modelizaciÓn de una fresadora de control numÉrico de cinco ejes
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS
PROYECTO FIN DE CARRERA
MODELIZACIÓN MEDIANTE REALIDAD VIRTUAL DE UNA FRESADORA DE CONTROL NUMÉRICO DE CINCO EJES
UTILIZABLE EN SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE FABRICACIÓN DEL SECTOR AERONÁUTICO Y AEROESPACIAL
Autor: Fernando Aretio Zárate
Director: Alfredo Sanz Lobera
Madrid, Octubre de 2015
1
AGRADECIMIENTOS
Se supone que este proyecto lo tenía que hacer
yo solo, pero no ha sido posible. Durante este
último año, y los tres anteriores, he tenido la
suerte de estar rodeado de gente que me ha
ayudado, aunque no siempre sean conscientes
de ello, a seguir cumpliendo los pequeños
objetivos hasta llegar aquí.
Por ello, se lo quiero agradecer:
A mi director de proyecto, Alfredo, por
ayudarme en todo lo que ha estado en su
mano.
A mis amigos, porque ya sea en casa, en el bar,
en clase o en la biblioteca; desde Madrid,
Nájera, Bruselas o Arad; me sirven de apoyo
en todo momento.
A Bea, por estar ahí y por su cariño.
A mi hermano, por estar siempre disponible.
Y a mis padres, por confiar en mí, desde hace
tantísimos años.
“Prefiero caminar con una duda
que con un mal axioma”
Javier Krahe
2
Índice
Índice _____________________________________________________________ 2
Lista de figuras _____________________________________________________ 4
Lista de tablas ______________________________________________________ 7
Resumen __________________________________________________________ 8
1 Introducción: Automatización y Realidad Virtual en Sistemas de Producción _ 9
1.1 Robots y Máquinas-Herramienta de Control Numérico ______________________ 10
1.1.1 Tipos de máquinas-herramienta y aplicaciones aeronáuticas _____________________ 12
1.1.2 Modos de funcionamiento ________________________________________________ 16
1.1.3 Características generales _________________________________________________ 16
1.2 Realidad virtual (VR) __________________________________________________ 20
1.2.1 Aplicaciones en ingeniería ________________________________________________ 21
1.2.2 Alternativas de implementación ____________________________________________ 22
2 La Fresadora KONDIA SEASKA ______________________________________ 24
2.1 Introducción a las máquinas herramienta de 5 ejes _________________________ 25
2.2 Descripción general ___________________________________________________ 27
2.3 Prestaciones _________________________________________________________ 29
2.4 Elementos principales. Control __________________________________________ 30
2.5 Modelización geométrica ______________________________________________ 32
2.5.1 Elementos principales y planos_____________________________________________ 32
2.5.2 Composición global ______________________________________________________ 34
3 Desarrollo basado en Visual Basic y Virtools __________________________ 36
3.1 Modelización ________________________________________________________ 36
3.1.1 Virtools _______________________________________________________________ 37
3.1.2 Visual Studio 2013 _______________________________________________________ 46
3.1.3 Intercomunicación Virtools-Aplicación _______________________________________ 47
3.2 Utilización __________________________________________________________ 50
3.3 Funcionamiento ______________________________________________________ 51
3.4 Conclusiones y posible solución _________________________________________ 59
4 Desarrollo basado en CATIA v5 _____________________________________ 60
4.1 Modelización ________________________________________________________ 61
4.1.1 Construcción de la máquina _______________________________________________ 61
4.1.2 Pieza a mecanizar _______________________________________________________ 69
4.2 Utilización __________________________________________________________ 70
4.2.1 Instrucciones generales de mecanizado ______________________________________ 71
4.2.2 Mecanizado de la pieza ___________________________________________________ 77
4.3 Funcionamiento ______________________________________________________ 94
3
4.3.1 Simulación de la eliminación de material _____________________________________ 94
4.3.2 Simulación con la máquina herramienta _____________________________________ 98
4.3.3 Utilización del programa de control numérico ________________________________ 102
4.4 Conclusiones _______________________________________________________ 106
5 Conclusiones y desarrollos futuros _________________________________ 108
6 Referencias y bibliografía ________________________________________ 109
Apéndices ________________________________________________________ 111
A. Datos de los gráficos del estudio de tiempos. Apartado 3.2. _________________ 111
B. Datos de los tiempos de envío de información. Figura 65 ___________________ 112
C. Listado de operaciones de mecanizado __________________________________ 113
D. Listado de herramientas ______________________________________________ 114
E. PLANOS DE LA FRESADORA KONDIA SEASKA _____________________________ 115
4
Lista de figuras
Figura 1.Desplazamiento punto por punto .......................................................................................... 12
Figura 2. Desplazamiento paraxial ....................................................................................................... 13
Figura 3. Desplazamiento continuo ..................................................................................................... 13
Figura 4. Unión del tren de aterrizaje del Boeing 767 fabricado en titanio ........................................ 14
Figura 5. Puerta de emergencia usada en aviación general ................................................................ 14
Figura 6. Panel de acceso fabricado con una MHCN ........................................................................... 15
Figura 7. Compresor centrífugo montado en una MH de 5 ejes.......................................................... 15
Figura 8. Ejemplo de trayectoria transformada en movimiento de tres ejes[7] .................................. 18
Figura 9. Esquema de una máquina-herramienta de control numérico ............................................. 18
Figura 10. Esquema de un programa de control numérico ................................................................. 19
Figura 11. Procesos a realizar antes de la escritura del programa ...................................................... 19
Figura 12. Control de un eje mediante lazo cerrado ........................................................................... 20
Figura 13. Augmented Reality Guiding Process de la empresa ARSoft [12] ........................................ 21
Figura 14. Desarrollo de una fábrica virtual por parte de Ford [14] .................................................... 22
Figura 15. Vista general de la fresadora Kondia SEASKA [18] .............................................................. 24
Figura 16. Nomenclatura estándar de los ejes de una máquina herramienta [19] ............................. 25
Figura 17. Máquina vertical. Tipo mesa/mesa. Herramienta: X, Z. Pieza: Y, A, C [19] ........................ 26
Figura 18. Máquina VH. Tipo cabezal/mesa. Herramienta: X, Z, A. Pieza: Y, C [19] ............................ 26
Figura 19. Máquina vertical. Tipo cabezal/cabezal. Herramienta: Z, B, A. Pieza: Y, X [19] .................. 27
Figura 20. Vista del esqueleto de la fresadora Kondia SEASKA con su esquema cinemático [18] ...... 27
Figura 21. Acoplamiento directo de la herramienta ............................................................................ 28
Figura 22. Transmisión por correas ...................................................................................................... 28
Figura 23. Límites del giro basculante (eje A) de la fresadora Kondia SEASKA .................................... 28
Figura 24. Vista del controlador iTNC-530 [21] .................................................................................... 30
Figura 25. Ejemplo de modificación que realiza el TCPM [21] ............................................................. 31
Figura 26. Componentes principales de la fresadora Kondia SEASKA ................................................. 32
Figura 27. Elementos que conforman el modelo de la fresadora Kondia SEASKA ............................... 33
Figura 28. Restricciones entre la base y el soporte de la mesa y las guías del movimiento en X ........ 34
Figura 29.Restricciones entre: Soporte de mesa y mesa de balance. Guías en X y columna móvil ..... 35
Figura 30. Restricciones entre: Mesa basculante y mesa rotatoria. Columna móvil y cabezal ........... 35
Figura 31. Vista de la aplicación VB con la composición Virtools cargada (cuadro azul) ..................... 36
Figura 32. Diagrama de flujo de información de la aplicación ............................................................. 36
Figura 33. Vista general de Virtools .................................................................................................... 38
Figura 34. Pestañas File y Resources de la barra de menú de Virtools ................................................ 39
Figura 35. Pestañas Editors, Options y Help de la barra de menú de Virtools ..................................... 39
Figura 36. Pestaña 3D Layout de Virtools ........................................................................................... 40
Figura 37. Pestaña Building Blocks de Virtools ..................................................................................... 40
Figura 38. Pestaña VirtoolsResources de Virtools ............................................................................... 40
Figura 39. Pestaña Level Manager de Virtools ..................................................................................... 41
Figura 40. Pestaña Schematic de Virtools ............................................................................................ 41
Figura 41. Fresadora Kondia SEASKA en Virtools ................................................................................. 42
Figura 42. Jerarquías del modelo en Virtools....................................................................................... 42
Figura 43. Esquema de ejes y jerarquías de la fresadora Kondia SEASKA ........................................... 43
Figura 44. Threshold Building Block ..................................................................................................... 43
Figura 45. Script del movimiento en el eje X, perteneciente al frame E_origen ................................. 44
Figura 46. Mov X Behaviour Graph. ...................................................................................................... 44
Figura 47. Movimiento Behaviour Graph ............................................................................................. 45
Figura 48. Atributo asociado a distintos frames con distintos valores. ............................................... 45
5
Figura 49. Vista general del Visual Studio 2013 ................................................................................... 46
Figura 50. Vista general de la aplicación .............................................................................................. 47
Figura 51. Wait Message BB ................................................................................................................ 48
Figura 52. Get Message Data BB .......................................................................................................... 48
Figura 53. Script en el que se recibe el mensaje enviado por VB ....................................................... 49
Figura 54. Fire Virtools Event Building Block ....................................................................................... 49
Figura 55. Primera vista de la aplicación VB una vez abierta .............................................................. 50
Figura 56. Vista de la aplicación VB después de cargar el modelo Virtools ......................................... 50
Figura 57. Aplicación VB con la composición Virtools y el archivo de CN cargados. ........................... 50
Figura 58. Aplicación VB con la simulación finalizada ......................................................................... 51
Figura 59. Subrutinas del programa VB ............................................................................................... 51
Figura 60. Scripts de Virtools ............................................................................................................... 51
Figura 61. Diagrama de funcionamiento de subrutinas y scripts. ........................................................ 52
Figura 62. Tiempos totales de 10 ejecuciones del programa G0-G1_plus.txt ..................................... 54
Figura 63. Gráfico de tiempos de cada línea de código ....................................................................... 54
Figura 64. Diferencias entre la envolvente máxima y Treal de las 10 ejecuciones de G0-G1_plus.txt 55
Figura 65. Estudio de tiempos de envío y recepción de información entre VB y Virtools ................... 56
Figura 66. BBs para la recepción del mensaje POSICION y el envío del evento Virtools RECIBIDO ..... 57
Figura 67. Programación de los textos TERMINADO y RECIBIDO en Virtools ...................................... 58
Figura 68. Textos TERMINADO y RECIBIDO introducidos en Virtools ................................................. 58
Figura 69. Módulos de mecanizado y simulación del mecanizado en CATIA v5 .................................. 60
Figura 70. Assembly Constrains Conversion en el módulo DMY Kinematics ....................................... 61
Figura 71. Ventana del menú de Assembly Constrains Conversion ..................................................... 62
Figura 72. Tipos de uniones en función de las restricciones seleccionadas ........................................ 62
