Máquinas CNC: guía sobre el control numérico

Las máquinas CNC han invadido muchos sectores industriales y talleres de todo tipo, y últimamente también en una de sus variantes más prometedoras: las impresoras 3D. Gracias a ella se pueden trabajar los materiales de múltiples formas, con una precisión absoluta, de manera rápida, y con resultados difícil de conseguir por procedimientos manuales. Estas son solo algunas de las ventajas de estos sistemas que describiremos aquí.

Qué es CNC

CNC (Control Numérico Computerizado), o Computer Numerical Control en inglés, es un sistema muy extendido en la ingeniería para procesar materiales y piezas con la mínima intervención humana. La técnica CNC deriva del control numérico, un sistema automatizado para máquinas herramienta que se operan mediante comandos mediante volantes o palancas. Sin embargo, estas máquinas evolucionaron y ahora permiten su control mediante un software y una computadora para poder automatizar aún más el proceso y ofrecer mejores prestaciones.

El funcionamiento de estos sistemas CNC es bastante simple de entender. Se basa en el mecanizado de una pieza mediante el uso de coordenadas que especificará el movimiento de la herramienta (corte, taladro, fresado, soldadura…). Similar al funcionamiento de una impresora 3D, que también se podría entender como una máquina CNC, solo que en vez de mecanizar, lo que hace es ir agregando capas de material para construir una pieza.

Y, al igual que las impresoras 3D, se pueden tener varios ejes, como el X, Y y Z, pudiendo realizar desplazamientos longitudinales, verticales y transversales respectivamente. Mediante unos servomotores y/o motores paso a paso, se desplazará la herramienta al punto exacto indicado por el software de la computadora, y realizará el mecanizado de una forma rápida y con altísima precisión.

Antes de la invención del CNC, se requería mano de obra para manejar las herramientas de forma manual, pero las posibles fallas que podían cometer afectaban a la calidad, repetibilidad, costes y disminuía la producción. Por ejemplo, imagina un empleado de un taller de aluminio que quiere perforar marcos para una ventana. Esta tarea requiere de que:

El operario coja la pieza.
La ponga sobre la mesa de trabajo.
Coloque la broca adecuada en el taladro.
Y realice la perforación.

Esto para realizar un solo agujero no es un problema, pero imagina que se necesitan hacer cientos o miles de ellos para mantener una producción considerable y en el menor tiempo posible, además de que todos los orificios sean iguales. En ese caso, la mano de obra no es adecuada, y es donde las máquinas CNC aportaron grandes mejoras a la industria.En este caso, los pasos serían:

Asegurarse de que la máquina está alimentada de material (a veces incluso podrían tener alimentación automática).
Ponerla en marcha con la programación necesaria (puede ser necesario solo una vez e indicar el número de repeticiones).
Y ella se encargará de hacer las perforaciones con precisión y repetirlas tantas veces como haga falta, sin necesidad de que el operario intervenga.

Además, puede trabajar de forma más rápida que un operario y no se cansa, por lo que todo son ventajas para la industria o taller.

Qué son las máquinas CNC y cómo funciona

Una máquina CNC es un tipo de máquina para mecanizado operada mediante control numérico computerizado. De esa forma se consigue la automatización de procesos estableciendo coordenadas precisas para el corte, soldadura, fresado, moldeado, rectificado, colocación de piezas, etc., de materiales de todo tipo, desde blandos como los polímeros, el foami, MDF, o la madera, hasta más duros como el mármol, el metal, rocas, etc.

Así mismo, las máquinas CNC permiten disponer de un sofisticado sistema de retroalimentación que monitorea y ajusta constantemente la velocidad y posición de las herramientas empleadas para el mecanizado, sin necesidad de un mantenimiento manual tan frecuente. Incluso algunas más avanzadas tienen sistemas inteligentes para detectar problemas, controlar la calidad del trabajo o pieza, etc., o estar interconectadas si se trata de una industria 4.0.

Es importante destacar que algunas máquinas CNC funcionan de diferente forma:

Control punto a punto: en este tipo de máquinas CNC se establecerán los puntos iniciales y finales de cada trayectoria.
Control pariaxial: en ellas se permite controlar la velocidad de desplazamiento de las piezas.
Control interpolar: realizan mecanizados de cualquier forma paralela a sus ejes.

Aunque estos no son los tipos de máquinas CNC, eso lo abarcaremos con más detalle en próximas publicaciones.

Historia

Los primeros mecanizados que se comenzaron a hacer fueron totalmente manuales, usando varios tipos de herramientas rudimentarias que fueron avanzado poco a poco. Desde principios del siglo XX, la industria dio un importante salto hacia las máquinas impulsadas por energía motriz para ahorrar esfuerzo manual, aumentando la productividad y eficiencia.

Estas máquinas aún no habían desplazado de forma considerable a la mano de obra, que aún seguía siendo muy importante. Esto implicaba que producir una pieza tomaba mayor tiempo, tenía mayores costes y menores márgenes de ganancias, y la calidad y precisión obtenida no era homogénea en todas las piezas producidas.

En los años 40 y 50, en Estados Unidos se comienzan a desarrollar las máquinas de control numérico. John T. Parsons, un ingeniero de aquella época, modificaría una máquina fresadora de por aquel entonces para que pudiera ser controlada mediante valores introducidos por tarjetas perforadas, las antecesoras de la memoria actual y el software. De esta forma, las máquinas obtenían información sobre los movimientos exactos que debían hacer para el mecanizado de la pieza y no necesitaban de tanta intervención humana para activar palancas, volantes, etc.

