5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 1/7

7

 José AgustíNMuriEl EscobAr1

ErNEsto girAldo girAldo2

Adecuación tecnológicade un torno Compact 5 CNCa través de un PC 

Technological adaptation of 5 CNC lathe Compact through a PC 

Recibido:17-08-10 Aceptado 20-11-10

1 Ingeniero Mecánico, M.Sc. Instructor delSena, Centro de Diseño e Innovación Tecno-lógica Industrial. Dosquebradas. ProfesorAuxiliar de la Universidad Tecnológica dePereira. agustin.muriel@utp.edu.co, jamu-riel@sena.edu.co

2 Ingeniero Mecánico, M.Sc. Instructordel Sena Centro de Diseño e InnovaciónTecnológica Industrial. Dosquebradas.egiraldog@sena.edu.co

ResumenEl siguiente articulo presenta la adecuación tecnológica realizada en un torno

CNC Compact 5, al que se le efectuaron varias modicaciones relacionadas conla instalación de sensores en los carros longitudinal y transversal, el diseño detarjetas de control y potencia y el diseño de una interfaz usuario-máquina parala carga de programas y simulación de trayectorias antes de realizar el procesode maquinado.

Palabras clave: Adecuación tecnológica, CNC, interfaz, sensores, programa

AbstractThe following article describes the technological adaptation made in a lathe

5 CNC Compact with many modications related to: installation of sensors intransversal and longitudinal axes, design of control and power cards; and designof a human-machine interface for introducing programs and path simulations

 before machining process.Key words: technological adaptation, CNC, interface, sensors, program

IntroducciónLa tecnología de control numérico en nuestro medio es aún incipiente, pues

existen todavía máquinas-herramientas convencionales que operan de maneratradicional. Solamente las empresas que han tomado conciencia de la impor-tancia de mejorar el rendimiento de sus procesos productivos y por ende lacalidad de sus productos, han tomado la decisión de aplicar la tecnología decontrol numérico.

Debido a que dicha tecnología es propia de la década de los años setenta nació

la idea de modernizarla empleando electrónica digital basada en microprocesa-dores y programas con interfaces grácas para la interacción usuario-máquina.Se decidió entonces, realizar una prueba piloto con un torno Compact 5 CNCpara llevarlo al estado del torno semindustrial (Chacón et al. , 2004).

MetodologíaEn el sentido más general, se distinguen dos tipos de control numérico a saber:

punto a punto y contorneo que están asociados al modo de desplazamiento delos ejes de la máquina.

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 2/7

8

En el sistema punto a punto , se parte de la informaciónsuministrada por el programa y antes de iniciarse el movi-miento el control determina el camino que se va a recorrer.Posteriormente, se realiza dicho posicionamiento sin tener encuenta la trayectoria recorrida, puesto que lo único que im-

porta es alcanzar con precisión y rapidez el punto requerido.Este posicionamiento puede ser secuencial o simultáneo y serealiza normalmente a la velocidad máxima de la máquinarazón por la cual, en este tipo de sistemas no se controla nise programa la velocidad de avance ni de rotación del útil.

Los sistemas de contorneo controlan no solo la posiciónnal sino la posición instantánea de los ejes en los cualesse realiza la interpolación. En estos equipos debe haberuna sincronización perfecta entre los distintos ejes con eln de controlar la trayectoria que deberá seguir la puntade la herramienta. Con estos equipos se pueden generarrecorridos como rectas con cualquier pendiente, arcos decircunferencia, cónicas u otra curva denible matemáti-camente y esta versatilidad es la razón por la cual estamodalidad será la elegida para el presente proyecto.

La tendencia moderna en control numérico está centra-da fundamentalmente en tres aspectos: control numéricocomputarizado (CNC), control numérico directo (DNC) ycontrol numérico adaptativo (ANC).

Hasta hace poco un minicomputador era utilizadocomo órgano de control y para ello debía crearse un pro-grama para cada pieza. Actualmente con la aparición delmicroprocesador (Sierra y Pérez, 1999) y de los circuitosLSI se está cambiando la concepción del control numéricocomputarizado (CNC), logrando así abilidad, bajo costo

y la posibilidad de funcionar correctamente en condicio-nes ambientales extremas. Sin embargo, su limitación estáasociada con la velocidad, razón por la cual se tiende ausar sistemas de control con procesamiento distribuido(inteligencia distribuida) basados en uno o varios micropro-cesadores que trabajan en paralelo y realizan, entre otras,funciones como contadores programables.