Figura 73. Árbol del mecanismo SEASKA_mech .................................................................................. 63
Figura 74. Ventana de edición de la unión responsable del eje C ....................................................... 64
Figura 75. Lista de los 5 comandos que manejan la fresadora Kondia SEASKA ................................... 65
Figura 76. Ventana Mechanism Analysis del mecanismo de la fresadora Kondia SEASKA .................. 65
Figura 77. Kinematics Simulation - SEASKA_mech ............................................................................... 65
Figura 78. Creación de la posición inicial de la fresadora Kondia SEASKA en CATIA v5 ....................... 66
Figura 79. Crear el punto de montaje de la herramienta. NC Machine Tool Build .............................. 66
Figura 80. Punto de montaje de pieza ................................................................................................. 67
Figura 81. Modificar la posición del cambio de herramienta. NC Machine Tool Builder..................... 67
Figura 82. Ventana para modificar los límites de movimiento. NC Tool Machine Build ...................... 68
Figura 83. Velocidades y aceleraciones máximas. NC Machine Tool Builder ...................................... 68
Figura 84. Jog Mechanism en la fresadora Kondia SEASKA. NC Machine Tool Builder........................ 69
Figura 85. Pieza a mecanizar con la preforma de partida en amarillo transparente ........................... 70
Figura 86. Visión general del elemento Part Operation....................................................................... 71
Figura 87 Pestañas de selección de máquina y ejes de la pieza .......................................................... 72
Figura 88. Ventana para generar las trayectorias de transición de forma automática ....................... 73
Figura 89. Pestañas del Part Operatioin: Position, Simulation, Option y Collision checking ............... 73
Figura 90. Menú de las operaciones auxiliares .................................................................................... 76
Figura 91. Operaciones de COPY y TRACUT ......................................................................................... 76
Figura 92. Ejes y planos principales de la pieza para la configuración del elemento Part Operation .. 77
Figura 93. Propiedades de la herramienta. .......................................................................................... 78
Figura 94. Pestaña de geometría del Roughing.1 ................................................................................ 79
Figura 95. Pestaña de estrategia de mecanizado del Roughing.1........................................................ 80
Figura 96. Distintos tipos de trayectorias en un desbaste (Roughing) ................................................ 81
Figura 97. Opciones de la configuración radial de mecanizado. .......................................................... 82
Figura 98. Opciones de Velocidad y Macros en Roughing.1 ................................................................ 82
6
Figura 99. Trayectorias de Roughing.1 ................................................................................................. 83
Figura 100. Opciones del visionado de las trayectorias ....................................................................... 84
Figura 101. Ejemplo de colisión en una trayectoria ............................................................................. 85
Figura 102. Pestaña de geometría de Roughing.2 ............................................................................... 85
Figura 103. Superficies creadas para el mecanizado entre álabes ...................................................... 86
Figura 104. Geometría de la instrucción Isoparametric_Sup1ABC ...................................................... 87
Figura 105. Estrategia de mecanizado de Isoparametric_Sup1ABC .................................................... 87
Figura 106. Estrategia radial de Isoparametric_Sup1ABC .................................................................... 88
Figura 107. Tipos de configuración del eje de la herramienta ............................................................. 89
Figura 108. Trayectorias de Isoparametric_Sup1ABC .......................................................................... 89
Figura 109. Macros de acercamiento y alejamiento ............................................................................ 90
Figura 110. Ejes de la pieza y superficies a evitar (Check) del mecanizado de la superficie 6ª ........... 91
Figura 111. Trayectorias de mecanizado de las superficies de la cavidad ........................................... 92
Figura 112. Operaciones de mecanizado en la parte superior ............................................................ 92
Figura 113. Posiciones de la herramienta en el mecanizado del extradós .......................................... 93
Figura 114. Trayectorias del mecanizado de los álabes ....................................................................... 93
Figura 115. Opciones de la simulación de eliminación de material ..................................................... 95
Figura 116. Ejemplo de colisión en la simulación con eliminación de material ................................... 96
Figura 117. Ejemplo de comparación entre la pieza de diseño y la mecanizada ................................. 96
Figura 118. Secuencia de arranque de material .................................................................................. 97
Figura 119. Secuencia de dimensiones de la pieza por colores ........................................................... 98
Figura 120. Opciones de contacto y distancia en la simulación con máquina ..................................... 99
Figura 121. Analysis configuration ..................................................................................................... 100
Figura 122. Data Readout .................................................................................................................. 100
Figura 123. Barra de control de la simulación con herramienta. ....................................................... 101
Figura 124. Ejemplo de colisión en la simulación de máquina .......................................................... 101
Figura 125. Varios momentos de la simulación con máquina herramienta ...................................... 102
Figura 126. Generación del código APT ............................................................................................. 103
Figura 127. Muestra del código APT .................................................................................................. 104
Figura 128. Selección de postprocesador en CATIA ........................................................................... 105
Figura 129. Vista general del programa WinPost .............................................................................. 105
Figura 130. Árbol de operaciones importadas de un archivo APT ..................................................... 106
7
Lista de tablas
Tabla 1. Conveniencia de la utilización de MHCN[6] ............................................................................ 17
Tabla 2. Fresadora Kondia SEASKA. Características técnicas ................................................................ 29
Tabla 3. Medidas de la fresadora Kondia SEASKA ................................................................................ 33
Tabla 4. Listado de uniones entre elementos para la creación del mecanismo ................................... 63
Tabla 5. Límites de movimiento de la fresadora Kondia SEASKA ......................................................... 64
Tabla 6. Tabla de velocidades de mecanizado. ..................................................................................... 78
Tabla 7. Pestaña Tool Axis .................................................................................................................... 88
Tabla 8. Datos de la gráfica de estudio de tiempos. ........................................................................... 111
Tabla 9. Datos de los tiempos de envío de información. Figura 65 ................................................... 112
8
Resumen
El presente proyecto tiene como objetivo el desarrollo de una aplicación de
Realidad Virtual orientada a una fresadora de Control Numérico de cinco ejes de
aplicación en la Industria Aeronáutica y Aeroespacial.
En el primer capítulo, se presentan de manera general y a modo introductorio los
elementos principales del proyecto, por un lado las Máquinas-herramienta de control
numérico y por otro la Realidad Virtual.
A continuación, en el apartado dos, se muestran las características de la fresadora
que será objeto de modelización y simulación. Se trata de un centro de mecanizado
vertical de cinco ejes denominado Kondia SEASKA.
El siguiente capítulo versa sobre la utilización del programa Virtools y el lenguaje de
programación Visual Basic para la creación de la aplicación de simulación. En él se
puede encontrar tanto la presentación de Virtools y Visual Basic, como la descripción
del trabajo realizado con estas herramientas.
A continuación, se presentará un desarrollo alternativo de mediante la utilización
de CATIA v5, más concretamente con los módulos de mecanizado que ofrece. Esta
opción permitirá del desarrollo de un programa de mecanizado a partir de una pieza
diseñada, la creación de la Máquina-herramienta y si simulación conjunta.
Por último, en el capítulo 5, se hace una reflexión sobre el trabajo realizado, las
conclusiones obtenidas y se presentan posibles desarrollos futuros a partir de este
proyecto.
9
1 Introducción: Automatización y Realidad Virtual en Sistemas
de Producción
Todo proceso de fabricación es susceptible de ser automatizado reduciendo o
eliminando la intervención humana directa sobre él. La automatización conlleva, por lo
general, una inversión inicial relativamente elevada, cuya rentabilidad está supeditada,
entre otros factores, a la correcta elección de los equipos a utilizar de acuerdo con el
nivel de automatización deseado. Una de las ventajas que aporta la automatización de
un proceso, es la obtención de unas piezas mejor acabadas con un menor número de
rechazos, lo que supone una mayor rentabilidad. Este hecho es fundamental en una
producción con unos niveles de exigencia elevados, tal y como sucede en la producción
aeronáutica y aeroespacial. En contraposición, uno de los principales inconvenientes
asociados a la automatización, aparece durante la fase de implantación del sistema,
sobre todo si éste es complejo. Durante esta fase y en la etapa de puesta a punto
normalmente aparecen situaciones no previstas, que en algunos casos pueden llegar a
dar al traste, si no con la implantación, sí con las expectativas puestas en ella. En este
sentido, las técnicas de simulación son herramientas de gran utilidad para detectar y/o
corregir situaciones no deseadas, antes de que la implantación haya tenido lugar. La
complejidad de los modelos de simulación empleados, suele ser inversamente
proporcional a la facilidad de interpretación de los resultados obtenidos. En este punto
aparece la Realidad Virtual como una herramienta que establece una interfaz entre los
resultados generados por el modelo de simulación y la percepción sensorial del usuario
que la utiliza, asemejando ésta a la percepción "real" que el sistema o proceso
modelizado produce. De esta forma no se requiere del usuario conocimientos
específicos acerca del funcionamiento del modelo o de la interpretación de sus
resultados, ya que éstos son percibidos a través de los sentidos de manera análoga a la
percepción real y pueden emplearse modelos de mayor complejidad.
La utilización de equipos de Control Numérico (CN), tanto en Máquinas-
Herramienta como Robots, elementos esenciales de todo sistema productivo
automatizado, conlleva riesgos para los usuarios y para los propios equipos durante la
fase de aprendizaje. La disponibilidad de modelos de simulación de equipos CN
basados en Realidad Virtual permite minimizar estos riesgos incluso en la fase de
aprendizaje. Asimismo supone un primer paso hacia la construcción de sistemas
automatizados más complejos constituidos por varios equipos CN, tales como Células
Flexibles o Sistemas Flexibles de Fabricación. En base a lo expuesto, el presente
proyecto busca la obtención de un modelo virtual de una fresadora de Control
Numérico Kondia SEASKA que pueda ser utilizado tanto para entrenamiento como
para su inclusión en modelos de sistemas automatizados de mayor complejidad.
10
1.1 Robots y Máquinas-Herramienta de Control Numérico
La máquina-herramienta (MH) ha jugado un papel fundamental en el desarrollo
tecnológico del mundo. Gracias a la utilización de la MH se ha podido realizar de forma
práctica, maquinaria de todo tipo que, aunque concebida y realizada, no podía ser
comercializada por no existir medios adecuados para su construcción industrial[1].
En los sistemas de producción convencionales las MH del mismo tipo están
agrupadas, siendo cada máquina manejada independientemente. Las operaciones de
mecanización para la fabricación de una pieza se dividen en operaciones
independientes, cada una de las cuales se puede realizar más eficientemente con una
máquina en particular. Para lograr una mayor eficacia, muchos trabajos se organizan
de tal manera que grupos de piezas que requieren operaciones similares se
manufacturan en un grupo de máquinas localizadas adyacentemente. La conveniencia
de realizar varias operaciones en una única MH, unido a numerosos y nuevos
requerimientos que día a día aparecían, forzó la utilización de nuevas técnicas que
permitiesen sustituir al operador humano. De esta forma se introdujo la Automática en
los procesos de fabricación. Se entiende como automatización a la reducción o
eliminación de la intervención humana directa sobre un proceso.
