Cómo funciona una máquina CNC y aplicaciones

Las omnipresentes máquinas CNC están por multitud de fabricas y talleres de todo tipo. Sus maravillosas ventajas han hecho que sean máquinas casi imprescindibles para el mecanizado de piezas. Ahora que ya sabes qué son este tipo de máquinas, lo siguiente es saber cómo funciona una máquina CNC, cómo se realiza el mecanizado de las piezas, el lenguaje de programación que emplean, así como las aplicaciones más habituales de estas máquinas.

Cómo funciona una máquina CNC: Mecanizado CNC o por control numérico

A partir de los diseños CAD (Computer-Aided Design o Diseño Asistido por Computador) o CAM (Computer-Aided Manufacturing o Manufactura Asistida por Computador), se obtiene unos códigos de lectura o lenguaje con los que la máquina CNC podrá seguir las rutas o movimientos marcados para el mecanizado de la pieza en un orden adecuado para que se obtenga el resultado deseados. Es decir, para que al final del proceso, sea la pieza idéntica a la del diseño por ordenador.

Es decir, gracias a esos códigos se podrá mover el cabezal con la herramienta de trabajo a través de los ejes de la máquina. Por supuesto, la herramienta puede ser diferente de una máquina a otra, incluso algunas tienen un cabezal con multiherramienta para cambiar entre varias y ofrecer mayor flexibilidad de trabajo. Por ejemplo, puede haber instrumentos de corte, de perforación, de fresado o torneado, de soldadura, de emplazamiento y colocación, etc.

Control de movimiento

Las máquinas CNC tienen dos o más direcciones programables (ejes). Generalmente son 3 (X, Y, Z), aunque a veces pueden tener más como vimos en el artículo anterior, además de permitir rotaciones (los ejes rotatorios se denominan A, B, C). Dependiendo de la cantidad de ejes, podrá realizar mecanizados más o menos complejos. Mientras más ejes, mayor grado de libertad de movimientos, por lo que podría hacer labrados mucho más complejos.

Para controlar el movimiento de estos ejes, se pueden emplear dos tintos de sistemas que pueden funcionar de forma individual o conjunta:

Valores absolutos (código G90): en este caso las coordenadas del punto de destino son referidas al punto de origen de coordenadas. Se usan las variables X (medida del diámetro final) y Z (medida en dirección paralela al eje de giro del husillo).
Valores incrementales (código G91): en este otro caso las coordenadas del punto de destino son referidas al punto actual. Se usan las variables U (distancia radial) y W (medida en dirección paralela al eje de giro del husillo).

Accesorios programables

Solo con un control de movimiento no se podría usar la máquina CNC. Por tanto, las máquinas deben ser programadas de otras maneras. El tipo de máquina CNC está, de hecho, estrechamente relacionado con el tipo de accesorios programables que tiene. Por ejemplo, dentro del mecanizado se puede tener funciones específicas programables como:

Cambio automático de herramienta: en algunos centros de mecanizado multiherramienta. El cabezal portaherramientas podrá ser programado para usar la herramienta necesaria en cada caso sin que se tenga que poner en el husillo de forma manual.
Velocidad y activación del husillo: también se puede programar la velocidad del husillo en revoluciones por minuto (RPM), incluso el sentido de giro (horario o antihorario), así como detenerse o activarse.
Refrigerante: muchas máquinas de mecanizado que trabajan con materiales duros, como la piedra o el metal, necesitan de un refrigerante para que no se sobrecalienten. El refrigerante también puede programarse para activarse o desactivarse durante el ciclo de trabajo.

Programa CNC

Las máquinas de CNC se pueden programar, como se ha visto, pero lo hacen mediante diferentes métodos que deberías conocer a la hora de operar con una de ellas:

Manual: introduciendo la información que se desea en un intérprete de comandos. Para ello, hay que conocer un código alfanumérico que está estandarizado, como el de la norma DIN 66024 y DIN 66025.
Automática: es el caso más habitual en la actualidad, y se realiza mediante un computador conectado a la máquina CNC. Una persona podrá modificar los datos mediante un software, sin necesidad de conocer los códigos, ya que el propio programa se encargará de traducirlos a instrucciones comprensibles para la máquina CNC. Esto se hace mediante un lenguaje llamado APT, que a su vez será traducido a binario (ceros y unos) para que el microcontrolador de la máquina CNC pueda comprenderlo y traducirlo en movimientos.

Actualmente, también hay algunas otras máquinas de CNC más avanzadas y fáciles de usar, como las automáticas que pueden necesitar de una intervención humana aún menor.

Ejemplo de programa CNC. Fuente: Researchgate

El denominado programa CNC, que está escrito en un lenguaje de bajo nivel denominado G y M (estandarizados por la ISO 6983 y EIA RS274) y compuesto por:

Códigos G: instrucciones genéricas de movimiento. Por ejemplo, G puede hacer que avance, que se mueva radialmente, pausar, realizar ciclos, etc.
Códigos M: que no se corresponden con movimientos o de miscelánea. Ejemplos de M podría ser arrancar o detener el husillo, cambiar herramienta, aplicar refrigerante, etc.
N: el programa se divide en fases o bloques de instrucciones que estarán encabezados por la letra N. Cada bloque está numerado, ya que las acciones de mecanizado se ejecutan de forma secuencial. La máquina respetará la numeración.
Variables o direcciones: el código también contiene este tipo de valores, como F para la velocidad del avance, S para la velocidad del husillo, T para la selección de la herramienta, I, J y K para localizar el centro de un arco, X, Y, y Z para el movimiento de ejes, etc.

