Como Mecanizar en la «Zona Caliente»

El mecanizado de alta velocidad no puede ser definido de una única manera, las diferencias en los materiales, las aplicaciones y el tamaño de la pieza hacen que el mecanizado de alta velocidad sea particular y la alta velocidad relativa. Aún así, la base también es relativa, por lo que los mismos conceptos de aceleración, (no velocidad per se), y funciones de control más rápidas siguen siendo fundamentales para las aplicaciones a 30 IPM (pulgadas por minuto) como en las aplicaciones de 1.200 IPM.

La «zona caliente» es el rango de velocidades de alimentación que proporcionan una productividad óptima sin sacrificar la precisión. La selección de una máquina con un rango apropiado de velocidades de alimentación para soportar su «zona caliente» específica puede hacer una gran diferencia en su capacidad para competir en el mundo del fresado de alta velocidad.

Si bien los anfitriones de otros factores juegan un papel, dos factores principales contribuyen más al rendimiento dentro de esa zona activa, aceleración e inteligencia del control. La selección del equipo adecuado para su trabajo le dará los mejores resultados para su aplicación. Seleccionar una máquina con la «zona activa» correcta le dará la mejor recuperación de su inversión.

Dentro de segmentos industriales específicos, la mayoría del mecanizado se realiza dentro de un rango determinado de velocidades de avance. El rango óptimo es lo que llamamos «zona caliente», el rango donde no solo somos productivos, sino donde somos altamente productivos. Este es el rango donde se hacen los márgenes de beneficio más grandes. Esta es la «zona caliente».

En un mundo de mecanizado de producción de aluminio, la alta velocidad podría ser de 1.200 IPM, avances con velocidades de husillo de 60.000 RPM y husillos de hasta 30 HP. Al mecanizar electrodos de erosionado EDM, las velocidades de alimentación de alta velocidad son a menudo de 300 a 400 IPM. Para el mecanizado de cavidades de molde, las velocidades de alimentación de alta velocidad pueden ser 180 IPM. ¡Para el corte por láser de súper precisión de implantes médicos delicados, la velocidad puede ser de 15 IPM!

La mayoría respondería que 15 IPM es apenas alta velocidad. Mi experiencia ha demostrado lo contrario. En una máquina nueva capaz de velocidades de desplazamiento rápido de 700 IPM, y velocidades de alimentación de 400 IPM, ¡simplemente cambiando el control a un control de alta velocidad verdadero puede reducir los tiempos de ciclo de 20 minutos por parte a solo 10! ¡Esto se logró cuando los requisitos de potencia y precisión del láser exigían velocidades de avance de solo 3 IPM!

«¿Alta velocidad para  velocidades de alimentación de 3 IPM?», pues ese es el corazón de esta historia, la diferencia entre simple mecanizado rápido y verdadero mecanizado de alta velocidad. Este artículo explica cómo distinguir la alta velocidad de la molienda rápida para mantenerlo en el pináculo de su comercio sin invertir todo su futuro en ello.

Las máquinas más rápidas de hoy incorporan varias tecnologías para optimizar el rendimiento. Aunque el mecanismo de accionamiento puede parecer el limitador / habilitador más aparente para alta velocidad, el control CNC desempeña un papel más importante para todas las aplicaciones, excepto las más simples. El tamaño y el paso del husillo de bolas, la construcción de la vía de guía y la selección de pre carga, el análisis de tensión del diseño de la máquina, el diseño del husillo y las RPM y más, todo pesa en una máquina óptima. Aún así, el ingrediente más básico para permitir que cada una de las funciones se desempeñe al máximo es el controlador en sí. Solo él es el director de la sinfonía de componentes; el entrenador en jefe del equipo, si quieres.

En el fondo, aceleración.

La separación real entre la alta velocidad y el fresado rápido es la aceleración de los ejes y el control lógico, seguro y preciso de esos ejes. Ir a velocidades de avance altas y sufrir gubias y esquinas redondeadas no es alta velocidad. ¡Más bien, eso se está yendo rápido (y descuidado)!

