El control numèric, els sistemes d'accionament i els de mesura en màquines per al mecanitzat d'alta velocitat
1. Transmissió de dades del CAM al control numèric
Al capítol dedicat a la generació de dades al sistema CAM s'ha vist que els requeriments de precisió de la trajectòria per obtenir bones superfícies d'acabat ens obliga a produir una quantitat de dades CAM molt superiors als habituals.
El problema de la grandària dels arxius CNC (control numèric) que es generen en el CAM existeix des que el CAD/CAM va començar a implantar-se en el camp de les formes de mecanització 3D ara fa uns anys. Avui dia, amb la mecanització d'alta velocitat, aquesta grandària encara s'ha multiplicat.
1.1 Sistemes DNC
Els sistemes CNC clàssics, dels quals es venen encara en una miqueta per cent molt elevat al món, no disposen de comunicacions eficients per transmetre la gran quantitat de daus generats al CAM ni tampoc memòria suficient per emmagatzemar-los.
Un dels sistemes més venut i econòmic del món, el Fanuc 0M, disposa com a màxim 256 kB de memòria i la transmissió de dades des d'un computador extern al CNC es fa mitjançant comunicació seriï pel port RS-232 a velocitats màximes de 19200 bauds (bits/segons). No només Fanuc comercialitza aquest tipus de control, altres fabricants tenen models competència que desenvolupen característiques similars.
Suposem un programa de 12 MB de memòria que hem d'executar a una màquina amb el sistema Fanuc-0M. Com la memòria del CNC no és suficient fem servir el disc dur d'un computador extern com a emmagatzematge de les dades. Les dades es transmeten llavors amb la RS-232 a 19200 bauds. Fent un simple càlcul veiem que per transmetre el programa necessitem:
Equació 1
Que és un temps clarament excessiu només per transmetre les dades a la màquina. És per això que el CNC executa les dades a mesura que els va rebent i una vegada executats els elimina deixant espai en la memòria per a noves dades. El CNC funciona llavors com un simple executor de blocs. Això és el que es denomina comunicació DNC.
Aquest sistemes té molts inconvenients:
- Les dades transmeses per la RS-232 poden rebre interferències amb la conseqüent possible destrucció de la peça en el cas de pèrdua d'informació. La possibilitat d'interferències augmenta amb la distància de la línia de RS-232. Per no fer-la molt llarga sovint s'instal·len computadors al costat de les màquines, però l'embrutat afecta la seva fiabilitat.
- Sovint els requeriments d'avanços en la mecanització d'alta velocitat poden superar clarament el cabal de dades de la RS-232.
Seguint amb l'exemple anterior si el programa necessita uns avancis F=3000 mm/min i una distància entre punts d=0,1 mm, i suposant que un bloc o punt ocupa una memòria de Mbloc = 120b, la màquina hauria de rebre les dades a una freqüència f de:
Per tant es comprova clarament que per a una equació amb exigències elevades les freqüències de transmissió de dades són clarament insuficients.
Aquesta clar llavors que aquests sistemes de transmissió de dades són inútils per a les exigències de la major part de les mecanitzacions d'avui dia, les convencionals i les d'alta velocitat.
A títol personal ens sorprenen que encara avui dia aquests sistemes estiguin tan estesos entre els productors de motlles i matrius, i que encara moltes empreses de comunicacions ofereixin sistemes de gestió de la producció basats en aquests sistemes arcaics i lents de transmissió de dades.
1.2 Comunicacions Ethernet i grans emmagatzematges de memòria
En contraposició als sistemes DNC clàssics, els centres de mecanització d'alta velocitat han d'instal·lar comunicacions informàtiques ràpides i emmagatzematges dels programes directament al Cnc de la màquina.
En aquest sentit gairebé tots els controls anomenats d'alta velocitat integren un port de comunicació Ethernet amb connexions físiques RJ-45 (i fins a òptiques) que permeten la comunicació entre el servidor del programa i el CNC d'almenys 10 MB/s. Les línies modernes suporten fins a 100MB/s però moltes de les unitats dels CNC de les màquines suporten 10 MB/s. Això s'ha de tenir en compte i instal·lar sistemes de comunicacions “dual-speed” per 10 i 100MB/s.