La aparición de la automatización de procesos viene impuesta por diversas razones:
- Necesidades de fabricar productos que no se podían conseguir en cantidad y
calidad suficiente sin recurrir a la automatización del proceso de fabricación.
- Necesidad de obtener productos hasta entonces imposibles o de muy difícil
fabricación, por ser excesivamente complejos para ser controlados por un operador
humano.
- Necesidad de fabricar productos a precios suficientemente bajos.
Inicialmente, el factor predominante que condicionó todo automatismo fue el
aumento de la productividad. Posteriormente, debido principalmente a las nuevas
necesidades de la industria, se han tenido en cuenta muchos más factores, entre los
que destacan la precisión, la rapidez y la flexibilidad. Estas cuatro variables son las que
se tienden a optimizar a la hora de diseñar dispositivos automáticos.
Hacia 1942 surgió lo que podríamos llamar control numérico verdadero, y que
apareció como una necesidad impuesta por la industria aeronáutica. La aparición del
control numérico permitió por primera vez optimizar la flexibilidad, ya que era la mejor
virtud de este nuevo automatismo.
Se considera control numérico (CN) a todo dispositivo capaz de dirigir
posicionamientos de un órgano mecánico móvil, en el que las órdenes relativas a los
desplazamientos del móvil son elaboradas en forma totalmente automática a partir de
11
informaciones numéricas definidas, bien manualmente (funcionamiento
semiautomático), bien por intermedio de un programa (funcionamiento automático).
En general, con un CN pueden controlarse:
- los movimientos de los carros o del cabezal.
- el valor y el sentido de las velocidades de avance y de corte.
- los cambios de herramienta, así como la de piezas.
- las condiciones de funcionamiento de la máquina, en cuanto a su modo de
trabajar o en cuanto a su estado de funcionamiento.
Paralelamente, el CN se encarga de coordinar otras funciones que le son propias.
Por ejemplo:
- control de flujos de información.
- control de la sintaxis de programación.
- diagnóstico de su funcionamiento.
Toda la información necesaria para la ejecución de una pieza constituye el
programa, que es escrito en un código por medio de caracteres alfanuméricos.
El CN ha estado desde sus inicios ligado a la aeronáutica. De hecho, el primer
intento serio para obtener un verdadero CN se produjo hacia 1947 y partió de la
necesidad de fabricar hélices de helicóptero de diferentes configuraciones. John T
Parsons, dueño de la compañía Parsons, contrató a Frank Stulen quien desarrolló una
fresadora controlada por tarjeta perforada a la que Parsons adaptó una "máquina de
contar" IBM. Así las plantillas podían fabricarse en forma automática y más precisa
debido a que el control numérico realizaba los cálculos y medidas.
Dado el interés que suscitó esta técnica, la Fuerza Aérea de estados Unidos
concedió un contrato al Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) para su
desarrollo. El laboratorio de Sistemas Electrónicos del MIT diseño y construyó, en
1952, un primer prototipo de fresadora con CN que gobernaba tres ejes.
Posteriormente la irrupción de la microelectrónica y el de nuevos tipos de
computadores permitieron abrir una brecha tecnológica por donde empezaron a
emerger nuevas generaciones de sistemas de control que elevaron considerablemente
la rentabilidad del CN y su ámbito de aplicación. A todos estos sistemas se les conoce
con el nombre de CAM (Computer-Aided Manufacturing), es decir, fabricación asistida
por ordenador.
A esto se le unió el diseño asistido por ordenador (CAD). Esta combinación permite
la transferencia de información desde la etapa de diseño a la de fabricación de un
producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la
pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es procesada por el CAM,
12
para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la
maquinaria de producción, el equipo de manejo de material y las pruebas e
inspecciones automatizadas para establecer la calidad del producto. Se suele hablar de
sistemas CAD/CAM para referirse a la utilización conjunta de ambos sistemas.
El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al
normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas
y trabajo con prototipos. Sus campos de aplicación son muy variados, yendo desde su
utilización en la automoción y la aeronáutica, hasta la fabricación de prótesis y
ortodoncias.
1.1.1 Tipos de máquinas-herramienta y aplicaciones aeronáuticas
Aunque el CN se ha orientado fundamentalmente hacia máquinas-herramienta que
trabajan por arranque de viruta, su utilización no queda restringida a estas
aplicaciones[2]. A título ilustrativo, se relacionan a continuación diversos tipos de
máquinas que trabajan conectadas a CN: Taladradoras, Fresadoras, Mandrinadoras,
Tornos, Centro de mecanizado, Rectificadoras, Punzonadoras, Máquinas de
electroerosión, Maquinas de soldar, Dobladoras, Máquinas de oxicorte, Plegadoras,
Máquinas de dibujar, Máquinas de trazar, Bobinadoras, Máquinas de medir por
coordenadas, Manipuladores, etc.
1.1.1.1 Clasificación de las máquinas-herramienta de control
numérico (MHCN)
La fabricación por eliminación de materia se resume a la conducción de un móvil, ya
sea herramienta o pieza, siguiendo un desplazamiento determinado, obedeciendo una
orden (humana o numérica). Este desplazamiento puede ser lineal, angular o circular,
en función de las posibilidades del servomecanismo de los movimientos. Esto significa
que se ha clasificado a las MHCN siguiendo el modo de desplazamiento[2]. Se han
desarrollado tres generaciones de MHCN:
1) Desplazamiento punto por punto:
Estas máquinas se caracterizan por la
ausencia de mecanización en el curso del
desplazamiento sobre dos ejes (taladros,
punteadoras, punzonadoras y mandrinadoras).
La orden numérica sólo afecta a la puesta en
posición de la pieza respecto a la herramienta, o
de la herramienta respecto a la pieza según el
tipo de máquina. La fabricación se efectúa
sobre un solo eje, sin desplazamientos relativos.
La trayectoria seguida no tiene importancia.
Figura 1.Desplazamiento punto por punto
13
2) Desplazamiento paraxial:
Estas máquinas permiten ejecutar
trayectorias lineales paralelas a cada uno
de los ejes de desplazamiento X, Y, Z.
El mecanizado no es posible más que
sobre un eje cada vez.
3) Desplazamiento continuo
Máquinas gobernadas por un ordenador que
controla los tres ejes a la vez, verificando la
pertenencia del punto a la ecuación de la recta,
o del círculo, del desplazamiento deseado. Por
ello, la trayectoria puede no ser paralela a los
ejes X, Y, Z. Para asegurar estos desplazamientos
es necesario hacer referencia a interpolaciones
lineales y circulares.
Gracias al gran desarrollo de la tecnología y sobretodo de la informática, esta
clasificación ha quedado algo obsoleta, ya que la gran mayoría de máquinas son
capaces de realizar desplazamientos continuos en, al menos, 2 ejes. En el apartado 0
se muestran las características de las MH de cinco ejes.
1.1.1.2 Aplicaciones aeronáuticas de las MHCN
Como se ha visto anteriormente, el CN ha estado unido a la aeronáutica desde su
aparición. De hecho, se puede decir que la industria aeronáutica ha sido la principal
precursora de la utilización del CN a la hora de fabricar. Esto es debido a que el
mecanizado aeronáutico requiere una alta precisión y reducir al mínimo los tiempos
de mecanizado, por ello es muy habitual el uso de máquinas multieje. Además, el uso
gran variedad de materiales, desde el aluminio a otros más especiales como el titanio o
inconel hace que sea necesario CAM muy flexible, preciso, fiable y con una gran
capacidad de simulación, de lo que se hablará más adelante, para reducir cualquier
tipo de error y desperdiciar unos materiales que pueden llegar a tener un altísimo
valor.
Figura 2. Desplazamiento paraxial
Figura 3. Desplazamiento continuo
14
Las máquinas multieje son capaces de realizar translaciones en los tres ejes y al
menos un giro. Se empezaron a desarrollar incluso antes que el CN, en los años
cincuenta, pero es innegable que si son controladas numéricamente permiten realizar
geometrías muy complejas con una alta precisión, por ello que son muy utilizadas en la
industria aeronáutica y aeroespacial.
A continuación se muestran varios ejemplos de piezas aeronáuticas fabricadas
utilizando MHCN [3]:
En la Figura 4 podemos observar una parte de la unión del sistema del tren de
aterrizaje perteneciente al Boeing 767. Para su fabricación se utilizó una MHCN de tres
ejes y dos husillos verticales. La pieza tiene una longitud de 254mm y una altura de
152mm y está hecha de titanio.
Figura 4. Unión del tren de aterrizaje del Boeing 767 fabricado en titanio
En la Figura 5 se puede ver una puerta de emergencia fabricada usando una MHCN
de cinco ejes y alta velocidad. La pieza es de aluminio 7050 y tiene unas dimensiones
de 1016mm x 914mm x 152mm.
Figura 5. Puerta de emergencia usada en aviación general
Por ultimo en la Figura 6 se muestra una pieza realizada utilizando una MHCN
vertical de tres ejes. Está fabricada en aluminio, es cuadrada, de 165mm de lado.
Consiste en un panel de acceso implantado en un helicóptero militar.
15
Figura 6. Panel de acceso fabricado con una MHCN
Como se ha visto en los ejemplos, las piezas obtenidas usando estas MH no son
excesivamente grandes (la mayor longitud es un metro). Para realizar piezas como el
morro de un avión o el revestimiento de un ala se utiliza el fresado químico. Sin
embargo, programas como GAP (Green Avanced Panels) lanzado por Airbus en 2004
[4] han intentado aplicar las MHCN para reducir el tanto el precio como los tiempos de
mecanizado de estas piezas.
Figura 7. Compresor centrífugo montado en una MH de 5 ejes
16
1.1.2 Modos de funcionamiento
El programa de control numérico es el código legible tanto por el usuario como por
la máquina mediante el cual se establece la secuencia de operaciones a realizar por la
máquina partiendo de los datos geométricos y las condiciones de corte [5].
Existen cuatro formas de programar un código de control numérico:
- Manual: a partir del plano de la pieza se calculan las trayectorias de forma
manual y, a continuación, se codifican las trayectorias mediante el lenguaje
contenido en el manual de la máquina.
- Pseudo-asistida por ordenador: el diseño de la pieza se ha realizado por
ordenador (CAD), pero no la programación del mecanizado (CAM). La
ventaja es que no es necesario calcular las trayectorias porque los puntos
necesarios se obtienen del modelo diseñado.
- Asistida por ordenador (CAD-CAM): Se utiliza un programa de CAD para
diseñar la pieza. A continuación se crean las librerías de herramientas que
representan las posibilidades del taller. Por último se generan las
trayectorias de la herramienta, paso a paso, mediante la utilización de un
programa de CAM. Esto permite su visualización y, si es necesario, su
corrección.
