Màquines CNC: guia sobre el control numèric

Els màquines CNC han envaït molts sectors industrials i tallers de tota mena, i darrerament també en una de les seves variants més prometedores: les impressores 3D. Gràcies a ella es poden treballar els materials de múltiples formes, amb una precisió absoluta, de manera ràpida, i amb resultats difícils d'aconseguir per procediments manuals. Aquests són només alguns dels avantatges d'aquests sistemes que descriurem aquí.

Què és CNC

CNC (Control Numèric Computeritzat), o Computer Numerical Control en anglès, és un sistema molt estès a l'enginyeria per processar materials i peces amb la mínima intervenció humana. La tècnica CNC deriva del control numèric, un sistema automatitzat per a màquines eina que s'operen mitjançant ordres mitjançant volants o palanques. Tot i això, aquestes màquines van evolucionar i ara permeten el seu control mitjançant un programari i un ordinador per poder automatitzar encara més el procés i oferir millors prestacions.

El funcionament d'aquests sistemes CNC és força simple d'entendre. Es basa en la mecanització d'una peça mitjançant l'ús de coordenades que especificarà el moviment de l'eina (tall, trepant, fresat, soldadura…). Similar al funcionament duna impressora 3D, que també es podria entendre com una màquina CNC, només que en comptes de mecanitzar, el que fa és anar afegint capes de material per construir una peça.

I, igual que les impressores 3D, es poden tenir diversos eixos, com ara el X, Y i Z, podent realitzar desplaçaments longitudinals, verticals i transversals respectivament. Mitjançant uns servomotors i / o motors pas a pas, es desplaçarà l'eina al punt exacte indicat pel programari de l'ordinador, i realitzarà la mecanització d'una forma ràpida i amb altíssima precisió.

Abans de la invenció del CNC, es requeria mà d'obra per manejar les eines de forma manual, però les possibles falles que podien cometre afectaven la qualitat, repetibilitat, costos i disminuïa la producció. Per exemple, imaginau un empleat d'un taller d'alumini que voleu perforar marcs per a una finestra. Aquesta tasca requereix que:

L'operari agafi la peça.
La poseu sobre la taula de treball.
Col·loqueu la broca adequada al trepant.
I realitzeu la perforació.

Això per fer un sol forat no és un problema, però imagina que cal fer centenars o milers per mantenir una producció considerable i en el menor temps possible, a més que tots els orificis siguin iguals. En aquest cas, la mà dobra no és adequada, i és on les màquines CNC van aportar grans millores a la indústria. En aquest cas, els passos serien:

Assegureu-vos que la màquina està alimentada de material (de vegades fins i tot podrien tenir alimentació automàtica).
Engegar-la amb la programació necessària (pot ser necessari només una vegada i indicar el nombre de repeticions).
I ella s'encarregarà de fer les perforacions amb precisió i repetir-les tantes vegades com calgui, sense que l'operari intervingui.

A més, pot treballar més ràpidament que un operari i no es cansa, de manera que tot són avantatges per a la indústria o taller.

Què són les màquines CNC i com funciona

Una màquina CNC és un tipus de màquina per a mecanitzat operada mitjançant control numèric computeritzat. D'aquesta manera s'aconsegueix l'automatització de processos establint coordenades precises per a tall, soldadura, fresat, modelat, rectificat, col·locació de peces, etc., de materials de tota mena, des de tous com els polímers, el foami, MDF, o la fusta, fins i tot més durs com el marbre, el metall, roques, etc.

Així mateix, les màquines CNC permeten disposar d'un sofisticat sistema de retroalimentació que monitoritza i ajusta constantment la velocitat i posició de les eines emprades per a la mecanització, sense necessitat d'un manteniment manual tan freqüent. Fins i tot algunes de més avançades tenen sistemes intel·ligents per detectar problemes, controlar la qualitat del treball o peça, etc., o estar interconnectades si es tracta d'una indústria 4.0.

És important destacar que algunes màquines CNC funcionen de diferent forma:

Control punt a punt: en aquest tipus de màquines CNC sestabliran els punts inicials i finals de cada trajectòria.
Control pariaxial: s'hi permet controlar la velocitat de desplaçament de les peces.
Control interpolar: realitzen mecanitzats de qualsevol forma paral·lela als seus eixos.

Encara que aquests no són els tipus de màquines CNC, això ho abraçarem amb més detall en properes publicacions.

Història

Els primers mecanitzats que es van començar a fer van ser totalment manuals, usant diversos tipus d'eines rudimentàries que van ser avançat a poc a poc. Des de principis de segle XX, la indústria va fer un important salt cap a les màquines impulsades per energia motriu per estalviar esforç manual, augmentant la productivitat i eficiència.

Aquestes màquines encara no havien desplaçat de manera considerable a la mà d'obra, que encara seguia sent molt important. Això implicava que produir una peça prenia més temps, tenia majors costos i menors marges de guanys, i la qualitat i precisió obtinguda no era homogènia a totes les peces produïdes.

En els anys 40 i 50, a Estats Units es comencen a desenvolupar les màquines de control numèric. John T. Parsons, un enginyer d'aquella època, modificaria una màquina fresadora de llavors perquè pogués ser controlada mitjançant valors introduïts per targetes perforades, les antecessores de la memòria actual i el programari. D'aquesta manera, les màquines obtenien informació sobre els moviments exactes que havien de fer per a la mecanització de la peça i no necessitaven tanta intervenció humana per activar palanques, volants, etc.