Els controls incorporen a,as a més discos durs de centenars de MB o GB que poden sense problemes emmagatzemar tot el programa sencer. Aquestes unitats d'emmagatzematge tenen accés directe al CNC mitjançant un bus de dades de 32 o 64 bits a freqüències d'uns quants centenars de MHz.
Amb aquestes propietats la transmissió dels programes no suposen cap problema pels CNC independentment del seu volum. L'objectiu serà llavors processar i executar aquestes dades el més ràpidament possible, com veurem en l'apartat 2.
A continuació es mostra un esquema de la solució plantejada:
Fig. 1.- Esquema de comunicacions Ethernet i emmagatzematges en disc dur.
1.3 Format cartesià i NURBSEn general el format de les dades de sortida del CAM al CNC és d'eixos cartesians i bàsicament consisteixen en interpolacions lineals (G1/G0) o interpolacions circulars (G2/G3). Aquestes dades són els més utilitzats en programes produïts pels sistemes de CAM i són generalment utilitzats per tots els sistemes de CNC.
Aquests tipus d'interpolacions s'han ajustat lineal o circularment a la geometria de les trajectòries programades del sistema CAM. Si es vol obtenir resultats amb acabats superficials de Ra <0,8 mm, i precisions de < 0,01 mm, es necessita un ajust lineal de la trajectòria amb un error cordal d'almenys 1 grau inferior . Això és, amb un error màxim entre la corba teòrica i la línia o corba circular real de menys de 0,001 mm. Per tant una gran quantitat de dades que seran dificiles de processar pel control numèric.
Fa ja alguns anys que s'adopto una altra solució per ajustar les trajectòries anomenades NURBS.
El NURBS és un ajust de trajectòries que utilitza B-splines no uniformes en lloc de línies o corbes circulars. Les sigles NURBS vénen de l'engonals “ Senar- Uniformal Rational B-Splines”. Aquestes representen una equació polinòmica de grau superior i la seva representació gràfica és una corba complexa. El format d'aquestes dades es mostra en la figura 1.
Fig. 2.- Format de les dades NURBS
On:
G06.2 : Activació interpolació NURBS. Est acabo és propi de cada CNC i s'ha d'ajustar al post-processador del CAM.
X,I,Z : Punts de control
R : Pes
K : Node
La interpolació NURBS té alguns avantatges respecte al sistema coordenado.
- La definició d'una trajectòria és generalment més curta amb interpolacions NURBS que amb interpolacions lineals o circulars. El programa de CNC, per tant també.
- La precisió de la peça que volem fabricar és millor que utilitzant sistemes cartesians que ocupin la mateixa memòria.
Això és a causa que els sistemes de CAD utilitzen B-splines per definir les corbes complexes en el seu disseny i per tant les dades que surten del CAM no són aproximacions de la geometria sinó la geometria exacta. En la figura 2 es mostra est tiro:
Fig. 3.- Esquema de la interpolació NURBS entre el CAD, CAM i CNC
Per aconseguir la mateixa precisió en les dades en format cartesià hauríem de definir en teoria infinits punts.
- El seguiment dels eixos de la màquina és normalment més suau que amb interpolacions lineals, generalment per tant, millor acabat superficial.
Tots aquesta avantatges són veritat depenent de la geometria de les trajectòries a executar. En general:
- Si les trajectòries són molt lineals aquesta clar que la interpolació NURBS no millora les característiques de la lineal.
- Si les trajectòries són molt enrevesadas (molts canvis d'adreça en molt poc espai) La interpolació NURBS pot arribar a generar arxius fins i tot més grans que els arxius d'interpolació lineal i circular.
- La interpolació NURBS és més favorable com més suau i contínua és la geometria complexa de 3D.
2. Processament de dades en el CNC
Una vegada les dades estan ja emmagatzemats en el control numèric i es vol executar el programa, el control comença a processar les dades.
El procesament de dades en el CNC inclou la traducció dels blocs del programa al llenguatge màquina i l'execució d'aquestes dades pel servosistema CNC amplificador-motor.