La función principal de un control numérico es gober-nar los motores de una máquina- herramienta (ConsejoNacional de Ciencia y Tecnología, 2003) que llevan a caboel desplazamiento relativo entre el útil y la pieza situadasobre la mesa. Si se considera un desplazamiento en un

plano será necesario accionar dos motores; en el espaciotres motores y así sucesivamente. En el caso de un controlnumérico punto a punto y paraxial, las órdenes suminis-trados a cada uno de los motores no tienen relación entreellas, pero en un sistema por contorneo estas se rigen poruna ley determinada.

Para el control de los motores de la máquina-herramien-ta (Maturana, 2001) se pueden crear dos tipos de servome-canismos: en lazo abierto y en lazo cerrado.

El torno CNC (Simone y Reveron, 2001) descrito en estetrabajo es un servomecanismo en lazo abierto (Figura 1) ylas órdenes a los motores se envían a partir de la informa-ción suministrada por la unidad de cálculo que se encargade obtener la distancia que se va a recorrer y la velocidadde posicionamiento.

Figura 1. Servomecanismo en lazo abierto

Para entender el alcance del trabajo se describe a conti-nuación el estado del torno en la actualidad y se analizanalgunas alternativas para mejorar su prestación.

El torno Compact 5 no tiene denido un cero de má -quina que determine su alcance máximo a lo largo de losejes transversal y longitudinal (Saltarín, 2004) por lo cualse consideró la opción de instalar sensores ópticos tipoherradura al nal del recorrido de los carros teniendo encuenta las siguientes opciones:

• Sensores inductivos• Sensores capacitativos• Finales de carrera (interruptores electrónicos)

La decisión de implementar los sensores ópticos (Figura2) se debió a su bajo desgaste, su fácil instalación, la existen-cia de menos interferencias con los residuos desprendidosdel proceso de maquinado y su bajo costo.

Figura 2. Instalación de sensores

Inormador Técnico (Colombia) Vol. 74, Diciembre 2010, p 5 - 11

 

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 3/7

9

 

Los motores que el torno emplea para mover los ca-rros longitudinal y transversal son paso a paso (Figura 3)unipolares de 5º por paso. Su desventaja consiste en quetrabajan en lazo abierto, sin embargo existen alternativaspara mejorar esto, consistentes en:• Cambiarlos por servomotores.• Instalar encoders giratorios sobre los ejes de los motores.• Instalar encoders lineales y sensores a lo largo de los

carros.Por costos se decidió no cambiar los motores, sin embar-

go la mejor opción en un futuro es usar servomotores y surespectiva tarjeta con drivers para su control.

Así mismo, su control se pudo haber realizado con uncontrol PWM. Sin embargo se optó por cambiar dichomotor por uno trifásico de 1 HP y 3410RPM que transmitemovimiento al husillo a través de un sistema de poleas jascon un variador de velocidad electrónico que mantieneconstante la velocidad seleccionada en el programa para

una determinada operación de maquinado (Figura 6). Elcambio de velocidad se hace desde el programa cambiandoel set point desde el variador electrónico.

La variación de la velocidad del husillo se realiza ma-nualmente en la actualidad, mediante el empleo de un po-tenciómetro análogo (Figura 4) y para los ciclos de roscadose hace un cambio manual de poleas con el n de variar larelación de transmisión entre el motor principal y el husillo.

Figura 3. Motor paso a paso

Figura 4. Variación de velocidad del husillo.

El motor del husillo es de corriente directa y escobillasde imán permanente (Figura 5) lo cual hace su manteni-miento más exigente.

Figura 5. Motor DC del husillo

Para la interacción del usuario con la máquina se dispo-ne de un teclado, un monitor de catorce pulgadas (Figura7) y un brazo trazador el cual graca sobre un papel la tra-yectoria de la herramienta antes del proceso de maquinado.

Figura 6. Cadena cinemática para la velocidad del husillo

Motor delhusillo

Figura 7. Introducciónde programas

J.A.Muriel, E.Giraldo: Adecuación tecnológica de un torno compact 5 CNC a través de un PC

 

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 4/7

10

 

Por tal razón se planteó la opción de elaborar una inter-faz gráca soportada en un computador (Sánchez, 1988)desde la cual el usuario interactúa con la máquina en formacómoda introduciendo el código (Figura 8).