¡El control es el habilitador principal de la aceleración precisa, no las unidades! ¿Sorprendido? Bueno, la idea es que, dado que el control organiza todo el movimiento en el sistema de la máquina, el control debe ser lo suficientemente inteligente como para aprovechar al máximo cualquier sistema de accionamiento. Por lo tanto, el control es lo que permite que el sistema saque el máximo provecho de las unidades, al tiempo que mantiene las cosas bajo control para entregar una pieza precisa.

Hay mucho en este concepto de aceleración, y más adelante entraremos en detalles. Por el momento, echemos un vistazo.

Las leyes de la física establecen que ninguna masa puede acelerar a una velocidad al instante. La aceleración es el proceso de cambiar de una velocidad dada a una velocidad diferente. La velocidad inicial puede ser cero, detenida. La velocidad final puede ser lenta, digamos solo 1 IPM (pulgada por minuto). Incluso una tasa de cambio tan pequeña lleva tiempo. La tasa de cambio es la cantidad de cambio de velocidad durante un período de tiempo. En el nivel más técnico, hablamos de aceleración en términos de pulgadas por segundo al cuadrado, ó pulgadas por segundo por segundo. Sí, se necesita el segundo «por segundo», ya que estamos hablando de una tasa de cambio, no solo una tasa de velocidad fija ó constante.

Por ejemplo, si su máquina se mueve a 1 IPM y tardará un segundo en llegar a 201 IPM, simplemente podría decir que la tasa de cambio es de 200 pulgadas por minuto por segundo. En otras palabras, la velocidad de alimentación cambia 200 pulgadas por minuto en 1 segundo. Esto también se puede llamar 3,3 pulgadas por segundo por segundo ó 3,3 pulgadas por segundo al cuadrado.

En la práctica, la aceleración actual puede ser mucho más rápida. Dentro del rango para el mecanizado CNC, a menudo medimos en términos de fuerza gravitacional, ó «fuerza G», la velocidad a la que las cosas aceleran hacia la tierra debido a la fuerza natural de la gravedad. Una fuerza G generalmente se acepta como 9.80 metros/segundo2 ó 385 pulgadas/segundo2.

La mayoría de las máquinas CNC que utilizan sistemas de accionamiento de husillo de bolas se esfuerzan por alcanzar aproximadamente 1⁄2 G de fuerza en la aceleración, ó casi 200 pulgadas/segundo2. Lamentablemente, esto no significa que las máquinas actuales puedan acelerar a 200 pulgadas/segundo en un segundo. La vida es mucho más complicada.

En la práctica de la vida real, la aceleración varía debido a la resistencia y la inercia. Desde un principio, hay un efecto de adherencia de las superficies estáticas en su lugar. También existe la inercia cero de que una masa estacionaria no quiere cambiar la velocidad. Una vez que una masa se mueve, la inercia hace que intente continuar moviéndose a esa velocidad, sin poder detenerse instantáneamente.

Históricamente, la aceleración ha sido bastante simple para el CNC. Queríamos una velocidad de avance más rápida y la aceleración ordenada (en línea recta) cambiara de la velocidad de avance actual a la deseada a una tasa de cambio constante.

A medida que verificamos el rendimiento real de la máquina, encontramos que debido a la resistencia y la inercia discutidas anteriormente, la máquina no puede hacer todo lo que se le dice. Más bien, sufrimos el siguiente error. Este es el error (inevitable) entre lo que se le ordena a la máquina y el movimiento real.

El siguiente gráfico muestra la diferencia entre la aceleración ordenada y la aceleración real con comandos simples como se usaba históricamente en CNC.