La rapidesa amb el qual un sistema pugui processar les dades és una bona mesura per valorar l'adequació del mateix per a la mecanització a alta velocitat.
2.1 Temps de processat
El temps de processament és llavors el temps en què un sistema CNC-servomotor pot executar un ordre en format de programació de CNC.
Per valorar si un sistema CNC-servomotor és suficientment ràpid per executar un cert treball es pot calcular el temps de processament que es necessita per a les condicions d'avanç del programa mitjançant:
Equació 3
On: d és la distància mitjana entre un punt i punt del programa (mm)
F és l'avanç de programació (mm/min)
Tprocessament es mesura en ms
Llavors, seguint l'exemple de l'apartat 1.1:
Equació 4
Que és un valor molt exigent per a la majoria dels sistemes CNC-servomotor del mercat. El valor que típicament s'anuncia en aquests és però la quantitat de blocs per segon (BPS) que es pot executar, o sigui la freqüència derivada del Tprocessament. Llavors:
Equació 5
Quan s'intenta comparar diferents sistemes del mercat s'ha d'assegurar que el fabricant del CNC ens aquesta dient el temps de processament total del bloc i no només el temps per traduir els blocs a llenguatge màquina abans de transmetre'ls al servomotor. Per desgràcia això es fa sovint pels fabricants de CNC que no tenen integrada la fabricació de servomotores, i anuncies valors de l'ordre de 1000 a 2500 blocs/s quan els sistemes més avançats CNC-servomotor com el Fanuc 16iM té cicles d'1,5 ms (o sigui 666 blocs/s).
2.2 Control de la trajectòria
Una vegada processats les dades en llenguatge ISO procedents del sistema CAM, i després d'executar els algorismes d'interpolació al CNC (eventualment, circulars o NURBS) s'obtenen comandos de posició per a cadascun dels eixos. El servosistema de control de posició actua com s'indica en la figura 4 de l'esquema següent:
Fig. 4.- Llaç de control d'un sistema CNC-servomotor analògic
El comandament de posició processat al CNC es transforma en comandament de velocitat (corbes de velocitat) que es transmeten a l'etapa de control de l'amplificador del servomotor. Aquesta es calcula amb algorismes els comandos de tensió i intensitat que controla la part de potència de l'amplificador que alhora comanda el motor.
En aquest servosistema actuen alguns llaços. El mateix motor aquesta servocontrolado per l'amplificador mitjançant la corrents (“current loop”). El sistema de captació de la posició tanca el control de velocitat (“speed loop”) amb l'amplificador mitjançant un derivador (les dades són de posició i per tant s'han de derivar per trobar les dades de velocitat) i alhora tanca el control de posició amb el CNC (“positioning loop”).
2.2.1 Error de seguiment
L'error entre la posició comandada i la posició real de la màquina es denomina error de seguiment i és fonamental a l'hora d'avaluar les aptituds d'un sistema per controlar una màquina d'alta velocitat.
L'error de seguiment és el millor indicatiu de la precisió dinàmica d'un centre de mecanització. Tan important és seguir una trajectòria amb la velocitat programada com fer-ho de forma precisa.
Teòricament precisió del sistema aquesta determinada en part pel temps de processament en bloc. Si excloem el temps de conversió de les dades ISO en dades de comando de posició, i es denomina aquest temps d'execució (Texecució (ms)) l'error de seguiment (iseguiment (mm)) del sistema es determina segons:
Equació 6
Seguint amb l'exemple anterior i suposant que es tracta d'un Fanuc 16 iM on el Texecució » 1,5 ms.
Equació 7
Aquest valor és com ja s'ha dit teòric perquè no té en compte la capacitat de la màquina per respondre a aquests comandos de parell i velocitat dels motors.
2.2.2 Guanys del sistema CNC-servomotor
A cadascun dels llaços de realimentación del sistema i després de calcular l'error entre el valor teòric i el real, els algorismes de càlcul apliquen uns guanys dels comandos o senyals per intentar minimitzar l'error de seguiment. L'estudi complet d'aquests guanys no és objectiu d'aquest treball però parlarem del guany G global del sistema.