- Programación conversacional: Depende del controlador de la MH, ya que es
el operario es el encargado de introducir los programas en la propia
máquina.
1.1.3 Características generales
Las características más importantes del CN son el control simultáneo de
desplazamiento en varios ejes, lo que permite trazar geometrías complejas, y la
capacidad de recordar y reproducir una secuencia de órdenes, lo que resulta muy útil
ya que habitualmente las piezas tienen simetrías o hay que realizar un mismo proceso
varias veces.
Sin embargo, el CN tiene muchas más ventajas. A continuación se nombran algunas
de ellas[2]:
- Reducción de los tiempos de ciclos operacionales. Las causas principales de
la reducción al mínimo de los tiempos superfluos son:
· Trayectorias y velocidades más ajustadas que en las máquinas
convencionales;
· Menor revisión constante de los planos y hojas de instrucciones.
· Menor verificación de medidas entre operaciones.
- Ahorro de herramientas y utillaje. El ahorro en concepto de herramientas
se obtiene como consecuencia de la utilización de herramientas más
universales.
17
- Mayor precisión e intercambiabilidad de las piezas.
- Reducción del porcentaje de piezas defectuosas.
- Reducción del tiempo del cambio de piezas.
- Reducción del tamaño del lote.
- Reducción del tiempo de inspección. Dado que la probabilidad de que se
produzcan piezas defectuosas dentro de una serie es menor, pueden
evitarse inspecciones intermedias entre ciclos.
Por supuesto, las MHCN también tienen sus inconvenientes. Los más reseñables
son:
- Gran inversión. Las MHCN cuestan entre tres y cinco veces más que las MH
convencionales.
- No son rentables para series pequeñas de geometría fácil. Este hecho está
directamente relacionado con el punto anterior. Una gran inversión
requiere una gran utilización de la máquina para que sea rentable. Por el
contrario, pueden resultar útiles para series pequeñas si la geometría es
muy complicada, como se puede observar en la Tabla 1.
- Elevado coste de mantenimiento. El sistema de control y mantenimiento es
más complicado, teniendo que contar con técnicos altamente cualificados.
COMPLEJIDAD GEOMÉTRICA
Baja Media Alta
TAMAÑO DE SERIE
Grande > 50.000 30.000 10.000
Media ~ 5.000 3.000 1.000
Pequeña < 500 150 50 Tabla 1. Conveniencia de la utilización de MHCN[6]
1.1.3.1 Descripción general de las MHCN
La introducción del CN en las MH no cambia la arquitectura, estructura, funciones,
etc. El único cambio es que el movimiento de los ejes se puede programar
Para que la MH sea capaz de guiar una herramienta a lo largo de una trayectoria
compleja, es necesario combinar el movimiento de varios ejes de forma simultánea.
Este movimiento simultáneo se define como Interpolación de los ejes en una MH.
Mediante lazos de control se regula cada instante para que la posición de la
herramienta sea la correcta. Se trata de un problema cinemático inverso, partiendo de
la trayectoria se calcula el movimiento de cada eje[7].
18
Figura 8. Ejemplo de trayectoria transformada en movimiento de tres ejes[7]
La estructura de una MHCN consta principalmente de: Dispositivo de entrada de
información, unidad de control principal, máquina herramienta, sistema motriz, lazo
de control y la unidad de visualización[8].
Figura 9. Esquema de una máquina-herramienta de control numérico
La información de entrada se puede introducir a la unidad de control principal por
varios medios o soportes. Varios ejemplos son CDs, DVDs, memorias USB, redes
internas o incluso se pueden dar las órdenes directamente sobre un teclado
perteneciente a la propia MHCN. Lo principal es la información que se manda, es decir,
el programa.
Como se ha comentado anteriormente, el programa es donde se recoge toda la
información del mecanizado y esta información es traducida al lenguaje entendible
para la unidad de control principal[8]. En la Figura 10 se pueden observar los distintos
aspectos que son controlados, entre los que destacan las cotas de posición,
velocidades o selección de la herramienta.
19
Figura 10. Esquema de un programa de control numérico
Antes de la escritura del programa las acciones a realizar son las mismas que en un
proceso convencional. Tenemos que tener la información geométrica, seleccionar
herramientas, utillaje, etc. La Figura 11 ilustra este hecho[6].
Figura 11. Procesos a realizar antes de la escritura del programa
La unidad de control principal es el corazón del sistema de CN. Existen dos
subsistemas dentro de ella: la unidad de procesado de datos (DPU, data processing
unit) y la unidad perteneciente al lazo de control.
La DPU interpreta el programa, calcula posiciones intermedias y realiza la
transformación de la trayectoria en movimientos de los ejes. Lo calculado pasa a la
unidad del lazo de control.
Los lazos de control ejecutan las consignas de la DPU, teniendo en cuenta la
información que le ofrecen los instrumentos de medida, y son los encargados del
20
movimiento de cada eje. En la Figura 12 se puede observar un ejemplo[7]. También
mandará instrucciones sobre lo que se señala en la Figura 9 como “Funciones
diversas”, es decir, lubricación, cambios de herramienta, etc.
Figura 12. Control de un eje mediante lazo cerrado
El sistema motriz es un importante componente de la MHCN y tiene gran influencia
sobre las características y prestaciones de la misma. Debe responder adecuadamente a
las instrucciones recibidas para mover la herramienta adecuadamente. Normalmente
está formado por motores eléctricos aunque en grandes máquinas pueden utilizarse
motores hidráulicos.
Por último, la unidad de visualización sirve como elemento de interacción entre la
MHCN y el operador, ya que le ofrece multitud de datos del mecanizado (posición,
velocidad, parte del programa ejecutado, etc.). Las MHCN más avanzadas poseen su
propia simulación de la mecanización, para probar el programa antes de ponerlo en
marcha.
1.2 Realidad virtual (VR)
La Realidad Virtual (Virtual Reality) es “una simulación generada por un computador
en un ambiente de tres dimensiones, en donde el usuario puede visualizar y manipular
el contenido de dicho ambiente”[9].
Alguna de las características de la VR es su respuesta dinámica en tiempo real.
Ésta produce una respuesta interactiva y multisensorial permitiéndole al usuario una
sensación lo más cercana a lo real. Esto resume las tres características que debe
poseer un sistema para que sea considerado realidad virtual: simulación (replicar el
objeto), interacción (debe poder ser controlado) y percepción (interactúa con los
sentidos).
La VR se puede clasificar en inmersiva y no inmersiva. La primera es aquella que se
da en un ambiente 3D con el cual los usuarios pueden interactuar a través de cascos,
21
guantes y otros accesorios para el cuerpo. En la VR no inmersiva el usuario interactúa
con el mundo virtual de manera más sencilla, con utilización de teclado y ratón.
Técnicamente hablando, la realidad virtual inmersiva es una interfaz avanzada que
permite experimentar de manera multisensorial una simulación computarizada de
manera interactiva y en tiempo real. Consta de equipamiento, instalaciones, software,
hardware y aplicaciones diseñadas para tal fin. En el proceso cognitivo asistido por esta
herramienta, resaltan dos factores principales: el aspecto sensorial en la percepción
del mundo virtual (la inmersión) y las formas de interacción del usuario con él. Son
aplicaciones de realidad virtual inmersiva aquellas que son experimentadas con varios
de nuestros sentidos, en especial la visión, la audición y el tacto. La calidad del sonido
tridimensional contribuye mucho a la sensación de inmersión[10].
El equipamiento necesario para la inmersión en el mundo virtual actualmente es
costoso, de ahí la importancia que tiene hoy en día la VR no inmersiva. Este enfoque
ofrece un nuevo mundo a través de una simple ventana de escritorio. Es más barato y
tiene probadamente mayor facilidad y rapidez de aceptación en los usuarios[11].
Figura 13. Augmented Reality Guiding Process de la empresa ARSoft [12]
Por otro lado, cabe destacar que en los últimos años está tomando fuerza la
llamada Realidad Aumentada, que consiste en añadir elementos virtuales al mundo
real. Esto produce que los objetos virtuales parezcan lo más reales posibles.
1.2.1 Aplicaciones en ingeniería
La realidad virtual tiene un gran potencial de aplicación en los sectores industriales.
Las aplicaciones se pueden agrupar en: Diseño, planificación y entrenamiento.
En lo que al diseño se refiere, la VR permite estudiar diversas alternativas antes de
proceder a la elección de una de ellas. Además, hay que tener en cuenta que el
proceso creativo depende de imágenes mentales. Con la VR, éstas pueden imponerse a
los usuarios y pueden ser compartidas entre ellos.
22
En la actualidad donde el diseño de los productos se realiza en su mayoría con
herramientas de CAD, la VR permite probar ese modelo en un entorno de realidad
virtual. Ahí el operador puede probarlo y estudiarlo sin llegar a construirlo. [13]
Por otro lado, mediante las simulaciones es posible ver el resultado de una
modificación de un sistema sin necesidad de implantarla físicamente, lo que supone un
ahorro de tiempo y dinero.
Figura 14. Desarrollo de una fábrica virtual por parte de Ford [14]
Por último, la realidad virtual permite que los profesionales perciban y se enfrenten
a situaciones sin poner en riesgo su seguridad ni la de los instrumentos utilizados. Un
ejemplo es el de los pilotos, a los que se les obliga a realizar sesiones periódicas de
simulación para recordar los procedimientos a seguir en caso de averías o
emergencias.
Como ejemplo práctico, Airbus puso en marcha en 2014 un proyecto para aplicar la
realidad virtual a la fabricación de aeronaves. Desde AERTEC Solutions (empresa que
llevará a cabo el proyecto) sostienen que “gracias a la realidad virtual se puede
digitalizar el “know how”” [15]. Por otro lado, en julio de 2015, Airbus ha firmado un
contrato de colaboración con la empresa española ARSoft dedicada al desarrollo de
Realidad Aumentada [16].
1.2.2 Alternativas de implementación
Los sistemas software son aquellos que permiten el desarrollo de alguna parte de la
experiencia de realidad virtual. Debido a la gran interdisciplinariedad que presentan las
aplicaciones de realidad virtual, todo su desarrollo se hace a partir del trabajo de
distintos expertos en ámbitos muy diversos. Desde diseñadores gráficos, hasta
ingenieros en electrónica, pasando por modeladores, programadores, etc. Esto da
23
lugar a una gran variedad de herramientas especializadas, muchas de las cuales no son
exclusivas del ámbito de la realidad virtual. Así pues, no existe un sistema software que
permita hacerlo todo, y por lo tanto a continuación se describen los tipos más
utilizados [17]
A parte de las herramientas generales de programación, como los códigos tipo C,
existen librerías de programación que son específicas de la realidad virtual y que
aportan una funcionalidad de modo que los desarrolladores no deben comenzar de
cero cada vez que quieren realizar un proyecto, ya que contienen ciertos elementos
que siempre aparecen en los entornos de realidad virtual. Estas librerías son
únicamente recomendables para programadores expertos, ya que no son fáciles de
usar. Destacan dos de ellas, el WorldToolkit (WTK) y el DIVE.