GRAFICO

La línea roja muestra la aceleración y velocidad reales, rezagadas detrás de la aceleración ordenada. Aún más, una vez que se alcanza la velocidad ordenada, la máquina puede realmente «sobrepasar» la velocidad ordenada, causando una mayor inexactitud. La tasa de aceleración que se utiliza para los comandos se basa en la evaluación de la aceleración de la máquina en todo su rango de velocidad, sin tener en cuenta las variaciones en el rendimiento en todo el rango. Se debe utilizar una tasa de aceleración que se pueda lograr en todos los rangos, lo que causa un gran compromiso en el rendimiento.

Una solución parcial.

Para mecanizar a altas velocidades con precisión, algunos fabricantes ahora tienen en cuenta estos problemas de muchas maneras, con fórmulas de aceleración «S Curve» ó «Bell Curve» , anticipando genéricamente las limitaciones físicas y ordenando en consecuencia. Esto ayuda a suavizar el movimiento de la máquina, eliminando algunos de los «tirones» que de otro modo podrían ocurrir debido al siguiente error. Aún así, incluso con rampas de aceleración curvas, sigue existiendo la falla de que la aceleración es diferente en diferentes partes de la rampa de velocidad.

El más avanzado de los sistemas de hoy en día utiliza el ajuste de disco computarizado en línea para probar la respuesta del sistema y ajustarla. De esta manera, podemos ver el rendimiento del disco en detalle y optimizarlo.

Todos los aspectos del rendimiento de todo el sistema de la máquina pasan a formar parte del programa CNC y se anticipan. Por lo tanto, se ordena el movimiento con respecto al rendimiento disponible, aprovechando al máximo todo el sistema de la máquina y optimizando la precisión de la máquina. Esto permite una respuesta diferente del sistema de la máquina en diferentes áreas de su curva de aceleración.

Los gráficos anteriores se refieren a después de «servo lag». Nuevamente, esta es la cantidad que un eje está siguiendo ó va a la zaga donde se le ordena que esté en cualquier momento. El siguiente error de 0.200 ”no es infrecuente entre las máquinas CNC entregadas en la última década más ó menos con aceleración en línea recta como se muestra arriba. Hoy en día, ese siguiente error se reduce significativamente. A través del ajuste computarizado de la unidad, algunos sistemas disfrutan de prácticamente ningún error de seguimiento, alcanzando un máximo de menos de 0.001″ incluso a velocidades de avance superiores a 500 IPM.

Un beneficio adicional para el ajuste del variador computarizado y la curva de aceleración modificada es una mayor vida útil de la máquina. Cuando se ordena dentro de sus limitaciones, se elimina el movimiento de sacudidas, suavizando el movimiento de la máquina. Los componentes sufren menos tensión, se desgastan más lentamente y mantienen más tiempo activo para usted.

Todo esto debe ser transparente para los operadores y programadores de la máquina. Algunos sistemas requieren hoy el ajuste del operador cuando se ejecutan. Esta opción crea más para el operador y brinda una gran oportunidad para errores. La optimización de la máquina debe ser una función transparente.

Velocidades de alimentación superiores.

Entonces, una máquina «más rápida» será mejor, ¿verdad?

Bueno, define más rápido, por favor!

Seguramente, nuestro objetivo es hacer el trabajo más rápido, pero el objetivo de este texto hasta ahora es aclarar que una velocidad de desplazamiento rápido más alto no hace que una máquina sea más rápida. No es probable que una máquina configurada para velocidades de desplazamiento rápido de 2.400 IPM realice su trabajo en la menor cantidad de tiempo si su trabajo es contornear en 3D, como se encuentra en moldes, electrodos, matrices y prototipos. Eche un vistazo al siguiente gráfico de aceleraciones para ver por qué.

GRAFICO

Es posible que esté confundido en este punto, ¿todavía no sabe por qué una máquina con mayor velocidad de avance y avance rápido no sería mejor ó más rápido hasta la línea de meta?