Aquella màquina de Parsons es transformaria en un dels antecessors de les actuals màquines CNC modernes. Però seguia sent una fresadora molt rudimentària amb un sistema electrònic de control analògic que feia servir vàlvules de buit. Aquests sistemes es van anar popularitzant i avançant amb la maduració de l'electrònica d'estat sòlid i digital. De les vàlvules de buit es va passar al transistor, del transistor als circuits impresos i després als circuits integrats, fins que els microcontroladors (MCU) es van fer prou barats per utilitzar-los de forma massiva.

Aleshores van néixer les màquines de CNC amb sistemes més intel·ligents i programables, per poder variar els valors de la mecanització segons es vulgui. Als Jahr 70 arribarien les màquines CNC que coneixem actualment, comandades per un ordinador. Gràcies a aquesta altra gran fita es podia controlar tot el procés de forma més intuïtiva des d'un programari, programar diferents programes per fer-los servir quan es vulgui, modificar els paràmetres ràpidament, etc.

En els nostres dies, amb el desenvolupament del núvol, i l'IoT (Internet of Things), o Internet de les coses, es permet connectar multitud de dispositius al núvol i que puguin interactuar d'una manera més intel·ligent entre si, donant pas a la Indústria 4.0, en què les màquines CNC podran millorar les seves capacitats de forma considerable. Per exemple, es podrien comunicar entre si en una cadena de manufactura perquè si alguna màquina o etapa pateix un retard o problema, les màquines posteriors es puguin apagar mentre esperen per estalviar energia, o poden determinar la demanda per ajustar-ne el nivell de producció, etc. .

De què es compon una màquina CNC

Quan es tracta de detallar les parts o components d'una màquina CNC, es poden citar els elements essencials següents:

Dispositiu d'entrada

Es coneix com dispositiu d'entrada d'una màquina CNC al sistema que es fa servir per poder carregar o modificar les dades per al procés de mecanitzat. Per exemple, pot ser un tauler de control, una pantalla tàctil, etc. És a dir, una interfície per permetre a l'operador de la màquina accionar-la i controlar-la.

Unitat de control o controlador

és el sistema electrònic digital que s'encarregarà d'interpretar les dades introduïdes i generar una sèrie de senyals de control per controlar el moviment dels servomotors per moure el capçal de treball a través dels eixos i l'eina perquè facin exactament allò que indica el programa introduït per l'usuari .

eina

La Eina és un dels components més essencials, ja que és la que realment realitza la mecanització, la que està en contacte amb la peça que es processa. Pot ser un capçal multieina, podent exercir diverses tasques diferents, o també eines individuals fixes o intercanviables. Per exemple: broca, talladora, maduixa, punta de soldadura, etc.

A més, és important destacar que hi pot haver màquines CNC de diversos tipus quant a la seva tipus i nombre d'eixos:

3 eixos: són les més comunes, amb un eix X, Y, i Z.
4 eixos: com alguns encaminadors o routers CNC que afegeixen un eix A als tres anteriors. Això permet a la claveguera moure's d'esquerra a dreta per processar tres superfícies alhora, podent gravar de forma plana o en 3D. Són ideals per tallar fusta, metalls, patrons complexos, etc.
Eix giratori: té una claveguera giratòria per a l'eina, cosa que li permet processar quatre superfícies simultàniament. Aquest tipus de màquines s'utilitzen per a la mecanització de peces cilíndriques, estàtues de fusta, elements metàl·lics complexos, etc.

Sistema de subjecció o suport

és el lloc on s'ancora la peça per realitzar el procés de mecanitzat sense que es mogui. Depenent del sistema, podria ser de diferents tipus, amb ancoratges o sense. A més, alguns necessiten extres, com els sistemes de recol·lecció de pols, o com les de tall per raig d'aigua, que necessitaria un tanc o dipòsit d'aigua per recollir i dissipar la força del raig una vegada traspassa la peça.

Aquests sistemes solen anomenar-se també llit o taula. Moltes solen ser de materials com l'alumini, quan es necessita que les peces se subjectin a taula, per processar cilíndres o formes complexes. En canvi, la taula o llit de buit aspirarà la peça sense abraçar-la, cosa que permet més grau de precisió, menys agitació durant l'ús, i més grau de llibertat.

Dispositius realimentació (servomotors)

Només existeixen aquest tipus de dispositius de realimentació a les màquines CNC que usen servomotors. A les altres no és necessari.

Controlar

A més de tot això, també hi pot haver un sistema d'informació o monitorització del mateix procés de mecanitzat. Aquest pot ser a través de la mateixa interfície des de la que opera o independent.

Altres parts

A més de l'anterior, cal destacar dos elements primordials més:

motors: són els dispositius que mouen o accionen l'eina de mecanitzat segons les dades rebudes de la unitat de control.
- Servo: tolera altes velocitats, per la qual cosa pot tallar, foradar, etc. Ideal per a un treball silenciós, estable, i per a patrons intricats.
- Stepper: aquests motors pas a pas tenen un preu inferior, però s'utilitzen per a gravats o moviments més bàsics. Són fàcils de controlar, fiables i molt precisos, per la qual cosa són adequats en els casos on es necessita màxima precisió.
Claveguera: aquest element d'una màquina CNC pot tenir dos tipus de sistema de refrigeració o refredament possibles:
- per aire: estan refredats simplement mitjançant un ventilador que refreda la claveguera, i són més econòmics, fàcils de mantenir i d'usar.
- Per aigua: empren aigua per al refredament. És més car, complex i difícil de mantenir, però generalment dura més, és més eficient i silenciós.

Hardwarelibre