Otras herramientas son ellas mismas el lenguaje completo, como es el caso del
VRML (Virtual Reality Modelling Language). Este lenguaje permite definir experiencias
distribuibles a través de internet, contiene una filosofía multiplataforma que lo hace
muy versátil y su definición no obedece a intereses comerciales concretos ya que ha
sido definido por un consorcio de universidades, empresas, desarrolladores, etc.
A continuación se presentan algunos de los programas más utilizados en el campo
de la realidad virtual:
- Autodesk 3ds Max: Programa de creación de gráficos y animación 3D con
una arquitectura basada en plugins. Es uno de los programas de animación
3D más utilizados, especialmente para la creación de videojuegos o
películas.
- POV Ray (Persistence or Fision Ray-tracer): programa de raytracing, es decir,
un algoritmo para síntesis de imágenes tridimensionales, gratuito que
funciona en gran variedad de plataformas informáticas.
- Java 3D: Es una extensión estándar del JDK 2 de Java, que permite crear y
manipular geometrías 3D y estructuras para dibujar esta geometría.
- Virtools: Es una plataforma de desarrollo con un innovador acercamiento a
la creación de contenidos 3D. Se hablará más tendidamente del mismo en
el apartado 3.1.1
- VRML: Como se ha dicho anteriormente, es un formato de archivo
normalizado que representa escenas u objetos interactivos
- Maya: Es un software de animación en 3D que ofrece un conjunto de
funciones para realizar animación en 3D dentro de una plataforma de
producción sumamente ampliable.
24
2 La Fresadora KONDIA SEASKA
Se trata de uno de los centros de mecanizado de cinco ejes y columna móvil que
construía la empresa Kondia. La modificación de su diseño ha dado como resultado
otros dos centros de mecanizado de características similares: FIVE-400 y HM-1000-
FIVE.
El movimiento de balanceo de la mesa a la que va sujeta la pieza puede recordar al
de una cuna siendo mecida. De aquí el nombre de la misma, ya que “seaska” es “cuna”
en euskera.
Figura 15. Vista general de la fresadora Kondia SEASKA [18]
Antes de realizar la descripción de la fresadora Kondia SEASKA, se procede a realizar
una pequeña introducción a las máquinas herramienta de cinco ejes.
25
2.1 Introducción a las máquinas herramienta de 5 ejes
Se le llama eje a cualquier movimiento de la máquina controlado mediante control
numérico, considerándose distintos dos movimientos paralelos que sean controlados
de manera independiente.
Figura 16. Nomenclatura estándar de los ejes de una máquina herramienta [19]
Como se observa en la figura anterior, existen 9 ejes estándar:
- XYZ son ejes lineales, de los cuales Z está alineado con el husillo de la
herramienta
- ABC son los ejes de rotación de XYZ respectivamente
- UVW son lineales y paralelos a XYZ.
Por otro lado, hay que mencionar que esta nomenclatura no siempre es respetada
por los fabricantes.
Las máquinas de 5 ejes constan de los tres ejes lineales XYZ y dos ejes de giro.
Dependiendo de qué elemento sea el que realice los movimientos de giro, se
diferencian tres tipos de máquinas:
- Mesa/mesa. Los dos giros los realiza la mesa que sujeta la pieza.
- Cabezal/mesa. Un giro lo realiza la mesa, mientras que el otro permite que
la herramienta se incline
- Cabezal/cabezal. La pieza permanece con la misma orientación, mientras
que es la herramienta la que realiza los giros.
A continuación se muestra un ejemplo de cada tipo mostrando en cada caso el
“esqueleto” de la máquina o estructura cinemática. En ella se muestran los tres
elementos clave de una máquina -base, preforma (stock) y herramienta (tool)- y la
jerarquía de movimientos en cada eje.
26
Figura 17. Máquina vertical. Tipo mesa/mesa. Herramienta: X, Z. Pieza: Y, A, C [19]
En la Figura 17 se muestra una máquina con doble pivotaje y una traslación en la
mesa, mientras que la herramienta puede moverse en los ejes X, Z.
Figura 18. Máquina VH. Tipo cabezal/mesa. Herramienta: X, Z, A. Pieza: Y, C [19]
En la figura anterior, se muestra una máquina llamada VH (vertical y horizontal), es
del tipo cabezal/mesa y posee una flexibilidad excepcional además de gran rigidez.
27
Figura 19. Máquina vertical. Tipo cabezal/cabezal. Herramienta: Z, B, A. Pieza: Y, X [19]
En la Figura 19 se muestra una configuración cabezal/cabezal, comúnmente
conocida como “configuración de perfilado”. Estas máquinas suelen tener un rango de
giro limitado en contraposición con sus grandes recorridos en el plano horizontal.
2.2 Descripción general
La fresadora Kondia SEASKA es un centro de mecanizado vertical del tipo
mesa/mesa, como se puede apreciar en la Figura 20. Además se muestra que la mesa
contiene los movimientos de rotación, mientras que a la herramienta se le aplican los
movimientos de traslación por medio de una columna. De ahí el nombre de “columna
móvil”.
Figura 20. Vista del esqueleto de la fresadora Kondia SEASKA con su esquema cinemático [18]
28
El acoplamiento de la herramienta al motor que produce su giro puede ser directo o
por correa.
El acoplamiento directo de la herramienta permite una mínima transferencia de
calor del motor al eje, así como una gran capacidad de arranque de viruta y una alta
rigidez. Tiene una fuerza de amarre de 0,9 toneladas y la refrigeración a través del
husillo permite un arranque de viruta a gran velocidad.
La transmisión por correas posee una gran transmisión del par con una fuerza de
amarre de 0,8 toneladas.
Ambos tienen estabilización térmica gracias al doble circuito y están libres de
mantenimiento con grasa permanente a vida.
Figura 21. Acoplamiento directo de la herramienta
Figura 22. Transmisión por correas
Por otro lado, los movimientos en ejes X e Y se producen sobre guías rempladas y
rectificadas, lo que da una mucha rigidez y una muy buena absorción de vibraciones,
así como un control absoluto de inercias.
El eje basculante (giro respecto X) permite un giro de 175º, mientras que el eje
rotatorio (respecto a Z) dispone de giro continuo infinito. La combinación de ambos
movimientos, permiten el acceso a cualquier punto en el espacio.
Figura 23. Límites del giro basculante (eje A) de la fresadora Kondia SEASKA
29
Además, permite un posicionamiento continuo. Es decir, los 5 ejes pueden moverse
de forma continua y simultánea.
2.3 Prestaciones
A continuación se presenta una tabla con las características principales señaladas
por el fabricante[18].
MESA Área de trabajo 320mm (op. 400mm)
Altura de la mesa al suelo 885 mm
Distancia de la mesa al husillo 140 / 630 mm
Giro eje basculante +120º / -55º
Giro eje rotativo Velocidad eje basculante 20 rpm
Velocidad eje rotativo 60 rpm
Recorridos X 660 mm
Y 440 mm
Z 510 mm
Cabezal Cono del husillo principal ISO 40 / BT 40
Gama de velocidades 6.000/9.000/12.000/14.000 rpm
Opciones Consultar
Avance Avance rápido 48 m /min
Motor Cabezal 5,5/7,5 KW
op. 11/15 KW
op. 18 KW Cambiador Nº de herramientas 22 (Op. 40)
Automático de Máx htas contiguas 85mm
herramientas Máx htas alternas 135 mm
Máx longitud de herramienta 250 mm
Máx peso herramienta 6 kg
Tipo de selección Random
Tiempo de cambio (hta + hta) 1,8 seg
Tiempo de cambio(viruta + viruta) 4 – 8 seg
Peso aprox 6.700 kg
Prestaciones Precisión de posicionamiento P: 0,01 (ISO 230-2)
Repetitividad R: 0,008 mm
Resolución 0,001 Tabla 2. Fresadora Kondia SEASKA. Características técnicas
30
2.4 Elementos principales. Control
El controlador utilizado para las tareas de control numérico es el iTNC-530 de
Heidenhain[20].
El iTNC-530 es un control numérico multifuncional para el trabajo en taller que
puede ser utilizado para muchos tipos de máquinas, como por ejemplo: fresadora
universal o de alta velocidad, mecanizados de 5 ejes con cabezal o mesa basculante,
taladros, mandrinadoras y otros centros de mecanizado.
Figura 24. Vista del controlador iTNC-530 [21]
En el concepto de control universal, todos los componentes están conectados entre sí
por sistemas puramente digitales. Con ello, alcanza una elevada disponibilidad del
sistema completo, desde el ordenador principal hasta el aparato de medición. Todas
estas características garantizan máxima precisión y calidad superficial con velocidades
de desplazamiento altas.
El sistema posee una pantalla en la que se presenta toda la información necesaria
para la programación, el manejo y la comprobación del control y la máquina. Además,
durante la ejecución del programa, las visualizaciones de estado informan
puntualmente de la posición de la herramienta, el programa utilizado, los ciclos
activados, el tiempo de mecanizado, etc.
El teclado está orientado, principalmente, al proceso de programación. Esto lo
consigue mediante la división en distintos grupos de función como programación,
funcionamiento de la máquina, o funciones de gestión y ayuda.
31
Los diseños para las máquinas de 5 ejes se suelen elaborar externamente en
sistemas de CAM, los cuales contienen una gran cantidad de frases lineales cortas, que
se transmiten al control. Para que la pieza se corresponda con el programa generado
es necesario un guiado óptimo del desplazamiento, con el cálculo previo del contorno
y con los algoritmos para la limitación del retorno.
Además, el sistema es capaz de adaptar automáticamente la velocidad de la
herramienta al contorno de la pieza, pudiéndose programar con avance máximo y
dejando la labor de calcular las velocidades al controlador.
Los sistemas CAM producen los programas mediante postprocesadores que se
pueden generar incluyendo todas las coordenadas de todos los ejes de la máquina o
con vectores normales a la superficie. En los mecanizados de 5 ejes, la herramienta
puede permanecer perpendicular a la superficie o estar inclinada tanto en el plano de
avance (ángulo de ataque) como en el perpendicular a este (ángulo de inclinación).
Independientemente del tipo de programa introducido, se realizan los movimientos
necesarios en los ejes lineales para compensar los movimientos de los ejes
basculantes. Esto se realiza mediante la función TCPM (Tool Center Point
Management), que proporciona gran control de la herramienta y evita daños en los
contornos.