Puedes pensar en autos de carrera. Si intentara usar un automóvil Indy en la pista de tierra de 1/4 de milla de su feria local del condado, simplemente no podría competir. Sería demasiado rápido para las condiciones, sin suficiente control de velocidad, aceleración y desaceleración. Mirando más de cerca, una pista de tierra de 1/4 de milla requiere muchas más curvas y más aceleración para rectas cortas y curvas más cerradas. En esencia, un automóvil de Indy sería la herramienta incorrecta para el trabajo.

Para transmitir mejor este mensaje, a menudo pinto el escenario de conducir un automóvil con una transmisión manual usando solo la marcha más alta, 4 ó 5. Su automóvil podría ser muy rápido una vez que esté acelerado, pero seguramente sería lento hasta esa alta velocidad!

¿Qué tiene que ver todo esto con el fresado de alta velocidad? Bueno, su husillo CNC no tiene engranajes variables en su sistema de accionamiento. Está atascado con una sola relación de transmisión. Las velocidades variables surgen del control del motor y su amplificador de servo control. Como tal, está atascado en cualquier relación de transmisión que el fabricante establezca. Si se configura para una velocidad máxima de 2.400 IPM, entonces su aceleración es mucho más lenta que si la velocidad máxima del mismo motor se configura para 600 IPM.

Al observar ese gráfico, verá que acelerar a 600 IPM toma 4 veces más (como mínimo) para una máquina configurada para rápidos de 2.400 IPM que una máquina configurada para 600 IPM. Esto significa que en el rango de avance normalmente utilizado para el fresado de contornos 3D, la aceleración es dramáticamente más lenta. ¡Empeora si considera que la desaceleración también es 4 veces más lenta!

Utilice el ejemplo de fresado de un contorno 3D, donde el cortador se engancha casi continuamente en el material y el cortador está limitado a 600 IPM ó menos. ¡El resultado final se terminará en mucho menos tiempo en una máquina correctamente diseñada para alcanzar un máximo de 600 IPM que en una máquina con el mismo sistema de accionamiento diseñado para alcanzar un máximo de 2.400 IPM! Esto es simplemente porque su rendimiento de aceleración para todos los contornos y detalles le permite navegar esos contornos más rápido. ¡Más lento puede ser más rápido!

¿Más potencia?

Una consideración adicional para la velocidad y la aceleración es la velocidad de torque total nominal de cada motor contra su velocidad máxima, así como su tamaño. Los servomotores están clasificados para par completo solo a una velocidad determinada. Aunque el motor es generalmente capaz de duplicar esa velocidad, la potencia se deteriora cuanto más va más allá de la velocidad máxima de torque total. Por lo tanto, una vez que el motor supera su velocidad máxima, su rendimiento se ve comprometido. El ajuste completo del sistema de una máquina se ve comprometido por el rendimiento general de cada motor, no por su mejor rendimiento en el rango inferior.

Los motores y las unidades más grandes no son la respuesta. Los motores más grandes son capaces de obtener más potencia bruta, pero pierden su agilidad. La mayor inercia de un motor más grande hace que sea más difícil moverse. Una vez que se está moviendo, es más difícil parar. Luego está la cuestión del precio y el costo continuo del desperdicio de energía, etc. En general, más grande no es mejor; las unidades más grandes no proporcionarán los resultados que queremos.

Cuando se diseña una máquina para un verdadero rendimiento a alta velocidad, la primera preocupación debe ser su «zona caliente» intencionada para un contorneado efectivo. Luego, los sistemas de accionamiento deben diseñarse cuidadosamente para esa necesidad.

Obteniendo la velocidad bajo control.

«La velocidad es la habilidad, el control es el arte», dice Chester Borucki, un patrón de la vieja escuela. Aunque originalmente se habló en relación con los intercambios manuales utilizados para los patrones, esto también se aplica hoy en CNC. Toda la velocidad y aceleración posibles no tienen valor a menos que se canalicen y controlen adecuadamente. Este es el trabajo del controlador CNC.

