Controls numèrics per mecanitzat d'alta velocitat

En aplicacions de contornejat, la forma més habitual d'especificar les trajectòries que ha de seguir l'eina es basa en la generació d'una successió de punts entre els quals es realitzen interpolacions lineals. Com més precisió s'exigeix, major és el nombre de punts, i el fet d'haver de processar tota aquesta quantitat d'informació amb precisió ia gran velocitat imposa l'adopció de solucions específiques en els controls numèrics per a alta velocitat.

L'CNC ha de ser capaç de realitzar les operacions mantenint els diferents errors que es produeixen dins de les toleràncies establertes. Per al treball en alta velocitat, les exigències són, com cal esperar, més severes a causa sobretot als alts valors d'avanç que es requereixen. En els següents punts s'analitzen les prestacions que pot disposar un CNC per treballar en alta velocitat.

Existeixen en el mercat nombrosos fabricants de CNCS especialment dissenyats per al mecanitzat d'alta velocitat, entre ells podem citar els següents: Fidias, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, La Generalitat, etc.

El temps de cicle del servoaccionaments és el temps que transcorre entre cada mesura de posició i actualització de la consigna que el CNC s'envia als diferents servoacionamientos.

El valor d'aquest temps marca la precisió en distància que es pot obtenir per un eix movent-se amb un avanç determinat, o viceversa, per a una precisió o distància mínima entre mesures determinada marca la velocitat d'avanç màxima. Per exemple, per a una velocitat d'avanç de 6 m / min i un temps de cicle del servo d'1 ms, s'ha de per cada vegada que el CNC mesura la posició de l'eix aquest s'ha mogut 0,2 mm. Aquest problema de resolució obliga que els CNCS disposin de temps de cicle del servo ràpids si es vol treballar amb precisió amb valors d'avanç ràpids.

El temps de cicle del servo és un dels aspectes clau a tenir en compte per mecanitzar ràpid amb precisió. Els CNCS per a alta velocitat disposen en l'actualitat de temps de cicle del servo de l'ordre d'uns 100 (s.

02/02 Temps de procés de bloc

El temps de procés de bloc és el mínim temps que transcorre entre l'execució de dos blocs del programa de CNC. El temps procés de bloc inclou el temps que necessita el CNC per interpretar una dada del programa, incloent totes les funcions preparatòries (compensacions, transformacions...), ia més iniciar i acabar el moviment en qüestió. En alta velocitat, i especialment per a aplicacions de contornejat, és habitual exigir temps de procés de bloc de 1 ms.

La velocitat de procés de bloc necessària per obtenir una precisió determinada depèn de la capacitat d'acceleració de la màquina. Reduir el temps de procés de bloc a valors per sota de la capacitat d'acceleració de la màquina no redueix el temps d'execució del mecanitzat.

Interface digital amb els accionaments. Accionaments digitals

L'ús d'un interfície digital entre el CNC i els accionaments, permet a aquest disposar de més informació sobre l'estat dels accionaments així com influir en el comportament dels llaços. Els accionaments digitals permeten al CNC disposar de funcions com ara:

- Alta resolució digital en la monitorització de la velocitat i la trajectòria.

- Algorismes de control d'alt nivell, podent destacar:

- Feed-forward en els llaços de posició i velocitat, també coneguts com feed-forward de velocitat i acceleració. Es tracta de controls en avanç que permeten una important reducció dels errors de seguiment davant canvis de consigna.

- Amortiment activa, aconsegueix incrementar el valor de l'amortiment del sistema electromecànic per poder incrementar el valor del guany Kv del llaç de posició i treballar amb un major grau de precisió.

- Compensacions de friccions estàtiques i folgances

- Ampli rang d'opcions d'anàlisi, com ara oscil loscopi o analitzador de freqüències integrats.

- Possibilitat de realitzar funcions de tractament de senyal (DSP), com ara la implementació de filtres digitals.

Potser una de les prestacions més importants de la qual és necessari que qualsevol CNC disposi per treballar en alta velocitat sigui la funció "look-ahead" (mirar a avançament). En la funció Look-Ahead el processador del CNC avalua per avançat els canvis en els moviments dels eixos que apareixen al programa de peça que s'està executant per respondre abans que sigui massa tard, permetent a la màquina realitzar l'ajust a temps. Això permet a la màquina mantenir l'avanç a valors relativament alts evitant marques en la mecanització, arrodoniment d'arestes o bruscos arrencades i parades de la màquina, per mitjà d'anar ajustant la velocitat mirant el programa per avançat.