Figura 25. Ejemplo de modificación que realiza el TCPM [21]
Por otro lado, el controlador posee lo que el fabricante llama Mecanizado
inteligente. Se trata de una serie de funciones, como la supresión activa de vibraciones
(ACC) y la regulación adaptiva del avance (AFC), que proporcionan una gran eficiencia
dinámica, a lo que se le añade la monitorización dinámica de colisiones (DCM), que
32
permite al usuario estudiar las posibles colisiones que produciría el programa
introducido.
Otro aspecto a tener en cuenta es la minimización de tiempos de preparación de la
pieza, gracias a los palpadores 3D y al desplazamiento ultrasensible de los ejes.
Mientras que las funciones de programación en taller ofrecen multitud de
posibilidades en lo que a contornos 2D, que son los más habituales, se refiere. Esto
hace que sea una herramienta muy útil a la hora de mecanizar, no ciñéndose
únicamente a interpretar los comandos del programa creado mediante CAM.
Se puede encontrar más información sobre este y otros controladores en la web de
Heidenhain [22].
2.5 Modelización geométrica
2.5.1 Elementos principales y planos
Ante la imposibilidad de acceder a los planos de la fresadora Kondia SEASKA, se
realizó una modelización sencilla de los elementos que entran en juego a la hora del
mecanizado de una pieza. Con ello, se garantiza el cálculo de cualquier tipo de
interferencia entre la preforma y el centro de mecanizado.
En la figura siguiente se muestran los distintos elementos elegidos para realizar la
modelización en CATIA.
Figura 26. Componentes principales de la fresadora Kondia SEASKA
33
Primero se realizaron todos los elementos y a continuación se sitúan en un
“Assembly” con las restricciones de movimiento necesarias.
Se tuvieron en cuenta los datos que aparecen en la Tabla 3.
MESA Área de trabajo 320mm (op. 400mm)
Altura de la mesa al suelo 885 mm
Distancia de la mesa al husillo 140 / 630 mm
Recorridos X 660 mm
Y 440 mm
Z 510 mm Tabla 3. Medidas de la fresadora Kondia SEASKA
En la figura siguiente se presentan los distintos elementos de los que está formado
el ensamblaje final. Por otro lado, en el anexo E se pueden consultar los planos de las
siete piezas mostradas.
Figura 27. Elementos que conforman el modelo de la fresadora Kondia SEASKA
Con estas geometrías se procede a realizar el ensamblaje por medio de las
restricciones que sean oportunas.
34
2.5.2 Composición global
Para situar cada elemento en su sitio se utilizan principalmente 3 restricciones: el
contacto entre dos superficies, la coincidencia entre dos ejes y la distancia entre dos
superficies.
Primeramente, se fija la base (utilizando el comando Fixed Part) a partir de la cual se
irá construyendo la máquina. A continuación se coloca el soporte de la mesa
basculante, para ello se pone la restricción entre la superficie inferior del soporte y la
parte superior de la base. Este soporte está fijo, por lo que se añaden las distancias
desde las paredes de ambos elementos.
Por otro lado, para colocar las guías se obliga a que permanezcan en contacto las
superficies que forman los huecos de las guías, con los salientes realizados en la base
para este propósito. De esta forma queda libre el movimiento en el eje X.
Figura 28. Restricciones entre la base y el soporte de la mesa y las guías del movimiento en X
Los siguiente elementos a colocar serán la mesa basculante y la columna móvil. El
primero estará en contacto con la superficie vertical interior del soporte, y el eje del
semicírculo de su extremo será coincidente al de la circunferencia del soporte. Así
quedará el giro basculante como único grado de libertad.
La columna móvil, se coloca de forma similar a las guías que la soportan, utilizando
los huecos realizados en la misma para obligar el contacto entre superficie y permitir
únicamente el movimiento respecto el eje Y.
35
Figura 29.Restricciones entre: Soporte de mesa y mesa de balance. Guías en X y columna móvil
Por último, se sitúan la mesa rotatoria y el cabezal. Una vez más, se utiliza la
coincidencia entre superficies y ejes para permitir el giro de la mesa, mientras que la
coincidencia de dos superficies a modo de guías hacen depender las posiciones X e Y
del cabezal de los elementos que lo sujetan, dejando libre su movimiento vertical.
Figura 30. Restricciones entre: Mesa basculante y mesa rotatoria. Columna móvil y cabezal
36
3 Desarrollo basado en Visual Basic y Virtools
El funcionamiento es el siguiente: en la aplicación se carga un objeto con la
composición Virtools creada que se comportará igual que cualquier otro objeto de la
misma. A continuación, mediante una serie de métodos asociados se pueden
intercambiar datos entre la aplicación Visual Basic (VB) y el entorno Virtools.
Figura 31. Vista de la aplicación VB con la composición Virtools cargada (cuadro azul)
La aplicación nos sirve para procesar fácilmente el archivo de texto en el que está
escrito el código numérico. El diagrama de flujos sería el que se muestra en la figura
siguiente.
Figura 32. Diagrama de flujo de información de la aplicación
Como se explicará en el apartado 3.2, no se consiguió que la comunicación entre el
objeto Virtools y el programa de la aplicación fuera fluida, por lo que finalmente esta
opción no se terminó de implementar, mostrando solamente los movimientos lineales.
3.1 Modelización
Como se ha comentado, para la modelización del movimiento se ha utilizado el
software Virtools, así como el programa Visual Studio para crear la aplicación VB.
Además, para realizar el modelo geométrico en 3D de la fresadora, proceso que se
explica en el punto 2.5 del presente documento, se utilizó el programa CATIA.
37
A continuación se presentan los distintos programas que se han utilizado y el
trabajo realizado con ellos.
3.1.1 Virtools
Virtools es una gran colección de tecnologías para la visualización 3D. Estas
tecnologías se pueden agrupar en:
Aplicaciones de construcción, en las que no se pueden crear modelos, pero
sí elementos simples como cámaras, luces o “frames”, que ayudan a crear
las composiciones 3D.
Motor de comportamiento, que permite definir como se mueven los
elementos creados en la composición. Se realizan mediante diagramas de
bloques.
Motor de “renderizado”, que realiza las operaciones oportunas para mostrar
la imagen.
Reproductor (3D Office Player”, que únicamente sirve para mostrar una
composición una vez finalizada. Este reproductor es el que posee los
controladores ActiveX necesarios para la comunicación entre la aplicación
programada y Virtools.
Software de desarrollo (SDK), con el que se pueden programar distintos
comportamientos y modificar tanto el motor de comportamiento como el de
renderizado. Es una herramienta específica para programadores expertos.
3.1.1.1 Vistas y menús
A continuación (Figura 33) se presenta la vista general de Virtools y los distintos
menús. Se pretende únicamente realizar una presentación superficial del programa.
Para profundizar tanto en su interfaz como en su funcionamiento se recomienda leer
el manual de usuario [23].
Se puede observar que consta de una barra de menús en la parte superior de la
pantalla, similar a las aplicaciones de Windows, y el resto aparece dividido en tres
apartados. En ellos se puede situar cualquiera de las pestañas que se muestran,
simplemente arrastrándolas, para personalizar la vista a gusto del usuario en función
de sus necesidades.
38
Figura 33. Vista general de Virtools
A continuación se hará una breve descripción de lo que se puede encontrar en cada
una de las pestañas que se muestran, así como en la barra de menús.
Barra de menús
Como se ha dicho, es similar a la de cualquier aplicación de Windows. En ella podemos
encontrar los siguientes botones:
- File Menu: Opciones referentes al archivo como abrir, cerrar, guardar, exportar,
etc.
- Resources: Principalmente para importar o exportar recursos a la composición.
39
Figura 34. Pestañas File y Resources de la barra de menú de Virtools
- Editors: Para abrir los distintos administradores de elementos (pestañas).
- Options: preferencias generales y varias herramientas útiles para
configuración del interfaz.
- Help: Archivos de ayuda. Útiles para resolver dudas concretas acerca de un
determinado elemento.
Figura 35. Pestañas Editors, Options y Help de la barra de menú de Virtools
Virtools presenta unas pestañas principales al iniciar el programa, que son las que
se explican a continuación.
- 3D Layout: Donde se representa la imagen 3D en el centro y tiene una serie
de opciones en la barra izquierda. Se organizan por bloques y son los
siguientes (situados de arriba hacia abajo): de selección, de transformación,
de guías de referencia, de creación y de navegación. Situando el cursor
encima de cada elemento se puede observar la función de cada uno.
40
Figura 36. Pestaña 3D Layout de Virtools
- Building Blocks: Aquí se encontrarán todos los bloques disponibles para
hacer la programación. Están divididos por categorías e incluyen una breve
descripción.
Figura 37. Pestaña Building Blocks de Virtools
- Virtools Resources: Contiene una biblioteca de elementos incluidos por
defecto y que se pueden introducir a la composición.
Figura 38. Pestaña VirtoolsResources de Virtools
41
- Level Manager: Es el gestor de recursos de la composición. Aquí aparecen
todos los elementos de la misma junto a sus scripts (programa que controla
su comportamiento).
Figura 39. Pestaña Level Manager de Virtools
- Schematic: Ventana donde se programan los scripts mediante diagramas de
bloques.
Figura 40. Pestaña Schematic de Virtools
3.1.1.2 Generación de comportamientos
Como se ha comentado al principio del apartado 3.1.1, Virtools es una herramienta
para visualización 3D y no permite la creación de modelos.
Por ello se ha recurrido a dos programas distintos para realizarlo. Para la realización
del modelo se ha utilizado el CATIA, la construcción del modelo se detalla en el
apartado 2.5. Mientras que para realizar el escalado del modelo e importarlo a Virtools
se ha utilizado el 3ds MAX. Programa que contiene un Plug-in compatible con Virtools
y que permite exportar la composición de un modo simple.
Escalar el modelo es necesario, ya que Virtools tiene unos límites que son un cubo
de 200 unidades Virtools. Por otro lado, debe ser lo suficientemente grande como para
simular la precisión de la MH original, teniendo en cuenta que la unidad mínima de
Virtools es 0,0001. Según sus especificaciones, la tolerancia de posicionamiento es de
0,01mm.
42
Teniendo en cuenta que la máxima medida que aparece es el ancho de la base, que
mide 1314mm, se ha seleccionado una escala de 0,05 que como se muestra a
continuación cumple ambas condiciones.
Con esta escala, la tolerancia del modelo será:
La dimensión máxima será:
Esta escala se tendrá también en cuenta a la hora de posicionar los componentes o
de intercambiar información con VB.
Una vez que se tiene el modelo en Virtools, lo primero que se ha hecho es asociar
un frame a cada una de las piezas de las que está compuesta la composición. Un frame
es un punto con 6 grados de libertad (tiene asociado unos ejes que marcarán su
orientación). Esto se hace para poder sustituir cada una de las piezas, en caso de ser
necesario, sin tocar el resto de la composición o todo el comportamiento asociado a la
pieza que se sustituye. Únicamente habrá que asociar la nueva pieza al frame
correspondiente.