En una búsqueda de un CNC más rápido, los fabricantes comenzaron a usar sistemas de accionamiento más rápidos sin mejorar la tecnología de control. El resultado es que la mayoría de las máquinas de hoy en día pueden atravesar rápidamente, pero desbastar y sobrepasar. Tanto el rendimiento como la precisión están comprometidos.

Sin embargo, como opción, varios fabricantes de máquinas y CNC ofrecen una lógica especial para la alta velocidad, conocida como anticipación ó inteligencia geométrica. ¡La clave aquí es que lo ofrecen como una opción! Cuando se trata de un mecanizado preciso de contornos complejos, mirar hacia adelante no es una opción, es una necesidad. Dave Long, de Pro Mold and Die en Roselle, Illinois, dice «Necesitas alta velocidad y necesitas mirar hacia adelante, no puedes tener uno sin el otro». Mirar hacia adelante es la lógica que evalúa el contorno antes de mecanizarlo, manteniendo los comandos dentro de las limitaciones de la máquina para obtener el máximo rendimiento con precisión.

Solo para revisar, las unidades establecen el potencial y los límites de lo que se puede hacer. El control tiene que ordenar esas unidades correctamente para obtener el mejor rendimiento. Es por eso que nuestros comandos no pueden ser simples líneas rectas, como se muestra en las figuras anteriores, sino que deben ser los comandos curvos más complejos, anticipando de lo que el sistema de la máquina es realmente capaz de minimizar el siguiente error, y aún así llevar la aceleración al límite .

CNC de alta velocidad.

Antes de que el CNC ordene cualquier movimiento a los variadores, el CNC debe recibir y procesar los datos. Este es un elemento clave en el proceso, ya que, como hemos visto, el CNC es lo que determina cómo utilizar mejor la velocidad y la aceleración que ofrece el sistema de accionamiento.

La velocidad se puede medir de varias maneras en CNC. ¡Sin embargo, una forma de no poder medir la velocidad de un CNC es mediante la velocidad de desplazamiento rápido!

Hay tres especificaciones de tiempo cruciales utilizadas en un CNC, el tiempo de transferencia de bloque, el tiempo de interpolación y el tiempo de ciclo del servo. Cada uno es claramente diferente, y cada uno tiene el potencial de limitar su CNC para que no satisfaga sus necesidades. Los tres deben trabajar en armonía para permitir el mejor rendimiento posible de su máquina.

El tiempo de transferencia de bloque (BTT) es el tiempo que le toma al CNC absorber un solo bloque de información del programa. Si el BTT es de 3 milisegundos (ms), ó miles de segundos, entonces el CNC es capaz de absorber 333 bloques por segundo (bps). La capacidad de absorber la información del programa rápidamente es muy importante para que el CNC funcione sin problemas.

El BTT es el temporizador más comúnmente discutido en los controles. En un nivel más genérico, muchos discuten el número de bloques por segundo que puede ejecutar su CNC. Un problema importante con las discusiones sobre BTT es que muchos controles son capaces de leer, pero no ejecutar a esas velocidades. Terminan combinando ó ignorando algunos comandos distintos cuando los datos saturan el sistema.

El número de bloques por segundo que un sistema puede leer también puede ser engañoso en el mundo de DNC, comúnmente utilizado para alimentar información a los controles con un almacenamiento inadecuado del programa. Si bien el DNC sigue siendo prolífico hoy en día, se está reemplazando gradualmente por DCN, Direct CNC Networking.

El tiempo de interpolación (IT) es el tiempo con el que trabaja el CNC para crear segmentos de interpolación. Aunque puede ver una sola línea recta ó movimiento circular mientras observa su máquina, el control del CNC divide esos movimientos en pequeños segmentos basados en este temporizador, para coordinar los movimientos de la máquina con la mayor precisión posible. Aunque los arcos y círculos a menudo se ingresan como comandos de una sola línea, el control CNC los divide en pequeños movimientos lineales para crear la ilusión de un círculo utilizando ejes que son perpendiculares y que en realidad no pueden rotar. El IT es el factor limitante de cuán pequeños pueden ser los incrementos en cualquier velocidad de alimentación dada para cualquier interpolación dada.