Con el propósito de mejorar el desempeño del torno sediseñaron y fabricaron varias tarjetas: una tarjeta de control

  basada en un microcontrolador, una tarjeta de potencia,

una tarjeta para el manejo de los sensores y un panel deoperaciones. (Figura 11).Figura 8. Interaz para introducción de programas

Adicionalmente, es posible simular la trayectoria de laherramienta antes o simultáneamente con el proceso demaquinado (Figura 9).

Figura 9. Simulación del maquinado.

De las opciones disponibles en el mercado, se decidióescoger Visual Basic (Greg, 1999), debido al fácil manejo

gráco. Además, permite la comunicación con el entornoa través del puerto serial.

El torno original posee ocho tarjetas alojadas en un ar-mario de control (Emco Maier Gesellschaft M.B.H., 1985)entre las que se cuentan la tarjeta de la CPU, la tarjeta paramanejo del husillo, la tarjeta para motores paso a paso, latarjeta control de la torreta, la tarjeta de video, la tarjeta depotencia y la tarjeta para registro de programas (casetes)(Figura 10).

Motor ACTarjetade control

Tarjetade potencia

Figura 10. Armario de control con tarjetas

Figura 11. Armario con tarjetas diseñadas

La velocidad de transmisión en el torno original conotros equipos puede llegar a 300 baudios y se realiza através del puerto serial.

Con base en lo anterior, se decidió emplear la mismatransmisión de tipo serial, asincrónica (sin base de tiempo)

y full dúplex (bidireccional). Para ello se apoyó en la for-taleza de un microcontrolador como el Atmel 89C51 parala comunicación serial. Adicionalmente se empleó un relojde 12 MHz y se obtuvo una velocidad de transmisión de28800 bits, la cual es signicativamente superior a los 300bits por segundo que maneja el torno.

Una ventaja adicional del puerto serial respecto del para-lelo radica en que en el puerto serial se puede manejar unadistancia máxima de 15 m y la conexión de un solo equipo.

Inormador Técnico (Colombia) Vol. 74, Diciembre 2010, p 5 - 11

 

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 5/7

11

Para la comunicación entre las tarjetas de control y eltorno se empleó un microcontrolador de la familia Atmel89C52 por sus altas prestaciones y bajo costo. En la Figura12 se muestra el diagrama de la tarjeta de control empleada.

El aspecto nal del torno Compact 5 CNC se muestra acontinuación en la Figura 13.

ResultadosSe simuló la fabricación de una pieza cilíndrica de

 bronce, luego se mecanizó en el torno repotenciado y seobtuvieron los siguientes resultados:• Trabajo con de diferentes velocidades de corte mo-

dicando la velocidad del husillo principal desde elprograma mediante la inserción de un variador develocidad electrónico y un motor trifásico con variaciónde la frecuencia.

• Velocidades de avance de los carros longitudinal ytransversal sucientes para avances de trabajo pero

limitadas para desplazamientos en vacío, lo cual incre-menta el tiempo de producción de una pieza.

• En cuanto a la geometría de la pieza por mecanizar,solo se desarrollaron los comandos para operacionesde cilindrado y refrentado.

Figura 12. Diagrama de la tarjeta de control

Figura 13. Aspecto fnal del torno Compact 5 CNC.

• Denición del área de trabajo del torno mediante laubicación de sensores ópticos.

Se realizaron pruebas con los motores paso a paso y seobtuvieron grácas como las de las Figuras 14 y 15.

J.A.Muriel, E.Giraldo: Adecuación tecnológica de un torno compact 5 CNC a través de un PC

 

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 6/7

12

ConclusionesLas conclusiones derivadas del presente trabajo se rela-

cionan a continuación:• Se elaboraron tarjetas de control, de potencia y de sen-

sores. Entre ellas se incluye el suministro de niveles devoltaje de 40 voltios DC necesarios para aumentar lavelocidad máxima de los motores paso a paso.

• La velocidad máxima obtenida en los motores paso apaso se debe aumentar utilizando voltajes superioresal valor nominal, con el n de producir pulsos quepermitan, mediante la técnica de chopeado, aumentarla frecuencia y por ende la velocidad de los motores.