No hi ha cap regla que digui quants blocs és suficient mirar per avançat. Aquesta quantitat és dinàmica, canvia en funció dels detalls de la peça, les exigències quant a precisió, o les característiques de la màquina. Com a regla general, com més lenta sigui una màquina (menor acceleració), major nombre de blocs Look-Ahead és. El treballar amb major nombre de blocs en Look-Ahead que el necessari no influeix en principi en la mecanització, però es perd potència de càlcul en el CNC ja que aquesta realitzant operacions innecessàries. El nombre típic en alta velocitat està per sobre de 100 blocs, encara que hi ha casos en què es pot arribar fins a 1000 blocs.

2.4 Control d'acceleracions

El tenir alts valors de jerk o sacsejada suposa fortes càrregues per a la mecànica de la màquina eina i provoca vibracions en els eixos. Els controls proporcionen la possibilitat de limitar el valor de l'jerk, el que fa que el perfil de l'acceleració no sigui una constant, sinó que tingui forma trapezoïdal, millorant notablement el comportament de la màquina.

Es aconsegueixen encara millors resultats suavitzant la corba de l'acceleració, substituint la corba trapezoïdal per una corba en forma de campana, per exemple una funció sin2.

Amb la implementació d'aquest tipus de funcions s'obté un doble benefici: d'una banda es redueixen els esforços als quals es veu sotmesa la mecànica de la màquina, i de l'altra, gràcies a la reducció de vibracions, s'aconsegueixen moviments més suaus que permeten elevar el valor de la velocitat i reduir l'error.

05/02 Capacitat d'emmagatzematge. Ethernet.

Molts dels actuals programes generats pels paquets CAM per a la mecanització de peces en 3D, ocupen diversos megues de memòria a causa de la necessitat de mantenir l'error cordal a un valor baix.

Els actuals CNCS estan, cada vegada més, basats en arquitectures PC, les quals proporcionen discos durs amb capacitats d'emmagatzematge de gigues, de manera que el problema de l'espai que hi havia antigament ja no és tal. A més, la connexió a xarxa dels CNCS proporciona tots els avantatges afegides que suposa una connexió d'aquest tipus quant a la transmissió i utilització de qualsevol tipus d'informació.

02/06 Interpolació polinòmica. NURBS.

Els NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) són ens matemàtics que defineixen exactament una corba o superfice a partir de diversos punts de control, no necessàriament pertanyents a la trajectòria, i uns pesos associats a aquests. Els pesos actuen essencialment com la gravetat, produint deformacions en la direcció dels punts de control. Com més gran sigui la complexitat de la corba, major serà el nombre de punts de control que s'haurà d'especificar, però, en tot cas, el nombre de punts generats serà menor que el necessari utilitzant l'aproximació tradicional per trams rectes. La reducció en el nombre de punts manejat en les corbes habituals està en una proporció d'entre un 30 i un 50%.

L'ocupació dels NURBS per definir una trajectòria de mecanitzat necessita evidentment de la disponibilitat d'un CNC amb interpolador polinòmic, capaç de processar la informació codificada en aquesta forma.

Molts dels paquets de CAD existents treballen internament amb NURBS per a la definició de corbes i superfícies. La disponibilitat d'un CNC amb capacitat de processar NURBS suposa l'eliminació d'un pas intermedi generador d'error a l'hora d'aproximar una trajectòria corba a una de multitud de trams rectes, amb el consegüent increment de la qualitat superficial, disminució de la talla del fitxer de la trajectòria, i fins i tot increment de la velocitat d'avanç.

La reducció del volum de dades que s'obté amb l'especificació de les trajectòries mitjançant NURBS té importància en el cas d'utilitzar CNCS amb baixa capacitat d'emmagatzematge, habituals fins fa poc. No obstant això, els CNC actuals, amb gigues de memòria, i amb la possibilitat d'aplicar la funció look-ahead, dilueixen alguns dels avantatges de l'ús dels NURBS.

En definitiva, tot i que els NURBS són una nova tècnica que comença a desenvolupar-se i que ha aportat i pot seguir aportant una sèrie d'avantatges, algunes d'elles ja no són tals gràcies a les prestacions dels CNCS d'última generació. Les limitacions de la màquina pel que fa a velocitats d'avanç i / o acceleracions no estan causades per la capacitat de procés de dades del CNC, sinó per la resposta del sistema electromecànic.

La utilització de l'arquitectura PC i el programari estàndard en aquests sistemes obre enormement les possibilitats dels CNCS actuals. D'aquesta manera, tot el maquinari i programari que ha estat desenvolupat per l'entorn PC pot ara ser utilitzat directament en els CNCS. Per tant, la integració amb perifèrics, adquisició de dades, etc. se solucionen fàcilment amb sistemes comercials de tercers fabricants, diferents dels fabricants de CNCS.