El guany del sistema CNC-servomotor defineix la resposta de l'eix del centre de mecanització. Si augmenta el guany global G es redueix l'error de seguiment del sistema i per tant milloren la precisió dinàmica de la màquina.
Si la cadena dinàmica de l'accionament de l'eix del servomotor (acoblament, cargol a boles, femella i carro) no és suficientment rígida i el valor de G s'augmenta, el servosistema pot arribar a acoblar a la freqüència natural del sistema mecànic produint vibracions d'inestabilitat. El guany amb el qual es pot accionar el servosistema aquesta per tant limitat per la mecànica de la màquina i l'error dinàmic que podem aconseguir amb un determinat sistema de CNC-sevomotores està determinat per la rigidesa d'aquest sistema mecànic. En el capítol 8 s'estudiés amb més profunditat la rigidesa de l'element del sistema mecànic de l'accionament.
De tota manera els servosistemes utilitzen elements d'altres elements de control per poder aconseguir sistemes amb un precisió com demana la mecanització d'alta velocitat. Aquests s'expliquen a continuació.
2.2.3 Filtres
Els filtres són operadors matemàtics que s'apliquen sovint a senyals de para (corrent) i que actuen com a pansa-baixes. Limiten per tant l'amplitud de les freqüències més altes retardant així l'efecte d'acoblament amb la frecuéncia natural del sistema mecànic.
2.2.4 “Look ahead” i “feed-forward”
Aquests sistemes són algorismes que analitzen la geometria de la trajectòria d'un nom determinat de blocs per davant del que s'aquesta executant (“look-ahead”) i preveuen els canvis d'avanç dels eixos (“feed-forward”).
Aquests actuen paral·lels a la cadena normal de control i modifiquen els guanys de posició i velocitat per tal d'executar una nova trajectòria de sigui més favorable per a la dinàmica dels eixos. Fent un símil amb les competicions de fórmula-1, els pilots (control) veuen el traçat de la calçada (“look-ahead”) i porten els monoplazas (màquina) per trajectòries diferents a les estrictament mitjanes i paral·leles als límits de la calçada (“feed-forward”) per poder accelerar i desaccelerar amb menys intensitat i així pujar la velocitat mitjana del recorregut.
Es mostra en la figura 5 el diagrama de blocs d'un servosistema amb aquests tipus d'algorismes.
Fig. 5.- Diagrama dels blocs del servosistema de Fanuc 16iM
2.2.5 Límits d'error de la trajectòria
Al símil automobilístic existeixen límits per a la nova trajectòria (la calçada). Als servosistemes més avançats també existeixen aquests límits amb l'avantatge que són ajustables a les necessitats de la mecanització.
Si en certa mecanització es necessiten els avanços de cort més alts per reduir el temps, es poden augmentar els límits perdent precisió. Si en canvi ens interessa la precisió, s'estrenyen els límits fent la màquina més lenta. Aquests límits de trajectòria es controlen normalment mitjançant funcions auxiliars M per a poder vàries la manera depenent de l'operació a realitzar en cada cas.
En l'actualitat existeixen ja uns quants sistemes (Siemens 840D, Fanuc 16iM, etc.) que utilitzen aquests sistemes on es poden escollir límits d'entre ±0,002 mm per alta precisió i ±0,02 mm per alta velocitat.
La utilització dels algorismes de “look-ahead” i “feed-forward” han possibilitat el desenvolupament de la tecnologia d'alta velocitat com l'entenem actualment. Seguint amb el nostre exemple si amb una màquina eina amb el sistema Fanuc-16iM es vol descriure un cercle de 100 mm de diàmetre a un avanç F = 18.000 mm/min, error de seguiment hauria de ser de:
Equació 8
Quan la realitat amb els sistemes de limitació de l'error de trajectòria s'arriben a produir aquest cercle a 18.000 mm/min d'avanç exacte amb errors màxims de 0,003 mm!! Veure figura 6.
Fig. 6.- Error de circularidad en 100 mm de diàmetre a 18 m/min amb el control Fanuc 16iM