Una vez hecho esto, se realiza la construcción de las jerarquías. Esto es, ordenar
cada una de las piezas de modo que si una de ellas se mueve mueva las que estén
montadas sobre ella. Se suele hablar de “padres” e “hijos”. Si una pieza se mueve,
todos sus hijos lo harán con ella.
El modelo de la fresadora Kondia SEASKA consta de 7 piezas, de las cuales 5 se
mueven (cada una en su eje). Cada una de estas 5 piezas tienen un único movimiento,
pero se verán arrastradas por el movimiento de sus padres.
En las figuras siguientes se muestran las distintas piezas del modelo y el nivel que
tienen en la jerarquía.
Figura 41. Fresadora Kondia SEASKA en Virtools
Figura 42. Jerarquías del modelo en Virtools
43
En la pestaña Hierarchy Manager se pueden modificar las relaciones entre las
piezas. En este caso, cada letra tiene dos elementos. Uno es el frame, que tiene el
sufijo “_origen” y muestra una cruz como icono, y el otro es la pieza 3D, que viene
representada con un cubo.
Así, cada frame será el padre de su propia pieza 3D y de otros frames según
corresponda el movimiento.
Figura 43. Esquema de ejes y jerarquías de la fresadora Kondia SEASKA
En la Figura 43 se muestra un esquema que muestra la estructura cinemática de la
pieza y su correspondencia en su modelo en Virtools. Hay que tener en cuenta que el
sistema de ejes que utiliza Virtools es tal que XZ forman el plano horizontal, mientras
que Y es el plano vertical. Durante todo el apartado el sistema de ejes que se nombra
es el de la MH, es decir, el mostrado en la figura anterior.
La generación de movimientos se realiza mediante scripts asociados a los frames.
Los bloques, o Building Blocks (BB), tienen entradas y salidas de activación
(izquierda y derecha) y de información (arriba y abajo).
En el ejemplo de la Figura 44 se muestra el BB
que nos permite activar las salidas en función de
si un número (X) es mayor o menor que otros
dados. A su vez, en la salida de información
(abajo) se devuelve el número X o el valor de uno
de los límites, en función si estos se han
sobrepasado por exceso o por defecto.
Figura 44. Threshold Building Block
44
Este es solamente en ejemplo y se recomienda utilizar la ayuda para descubrir las
funciones y la configuración de los BB.
Los BB pueden ser agrupados en Behaviour Graphs (BG), lo que es muy útil a la hora
de realizar grandes configuraciones de bloques. Los BG pueden ser configurados para
que tengan tantas entradas y salidas, de accionamiento o información, como se
necesite.
A continuación se realiza una breve descripción del script asociado al frame
“E_origen”, que se mueve a lo largo del eje X.
En la Figura 45 se puede observar que el script está formado por 3 BG. El primero
comprueba si el movimiento se ha completado y en tal caso manda la información
correspondiente, el segundo es el que realiza el movimiento, mientras que el tercero
muestra la velocidad en dirección X de la herramienta a tiempo real.
En la Figura 46 se muestra el BG, que a su vez contiene distintos BG.
Figura 45. Script del movimiento en el eje X, perteneciente al frame E_origen
Figura 46. Mov X Behaviour Graph.
Para completar la ilustración, se muestra en la figura siguiente el contenido del BG
“Movimiento”. En él, además de distintos BB, se pueden observar bloques de
“operaciones de parámetros” como pueden ser tomar el valor absoluto o realizar la
división de un número. Estos bloques solamente contienen entradas y salidas de
información.
45
Figura 47. Movimiento Behaviour Graph
En la Figura 45 se muestran los 5 scripts de los que consta la composición. Tres de
ellos son de movimientos lineales (uno por cada eje), el cuarto es el que muestra la
posición de la herramienta y el quinto es el que intercambia la información con la
aplicación creada en Visual Studio.
La información numérica entre los distintos Scripts se intercambian utilizando
atributos y atajos (Shortcuts).
Los atributos se gestionan desde la pestaña Attribute Manager, cada uno está
asociado a uno o varios elementos de la composición (por ejemplo un frame) pudiendo
tener distintos valores para cada elemento. Es decir, si se crea un atributo LimSup, este
puede tener distinto valor dependiendo del elemento que lleve asociado. Esto se
puede observar en la Figura 48. Para cambiar el valor de un atributo en un script se
utiliza el BB “Set Attribute”, y se cambiará el atributo del elemento al que esté
asociado el script que lo contenga.
Figura 48. Atributo asociado a distintos frames con distintos valores.
Los atajos son elementos muy simples pero muy útiles. Se quiere utilizar el valor de
un parámetro en un mismo script sin tener que llevar una línea de unión, y también se
46
puede utilizar en distintos scripts. Para poner un atajo, hay que copiar el parámetro
(copy) y pegarlo como atajo (Paste as Shortcut). Los iconos que muestran un atajo son
los siguientes:
Representa que ese parámetro tiene un atajo asociado. Es el origen del atajo.
El valor del parámetro tiene origen en ese mismo script. Se puede encontrar
el origen utilizando la opción “Go to Shortcut Source”.
El valor del parámetro tiene origen en otro script distinto. Se puede
encontrar el origen utilizando la opción “Go to Shortcut Source”.
3.1.2 Visual Studio 2013
El Visual Studio es un entorno de desarrollo integrado para crear aplicaciones para
Windows, Android e iOS, además de aplicaciones web y servicios de nube.
A continuación se muestra una vista general del Visual Studio, donde se puede
apreciar el formulario realizado y distintas opciones que nos da el entorno.
Figura 49. Vista general del Visual Studio 2013
En el centro de la imagen está situado el formulario. Muestra el aspecto que tiene la
aplicación, y en él se pueden introducir multitud de elementos presentes en la Caja de
herramientas, tales como botones, cuadros de texto o ventanas adicionales como
puede ser considerado el objeto Virtools.
Cada uno de los objetos introducidos lleva asociado un código programable al que
se accede sin más que haciendo doble click en el propio objeto.
Para el proyecto se ha elegido el lenguaje de programación Visual Basic. Es un
lenguaje sencillo y muy intuitivo, por lo que se puede utilizar sin tener unos grandes
conocimientos de programación.
47
Figura 50. Vista general de la aplicación
En la figura anterior se pueden ver las distintas partes de la aplicación. El cuadro
principal sería el objeto Virtools, donde se aprecia el modelo y posee los
comportamientos explicados en el apartado anterior. A la derecha se muestran los
botones para seleccionar la composición, cargar el código de control numérico que se
desea simular y otro botón para comenzar la simulación (Leer). Además se añaden en
la parte inferior botones para reiniciar la composición y para salir de la aplicación.
En azul aparecen distintos cuadros de texto que se han utilizado para realizar
análisis de tiempos del programa.
3.1.3 Intercomunicación Virtools-Aplicación
El flujo de información es el mostrado en la Figura 32. Visual Basic procesa el
archivo de texto y envía a Virtools la información requerida para el movimiento, más
concretamente, manda la posición final a la que debe llegar la herramienta y el vector
velocidad correspondiente. Mientras que Virtools manda la información de la posición
de la herramienta cuando ha finalizado la instrucción recibida.
3.1.3.1 Envío de información Visual Basic Virtools
Para poder enviar mensajes desde VB a Virtools, una vez cargada la composición en
la aplicación, hay que usar los siguientes métodos en el programa [24]
- BroadcastMessage (NombreMensaje)
Crea el mensaje, cuyo nombre será el de la variable NombreMensaje.
-AttachParamToMessage (Texto)
Se adjunta al mensaje la cadena de texto contenida en la variable Texto.
48
-AttachIntParamToMessage (Nentero)
Se adjunta al mensaje el número entero contenido en la variable Nentero.
-AttachFloatParamToMessage (Nreal)
Se adjunta al mensaje el número real contenido en la variable Nreal.
-ValidateMessageWithParams ( )
Se envía el mensaje con los parámetros adjuntos.
Los parámetros llegarán en el mensaje según el orden que se hayan introducido en
la programación, por lo que es muy importante tenerlo en cuenta.
Para que el mensaje sea recibido por la composición Virtools, esta tiene que tener
un script con los siguientes BB:
Wait Message, activa la salida (out) si el mensaje recibido es el señalado en “Message”
Figura 51. Wait Message BB
Get Message Data: Puesto a continuación de “Wait Message” obtiene los parámetros adjuntos al mensaje que se pueden utilizar en el resto del Script mediante las variables de salida del BB
Figura 52. Get Message Data BB
El bloque “Wait Message” permanece a la espera de un mensaje. Cuando llegue un
mensaje a la composición cuyo nombre coincida con el especificado en su parámetro
de entrada, se activará la salida, que activará el siguiente bloque que será un “Get
Message Data”, el cual permite obtener los parámetros adjuntos al mensaje, que
saldrán como parámetros de salida y podrán ser utilizados en bloques posteriores.
En la Figura 53, se muestran ambos BB, en los que se puede apreciar que el
mensaje que tiene que llegar es “POSICION” y que el mismo contiene 10 parámetros
asociados (5 posiciones y 5 velocidades). También se puede observar que se han
utilizado atajos para usar esos valores en los diferentes scripts. El primer elemento de
salida de información indica el componente que envía el mensaje (sender) y viene
indicado con una S. En este caso se aprecia perfectamente, ya que no tiene ningún
atajo asociado.
49
Figura 53. Script en el que se recibe el mensaje enviado por VB
3.1.3.2 Envío de información Virtools Visual Basic
Cuando la composición termina de realizar el movimiento indicado, esta tiene que
dar conocimiento a VB. Para ello se manda un mensaje utilizando el BB “Fire Virtools
Event”. Este consta de dos elementos de entrada. El primero es el nombre del mensaje
y el segundo será un dato asociado. Ambos serán cadenas de texto (string).
Figura 54. Fire Virtools Event Building Block
En este caso, el nombre del mensaje es TERMINADO y el dato era la posición de la
herramienta, dada por un vector convertido a cadena de texto (esta transformación la
realiza Virtools automáticamente).
Para recibir el mensaje en VB hay que introducir en el programa el “VirtoolsEvent”,
que se puede encontrar dentro de los eventos que contiene el objeto Virtools
introducido en el formulario. Este evento lleva asociada una subrutina, en la cual hay
dos elementos principales: “e.eventName” y “e.eventData”.
Cada vez que Virtools manda un mensaje, estas dos variables toman los valores del
nombre y los datos enviados. Así, se puede introducir una condición en función del
nombre del mensaje para asociar a ella las acciones requeridas. A continuación se
muestra un ejemplo extraído directamente de la aplicación. La subrutina solamente
realizará alguna acción si “e.eventName” es RECIBIDO o TERMINADO, y la acción será
distinta en cada caso.