Todo dependerá del tipo de máquina. Por ejemplo, no es lo mismo una máquina CNC para el plegado de chapas, que una para el corte. La primera ni tiene husillo ni requiere refrigerante.

Tabla de ejemplos de códigos G y M

Si observas la tabla anterior, podríamos usar un ejemplo de bloque para explicar qué ocurre. Por ejemplo, imagina que tienes el siguiente código o programa CNC:

N3 G01 X12.500 Z32.000 F800

Este pequeño snippet de código CNC estaría indicándole a la máquina CNC, una vez que se traduzca a binario, que realice las siguientes acciones:

N3 indica que es el tercer bloque que se debe ejecutar. Por tanto, habría dos bloques anteriores.
G01: realizar un movimiento lineal.
X12.500: se desplazaría 12.5 mm por el eje X.
Z32.000: se desplazaría 32 mm por el eje Z. En este caso no habría movimiento en Y.
F800: se realiza un avance con una velocidad de 800 mm/min.

Lenguaje APT

Por otro lado, el lenguaje APT es un lenguaje de programación que se usará como código intermedio entre el anterior y el código máquina (código binario) comprensible por la MCU. Fue desarrollado en el laboratorio del MIT, por Douglas T. Ross. En aquel entonces, 1956, se usaba para el control de servomecanismos, pero actualmente se ha extendido su uso y se ha transformado en un estándar internacional para el control numérico.

Se consideró un predecesor de CAM, y se parece a otros lenguajes como el FORTRAN. Este código será transformado por un software de la computadora en una serie de instrucciones binarias que e cargarán en la memoria del microcontrolador de la máquina CNC para que las pueda ir ejecutando, generando señales eléctricas de control para mover los motores y herramientas.

Este lenguaje APT puede controlar multitud de parámetros de la máquina CNC:

Velocidad del husillo (RPM)
Activación o desactivación del husillo
Rotación
Parada programada
Refrigerante
Movimientos en todas las direcciones posibles (XYZ y ABC)
Temporización
Ciclos de repetición
Trayectorias
Etc.

Por supuesto, los que operen máquinas CNC no necesitan saber este lenguaje APT, puesto que el software actual es bastante intuitivo y permite un control fácil, traduciendo el APT de forma transparente al usuario para crear la pieza que se ha diseñado en el archivo CAD/CAM. No obstante, nunca está de más saber que existe y lo que es.

Actualmente, las modernas máquinas CNC ya cuentan con interfaces gráficas con pantallas táctiles y computadora integrada que facilita mucho su uso. Son extremadamente intuitivas, y no necesitan de tanto aprendizaje. Mediante un pendrive o memoria USB, te permitirán cargar el diseño de la pieza, por lo que se puede diseñar en otro computador independiente.

Controlador CNC

El controlador CNC será el que se encargue de interpretar el programa CNC, sus comandos en orden secuencial, y realizará los movimientos y funciones necesarias, entre otras cosas.

Programa CAM / CAD

Un software CAD o CAM se empleará para crear el diseño o modelo de lo que se pretende fabricar. El software actual ya permite pasar desde este tipo de formatos a un programa CNC de forma automática.

Sistema DNC

En cuanto al DNC (Direct Numeric Control – Control Numérico Directo), es un término que se refiere a una computadora conectada por una red a una o más máquinas CNC. De esta forma, se podrá transferir el programa CNC a las máquinas, ya sea por Ehternet, o por puertos más clásicos y rudimentarios como los serie RS-232C, que aún se siguen usando en muchas máquinas industriales.

Aplicaciones de las máquinas CNC

Las máquinas CNC tienen más aplicaciones de las que imaginas. Gran cantidad de la industria y talleres, desde los más pequeños a los más grandes, dependen de uno de estos equipos o varios. Incluso se pueden usar en casa para ciertos trabajos de DIY para makers.

Ocio (DIY y makers)

Muchos makers tienen pequeñas máquinas CNC de diversos tipos en casa para realizar algunos proyectos DIY. También lo pueden usar particulares para realizar ciertas tareas desde casa:

Realizar piezas de bisutería.
Mecanizado de materiales para crear piezas o componentes.
Crear piezas para reparar vehículos u otro tipo de equipos cuando ya no se venden recambios de los mismos.
Hacer obras artísticas o grabados.

Talleres e industria manufacturera

Por supuesto, en el sector profesional, tanto en talleres como en factorías, también es muy frecuente ver máquinas CNC, tanto para carpinteros, talleres de reparación, fabricación de piezas, industria textil, sector aeronáutico, decoración, ebanistería, etc. Por ejemplo:

Corte de planchas metálicas por láser.
Soldadura por plasma.
Pick & Place, o para emplazar partes o componentes justo en su lugar de ensamblado.
Doblado de barras, tubos, planchas…
Perforación.
Torneado o fresado de madera.
Fabricación de piezas a medida.
Modelado o fabricación aditiva.
Creación de implantes o prótesis para uso médico.
Grabados.
Etc.

Sector de la electrónica

Mención aparte merecen las máquinas CNC que también se han empleado en un sector tan competitivo y avanzado como el de la electrónica y la industria de los semiconductores. Estas máquinas pueden realizar gran cantidad de tareas, como por ejemplo:

Corte de obleas semiconductoras.
Fabricación de disipadores a partir de bloques de cobre o aluminio.
Creación de carcasas/estructuras para ordenadores, televisores, móviles, etc.
Pick & Place para colocar los componentes de montaje superficial de una placa PCB en su lugar para el posterior soldado.
Soldadura.
Grabado por láser de marcas y logotipos.
Para dar forma a las lentes.
Etc.

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