CNC, una vegada que es tradueixi a binari, que realitzi les següents accions:

N3 indica que és el tercer bloc que cal executar. Per tant, hi hauria dos blocs anteriors.
G01: fer un moviment lineal.
X12.500: es desplaçaria 12.5 mm per l'eix X.
Z32.000: es desplaçaria 32 mm per l'eix Z. En aquest cas no hi hauria moviment a Y.
F800: es realitza un avenç amb una velocitat de 800 mm/min.

llenguatge APT

D'altra banda, el llenguatge APT és un llenguatge de programació que es farà servir com a codi intermedi entre l'anterior i el codi màquina (codi binari) comprensible per la MCU. Va ser desenvolupat al laboratori del MIT, per Douglas T. Ross. Aleshores, 1956, s'usava per al control de servomecanismes, però actualment se n'ha estès l'ús i s'ha transformat en un estàndard internacional per al control numèric.

Es va considerar un predecessor de CAM, i s'assembla a altres llenguatges com el FORTRAN. Aquest codi serà transformat per un programari de l'ordinador en una sèrie d'instruccions binàries que es carregaran a la memòria del microcontrolador de la màquina CNC perquè les pugui anar executant, generant senyals elèctrics de control per moure els motors i eines.

Aquest llenguatge APT pot controlar multitud de paràmetres de la màquina CNC:

Velocitat de la claveguera (RPM)
Activació o desactivació de la claveguera
rotació
Parada programada
refrigerant
Moviments en totes les adreces possibles (XYZ i ABC)
temporització
Cicles de repetició
Trajectòries
Etc...

Per descomptat, els que operin màquines CNC no necessiten saber aquest llenguatge APT, ja que el programari actual és força intuïtiu i permet un control fàcil, traduint l'APT de forma transparent a l'usuari per crear la peça que s'ha dissenyat a l'arxiu CAD/CAM. No obstant, mai no està de més saber que existeix i el que és.

Actualment, les modernes màquines CNC ja compten amb interfícies gràfiques amb pantalles tàctils i ordinador integrat que facilita molt el seu ús. Són extremadament intuïtives, i no necessiten tant aprenentatge. Mitjançant un pendrive o memòria USB, et permetran carregar el disseny de la peça, per la qual cosa es pot dissenyar en un altre ordinador independent.

controlador CNC

El controlador CNC serà el que s'encarregue d'interpretar el programa CNC, els seus comandaments en ordre seqüencial, i realitzarà els moviments i les funcions necessàries, entre altres coses.

Programa CAM/CAD

Un programari CAD o CAM es farà servir per crear el disseny o model del que es pretén fabricar. El programari actual ja permet passar des d'aquest tipus de formats a un programa CNC automàticament.

sistema DNC

Quant al DNC (Direct Numeric Control – Control Numèric Directe), és un terme que fa referència a un ordinador connectada per una xarxa a una o més màquines CNC. D'aquesta manera, es podrà transferir el programa CNC a les màquines, ja sigui per Ehternet, o per ports més clàssics i rudimentaris com els sèrie RS-232C, que encara es continuen fent servir en moltes màquines industrials.

Aplicacions de les màquines CNC

Les màquines CNC tenen més aplicacions de les que imagines. Gran quantitat de la indústria i els tallers, des dels més petits fins als més grans, depenen d'un d'aquests equips o diversos. Fins i tot es poden fer servir a casa per a certs treballs de DIY per a makers.

Oci (DIY i makers)

Molts makers tenen petites màquines CNC de diversos tipus a casa per fer alguns projectes DIY. També el poden fer servir particulars per realitzar certes tasques des de casa:

Realitzar peces de bijuteria.
Mecanitzat de materials per crear peces o components.
Crear peces per reparar vehicles o altres tipus d'equips quan ja no se'n venen recanvis.
Fer obres artístiques o gravats.

Tallers i indústria manufacturera

Per descomptat, al sector professional, tant en tallers com en factories, també és molt freqüent veure màquines CNC, tant per a fusters, tallers de reparació, fabricació de peces, indústria tèxtil, sector aeronàutic, decoració, ebenisteria, etc. Per exemple:

Tall de planxes metàl·liques per làser.
Soldadura per plasma.
Pick & Place, o per emplaçar parts o components just al lloc d'acoblament.
Doblegat de barres, tubs, planxes…
Perforació.
Tornejat o fresat de fusta.
Fabricació de peces a mida.
Modelat o fabricació additiva.
Creació d'implants o pròtesis per a ús mèdic.
Gravats.
Etc...

Sector de l'electrònica

Menció a part mereixen les màquines CNC que també s'han fet servir en un sector tan competitiu i avançat com el de l'electrònica i la indústria dels semiconductors. Aquestes màquines poden realitzar gran quantitat de tasques, com ara:

Tall de hòsties semiconductores.
Fabricació de dissipadors a partir de blocs de coure o alumini.
Creació de carcasses/estructures per a ordinadors, televisors, mòbils, etc.
Pick & Place per col·locar els components de muntatge superficial d'una placa PCB al seu lloc per al soldat posterior.
Soldadura.
Gravat per làser de marques i logotips.
Per donar forma a les lents.
Etc...

Hardwarelibre