• La forma de comunicación máquina-usuario se mejoró conla elaboración de la aplicación realizada en Visual Basic.• Dentro de la programación del torno (Emco Maier

Gesellschaft M.B.H, 1985) se introdujeron comandostales como G00 (marcha rápida), G01 (interpolaciónlineal), G04 (retardo) y G64 (desconexión de motoressin corriente). Falta la inclusión de los comandos deprogramación G02 (interpolación circular hacia la de-recha), G03 (interpolación circular hacia la izquierda),G84 (ciclo de cilindrado) y G78 (ciclo de roscado) entreotros. Esto se realizará en futuros proyectos.

• Dentro de la propuesta presentada en el presente trabajose pueden mejorar las prestaciones si se establece en latarjeta de control la instalación de un microcontroladorpor cada eje de trabajo y así optimizar el tiempo deoperación del proceso.

• Es posible abordar en nuestro medio la tecnología delcontrol numérico computarizado con vistas a repoten-ciar equipos convencionales a bajo costo (Consejo Na-cional de Ciencia y Tecnología, 2003) tales como tornosy fresadoras, entre otros, sin necesidad de depender decompañías extranjeras.

• La implementación realizada en el presente proyectodemuestra que con elementos electrónicos de nuestromercado se pueden elaborar tarjetas que permitan con-

trolar los ejes (dos o tres) en una máquina herramientaconvencional.

• El desarrollo de aplicaciones apoyadas en software defácil adquisición en nuestro medio, como el Visual Basicpermite llegar a generar ambientes interactivos con elusuario de fácil manejo.

• Se bajan sensiblemente los costos de mantenimientode las máquinas, gracias a que no es necesario recurrira especialistas en el área ya que se puede contar conpersonal formado en las instituciones educativas, par-ticularmente el SENA y la Universidad Tecnológica dePereira.

• La transmisión de los trenes de pulsos desde el micro-controlador al motor paso a paso reduce velocidad enlos ejes, por lo que se puede descargar el microcontro-lador de tareas innecesarias y dejar que el computadorejecute únicamente cálculos. Así mismo, se deben des-cargar los resultados en una memoria serial o paralelaque pueda ser leída por el microcontrolador y este asu vez  transmitir las órdenes al motor a través de lageneración de trenes de pulsos.

Figura 14. Pulso completo eje Z máxima velocidad.

Figura 15. Pulso completo eje X máxima velocidad.

Inormador Técnico (Colombia) Vol. 74, Diciembre 2010, p 5 - 11

5/9/2018 3637917 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/3637917 7/7

13

Referencias

CHACÓN, R.; MORA, J. A. y HERNÁNDEZ, E. Automatizaciónde un torno Control Numérico Computarizado (CNC) me-diante Labview. 2004

CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. Con-

versión de torno paralelo convencional a torno de ControlNumérico Computarizado de producción con torreta deocho posiciones. Aguascalientes, México: Consejo Nacionalde Ciencia y Tecnología, 2003

CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA. Desarro-llo de software para control de movimiento en coordenadasX, Y, Z en Control Numérico Computarizado a través deComputador y control de velocidad del husillo. Aguascalien-tes, México: Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, 2003.

EMCO MAIER GESELLSCHAFT M.B.H. Manual de Instrucciónde Servicio EMCO Compact 5 Control Numérico Computa-rizado Austria: Emco Maier Gesellschaft M.B.H., 1985.

EMCO MAIER GESELLSCHAFT M.B.H. Manual para el AlumnoEMCO Compact 5. Control Numérico Computarizado. Aus-tria:. Emco Maier Gesellschaft M.B.H, 1985

GREG, P. Aprendiendo Visual Basic V. 6.0 en 21 días. EditorialPrentice Hall, 1999

MATURANA OVALLE, F. J. Automatización de un torno fre-sador Control Numérico Computarizado. Chile: Ponticia

Universidad Católica de Chile, 2001SALTARÍN NORIEGA, Cristian. Automatización de los Ejes de

Desplazamiento de un Torno Convencional. Universidaddel Atlántico, 2004.

SÁNCHEZ MONTERO, F. J. Automatización de una máquinatorno-fresa mediante un sistema informático. Colombia:Universidad Nacional, 1988.

SIERRA ESPEJO, F. y PÉREZ FERNANDO, S. Automatización deuna máquina fresadora mediante microprocesador. España:Escuela Politécnica Superior, 1999.

SIMONE, A. y REVERON, E. Automatización y Control de unMini-Torno Paralelo. Venezuela, 2001.

J.A.Muriel, E.Giraldo: Adecuación tecnológica de un torno compact 5 CNC a través de un PC