Aquella máquina de Parsons se transformaría en uno de los antecesores de las actuales máquinas CNC modernas. Pero seguía siendo una fresadora muy rudimentaria con un sistema electrónico de control analógico que usaba válvulas de vacío. Estos sistemas fueron popularizándose y avanzando con la maduración de la electrónica de estado sólido y digital. De las válvulas de vacío se pasó al transistor, del transistor a los circuitos impresos y luego a los circuitos integrados, hasta que los microcontroladores (MCU) se hicieron suficientemente baratos como para usarlos de forma masiva.

Entonces nacieron las máquinas de CNC con sistemas más inteligentes y programables, para poder variar los valores del mecanizado según se desee. En los años 70 llegarían las máquinas CNC que conocemos actualmente, comandadas por una computadora. Gracias a este otro gran hito se podía controlar todo el proceso de forma más intuitiva desde un software, programar diferentes programas para usarlos cuando se desee, modificar los parámetros rápidamente, etc.

En nuestros días, con el desarrollo de la nube, y el IoT (Internet of Things), o el Internet de las cosas, se permite conectar multitud de dispositivos a la nube y que puedan interactuar de un modo más inteligente entre sí, dando paso a la Industria 4.0, en la que las máquinas CNC podrán mejorar sus capacidades de forma considerable. Por ejemplo, se podrían comunicar entre sí en una cadena de manufactura para que si alguna máquina o etapa sufre un retraso o problema, las máquinas posteriores puedan apagarse mientras esperan para ahorrar energía, o pueden determinar la demanda para ajustar su nivel de producción, etc.

De qué se compone una máquina CNC

Cuando se trata de detallar las partes o componentes de una máquina CNC, se pueden citar los siguientes elementos esenciales:

Dispositivo de entrada

Se conoce como dispositivo de entrada de una máquina CNC al sistema que se usa para poder cargar o modificar los datos para el proceso de mecanizado. Por ejemplo, puede ser un panel de control, una pantalla táctil, etc. Es decir, una interfaz para permitir al operador de la máquina accionar ésta y controlarla.

Unidad de control o controlador

Es el sistema electrónico digital que se encargará de interpretar los datos introducidos y generar una serie de señales de control para controlar el movimiento de los servomotores para mover el cabezal de trabajo a través de los ejes y la herramienta para que hagan exactamente lo que indica el programa introducido por el usuario.

Herramienta

La herramienta es uno de los componentes más esenciales, ya que es la que realmente realiza el mecanizado, la que está en contacto con la pieza que se procesa. Puede ser un cabezal multiherramienta, pudiendo desempeñar varias tareas diferentes, o también herramientas individuales fijas o intercambiables. Por ejemplo: broca, cortadora, fresa, punta de soldadura, etc.

Además, es importante destacar que puede haber máquinas CNC de varios tipos en cuanto a su tipo y número de ejes:

3 ejes: son las más comunes, con un eje X, Y, y Z.
4 ejes: como algunos enrutadores o routers CNC que agregan un eje A a los tres anteriores. Eso permite al husillo moverse de izquierda a derecha para procesar tres superficies al mismo tiempo, pudiendo grabar de forma plana o en 3D. Son ideales para tallar madera, metales, patrones complejos, etc.
Eje giratorio: tiene un husillo giratorio para la herramienta, lo que le permite procesar cuatro superficies simultáneamente. Este tipo de máquinas se emplean para el mecanizado de piezas cilíndricas, estatuas de madera, elementos metálicos complejos, etc.

Sistema de sujeción o soporte

Es el lugar donde se ancla la pieza para realizar el proceso de mecanizado sin que se mueva. Dependiendo del sistema, podría ser de diferentes tipos, con o sin anclajes. Además, algunos necesitan de extras, como los sistemas de recolección de polvo, o como las de corte por chorro de agua, que necesitaría de un tanque o depósito de agua para recoger y disipar la fuerza del chorro una vez traspasa la pieza.

Estos sistemas suelen denominarse también cama o mesa. Muchas de ellas suelen ser de materiales como el aluminio, cuando se necesita que las piezas se sujeten a la mesa, para procesar cilíndros o formas complejas. En cambio, la mesa o cama de vacío aspirará la pieza sin abrazarla, lo que permite mayor grado de precisión, menor agitación durante el uso, y mayor grado de libertad.

Dispositivos realimentación (servomotores)

Solo existen este tipo de dispositivos de realimentación en las máquinas CNC que usan servomotores. En las demás no es necesario.

Monitor

Además de todo lo anterior, también puede haber un sistema de información o monitorización del propio proceso de mecanizado. Éste puede ser a través de la misma interfaz desde la que se opera o independiente.

Otras partes

Además de lo anterior, hay que destacar dos elementos primordiales más:

Motores: son los dispositivos que mueven o accionan la herramienta de mecanizado según los datos recibidos de la unidad de control.
- Servo: tolera altas velocidades, por lo que puede cortar, taladrar, etc. Ideal para un trabajo silencioso, estable, y para patrones intrincados.
- Stepper: estos motores paso a paso tienen un precio inferior, pero se emplean para grabados o movimientos más básicos. Son fáciles de controlar, confiables y muy precisos, por lo que son adecuados en los casos donde se necesita máxima precisión.
Husillo: este elemento de una máquina CNC puede tener dos tipos de sistema de refrigeración o enfriamiento posibles:
- Por aire: están enfriados simplemente mediante un ventilador que enfría el husillo, y son más económicos, fáciles de mantener y de usar.
- Por agua: emplean agua para el enfriamiento. Es más caro, complejo y difícil de mantener, pero generalmente dura más, es más eficiente y silencioso.

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