¡El temporizador de interpolación es especialmente importante para la precisión! ¡El doble de velocidad para el temporizador de interpolación no solo proporciona el doble de precisión, sino 4 veces la precisión de las curvas! Mira el siguiente diagrama. Álgebra simple demuestra el concepto.

GRAFICO

El tiempo del ciclo del servo (SCT) es el tiempo que tarda el controlador en controlar los ejes y verificar las posiciones de los ejes. ¡Este es el temporizador de movimiento de nivel más bajo en las entrañas de un control CNC, el resultado final en rendimiento!

La tabla a continuación muestra una lista de muestra de las velocidades del temporizador CNC. Enumera la distancia que se mueven los ejes en un intervalo de tiempo dado a tres velocidades de avance de muestra, 100, 400 y 1200 IPM (pulgadas por minuto).

GRAFICO

Como puede ver en la tabla, si una máquina CNC está controlada por un CNC con 3 ms. SCT viaja a 400 IPM, se moverá 0.0200” entre mediciones de los ejes. Esto no infiere que los resultados tendrán una tolerancia de 0.0200”. Este gráfico hace obvio que, dado que las posiciones de los ejes se verifican en incrementos bastante gruesos, el mecanizado no tendrá la tolerancia que podría esperarse con un control más rápido que verifica con mayor frecuencia y en incrementos más cercanos. En contraste, con un control operando a 0.4 ms tiempo de ciclo servo, la distancia entre mediciones es de solo 0.0026″, una mejora de 7.7 veces!

Dentro de la industria de CNC, hay un esfuerzo por definir trayectorias de corte 3D por NURBS u otras curvas en lugar de por el método histórico simple de punto a punto. Los objetivos comúnmente establecidos son menores requisitos de rendimiento de datos y tiempos de ciclo parcial más rápidos. En ambos casos, los resultados aún se basan completamente en el tiempo de interpolación (IT) y el tiempo del ciclo del servo (SCT) del control CNC. En el nivel más bajo, el CNC aún debe dividir cualquier curva en una serie de líneas rectas. NURBS u otras curvas limitan el CNC a curvas conocidas y definidas, compatibles tanto con el CAM como con el fabricante del CNC. Con un control suficientemente rápido, NURBS ó curvas se convierten en problemas, con la mayor flexibilidad para el paquete CNC y CAM resultante de la interpolación punto a punto con tiempos de ciclo parcial más rápidos.

Control complejo.

Una de las funciones más grandes, pero más intangibles y misteriosas de un control más rápido es su interfaz de accionamiento y algoritmos de aceleración. Cuanta más velocidad de procesador tenga el control, mayor será la disponibilidad para estas funciones intensivas en matemáticas. Anteriormente, discutimos la aceleración como conceptos básicos con comandos de línea recta ó curva «S». La realidad es que aún es más complejo, quizás un tema para otro artículo en el futuro.

A diferentes velocidades de avance, el potencial de aceleración varía. Una vez más, sus unidades deben ajustarse a sus necesidades, su «zona caliente», para maximizar el rendimiento del sistema de la máquina y, por lo tanto, su productividad. Idealmente, esto se realiza a través de procedimientos de ajuste informáticos y gráficos que no solo analizan el sistema de accionamiento, sino todo el sistema de la máquina. Con esta capacidad, el control puede anticipar el rendimiento específico de cada eje para maximizar la productividad.

Para finalizar, capitalizar la aceleración de una máquina depende completamente del control para coordinar todos los ejes para el mejor rendimiento sin comprometer la precisión. ¡En CNC de alta velocidad, el control seguramente es el arte!

Este artículo fue creado por Todd J. Schuett en 2.001. El presente se extrae de su libro Fresado en la «Zona Caliente» Todd es Presidente de Creative Controls Group, Defiance Innovations.