Private Sub AxXEPlayer1_VirtoolsEvent(sender As Object, e As AxXEPlayerActiveX._IXEPlayerEvents_VirtoolsEventEvent) Handles AxXEPlayer1.VirtoolsEvent Select Case e.eventName Case "RECIBIDO" Momento = Date.Now.ToString("ss,fff") PosReport = PosReport & "Recibido" & vbTab & Momento & vbCrLf Case "TERMINADO" VectorTerminado = e.eventData.Split(",") terminado = 1 End Select
End Sub
50
3.2 Utilización
Como se verá en el apartado 3.3, únicamente están integrados los movimientos
rectilíneos G0 y G1. Para ver la simulación de estos movimientos hay que seguir los
siguientes pasos una vez abierta la aplicación:
1. Puslar el botón “Abrir .cmo” y elegir la composición Virtools que corresponda.
Figura 55. Primera vista de la aplicación VB una vez abierta
2. Pulsar “Cargar CN” y elegir el archivo de texto que contenga el código de control
numérico. Esto activará el botón “Leer”, que hasta ahora permanecía gris.
Figura 56. Vista de la aplicación VB después de cargar el modelo Virtools
3. Pulsar el botón “Leer” y comenzará la simulación.
Figura 57. Aplicación VB con la composición Virtools y el archivo de CN cargados.
51
4. Una vez terminada la simulación, se pueden ver tiempos de funcionamiento en
los cuadros azules. Estos tiempos se utilizan para estudiar el comportamiento
del programa y se presentan en el apartado 3.3. Funcionamiento.
Figura 58. Aplicación VB con la simulación finalizada
Para realizar otra simulación, basta con pulsar el botón Reset y volver a seguir los
mismos pasos.
3.3 Funcionamiento
La programación de VB consta de 13 subrutinas, de las cuales las 5 recuadradas son
las que intervienen en el movimiento, mientras que en Virtools hay 5 scripts, de los
cuales todos, excepto Mostrar_posicion, intervienen en el movimiento.
Figura 59. Subrutinas del programa VB
Figura 60. Scripts de Virtools
Momento en el
que lee la línea
de CN
Momentos de
Envío, Recibido
y Terminado
Tiempo que debería
durar cada movimiento
(distancia / velocidad)
52
Una vez abierta la aplicación e iniciado el programa de leer el código de control
numérico, el funcionamiento es el mostrado en la Figura 61.
En ella se muestran en los cuadros en azul con las esquinas redondeadas las
distintas subrutinas que entran en acción cuando se mueve la MH y en rojo con las
esquinas en ángulo los scripts de Virtools. Las flechas indican la llamada desde una
subrutina o script a otro, siendo negras las que pasan de la aplicación VB a Virtools o
viceversa.
Figura 61. Diagrama de funcionamiento de subrutinas y scripts.
Una vez implementados los movimientos rectilíneos G0 y G1 se probó la aplicación
y se vio una clara falta de fluidez entre los movimientos. Es decir, una vez comenzado
53
el movimiento rectilíneo, este es continuo, pero desde que un movimiento termina
hasta que empieza el siguiente la herramienta permanece en el sitio un tiempo
bastante apreciable. Este hecho hace que la simulación no sea la deseada. Por ello se
realizó un estudio de tiempos introduciendo en la programación la instrucción
Date.Now.ToString("ss,fff") que devuelve el tiempo hasta los milisegundos.
Para la realización del estudio, se introdujo la instrucción inmediatamente después
de leer la línea del código de control numérico, así la diferencia entre una lectura de
línea y la siguiente será el tiempo utilizado en ese movimiento. Con la comparación de
estos tiempos se pretendía encontrar un patrón que se repitiera para poder solucionar
la lentitud del proceso.
El programa introducido (G0-G1_plus.txt) para el estudio es el siguiente:
1 N10 G0 G97 X330 Y220 Z510 F80 S1000 T1 M03 2 N20 G0 X-330 3 N10 G0 G97 X31 Z0.6 F50 S1000 T1 M03 4 N20 G1 X0 5 N30 G0 X32 Z2 6 N30 G0 Y32 Z2 7 N40 G0 X40 Z50 8 N50 G1 Y10 Z-1 F10 9 N60 G1 X10 Z-11 F100 10 N40 G0 X40 Z50 11 G91 G1 Y20 F200 12 G91 G1 Z20 F200 13 G90 G1 X230 F250 14 N30 G0 Y-220 15 N40 G0 Z0.5 16 N50 G1 X10 Z5 F80 17 N60 G1 Y10 Z26 18 N70 G2 X14 Z10 I5 K0 19 N80 G1 Y14 Z69 F100 20 N50 G0 X330 Y220 Z510 21 N60 G0 Z0 22 N90 G3 X20 Y31.126 I-3 K-5.196 23 N100 G1 X20 Y200 Z50 24 N110 G1 X25 Y100 Z100 25 N120 G1 X30 Z42 26 N60 G0 X0 27 N70 G0 Y0 28 N80 G0 Z200 29 M30
Se han numerado las líneas para la nomenclatura posterior de los gráficos
Se realizan 10 ejecuciones seguidas del código (tomando los datos y pulsando el
botón Reset después de cada ejecución) y, primeramente, se observan los tiempos
totales.
54
Figura 62. Tiempos totales de 10 ejecuciones del programa G0-G1_plus.txt
Lo primero que se observa es la gran diferencia entre unas ejecuciones y otras. Esto
hace indicar que puede haber una cierta aleatoriedad en el comportamiento de la
aplicación. Para realizar un análisis más a fondo, se tomaron los tiempos de ejecución
de cada línea del código de CN. Se pueden ver los distintos tiempos en la Figura 63.
En el eje horizontal aparecen cada una de las instrucciones del código del CN,
mientras que el eje Y señala el tiempo, en segundos, que transcurre desde que la
aplicación lee esa línea hasta que lee la siguiente.
En la leyenda se pueden observar las 10 ejecuciones, desde ej1 hasta ej10.
El área azul claro (Treal) es el tiempo que debería tardar la herramienta en realizar el
movimiento, es decir, la distancia que debe recorrer entre la velocidad de
desplazamiento (ya que son desplazamientos rectos).
En amarillo se ha hecho una envolvente de los tiempos máximos, mientras que en
negro se muestra la envolvente mínima. Esta última casi no se aprecia, ya que la
diferencia con el área Treal es muy pequeña.
Los movimientos G2 y G3 no están programados. Si aparecen se salta esa línea, por
ello el tiempo es cero.
Figura 63. Gráfico de tiempos de cada línea de código
55
Lo que se puede concluir de este gráfico es que no hay ninguna instrucción en
concreto que sea especialmente lenta. Basta con seguir cualquiera de las ejecuciones
para ver este hecho.
Comparando la envolvente máxima y los tiempos de movimiento (Treal) de las
ejecuciones (Figura 64), se puede concluir que la lentitud del proceso es
independiente del tiempo empleado en realizar movimiento en sí. Todas las
instrucciones (excepto las que no generan movimiento, G2, G3, M30) tienen más de un
segundo de diferencia en alguna ocasión.
Figura 64. Diferencias entre la envolvente máxima y Treal de las 10 ejecuciones de G0-G1_plus.txt
Como se ha visto en el esquema de la Figura 61, entre la lectura de una instrucción
y la siguiente se realizan distintos procesos. Para realizar en distintas fases del proceso
se incluyeron toma de tiempos en distintos lugares de la aplicación de VB.
Los datos de estos dos últimos gráficos se pueden consultar en el Anexo A.
Se toma el mismo programa de control numérico que anteriormente, pero se
eliminan las instrucciones G2 y G3, para que la visión del conjunto sea más clara. Se
realiza una ejecución del mismo para el estudio descrito a continuación.
1 N10 G0 G97 X330 Y220 Z510 F80 S1000 T1 M03 2 N20 G0 X-330 3 N10 G0 G97 X31 Z0.6 F50 S1000 T1 M03 4 N20 G1 X0 5 N30 G0 X32 Z2 6 N30 G0 Y32 Z2 7 N40 G0 X40 Z50 8 N50 G1 Y10 Z-1 F10 9 N60 G1 X10 Z-11 F100 10 N40 G0 X40 Z50 11 G91 G1 Y20 F200 12 G91 G1 Z20 F200 13 G90 G1 X230 F250 14 N30 G0 Y-220 15 N40 G0 Z0.5 16 N50 G1 X10 Z5 F80 17 N60 G1 Y10 Z26 18 N80 G1 Y14 Z69 F100 19 N50 G0 X330 Y220 Z510
56
20 N60 G0 Z0 21 N100 G1 X20 Y200 Z50 22 N110 G1 X25 Y100 Z100 23 N120 G1 X30 Z42 24 N60 G0 X0 25 N70 G0 Y0 26 N80 G0 Z200 27 M30 28 EndOfStream (La aplicación detecta el final del documento y lo cierra)
Los instantes que se consideraron en la toma de tiempos fueron los siguientes:
1. Leer: La aplicación VB lee la línea del .txt
2. Envío: La aplicación VB envía la información a Virtools
3. Recibido: Virtools recibe el mensaje y manda un VirtoolsEvent de forma
inmediata. El momento mostrado es en el que la aplicación VB recibe ese
VirtoolsEvent. Este evento Virtools se añade únicamente para ver el tiempo
que transcurre entre que el mensaje va y vuelve, no tiene aplicación en el
movimiento y por ello no aparece en la Figura 61.
4. Mov Terminado: La aplicación VB recibe el VirtoolsEvent con la nueva
posición después de que el movimiento haya acabado.
El funcionamiento deseado daría como resultado que los tres primeros puntos
(Leer, Envío, Recibido) son instantáneos, y por lo tanto indistinguibles en el gráfico
siguiente, y desde el punto 3 al 4 transcurre el tiempo que la herramienta se ha estado
moviendo.
Figura 65. Estudio de tiempos de envío y recepción de información entre VB y Virtools
57
En la Figura 65 se observan, para cada instrucción, los 4 momentos indicados. Así se
puede ver como los momentos Leer y Envío suceden siempre en el mismo instante, ya
que todas las señales verdes están superpuestas en las negras. Lo mismo ocurre
cuando la aplicación VB recibe el evento de “Movimiento terminado”, el desfase entre
ese instante y la lectura de la siguiente línea es inapreciable o incluso nulo, ya que se
sitúan en la misma horizontal. Los datos numéricos se pueden consultar en el Anexo B.
No sucede así con los instantes de Envío y Recibido. Se han señalado con cuadros
naranjas tres ejemplos en los que entre un momento y otro transcurren más de tres
segundos. Para comprobar que la secuencia entre uno y otro no puede ser más simple,
se muestra a continuación:
1. Envío del mensaje desde VB a Virtools. Subrutina Posicion()
A continuación se muestran las líneas de código necesarias para
crear el mensaje, introducir los datos y enviarlo. La variable
“Momento” toma la hora y la variable “PosReport” la almacena para
mostrarla después en el cuadro de texto.
Me.AxXEPlayer1.BroadcastMessage("POSICION") Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(X) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Y) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Z) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(A) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(C) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Vx) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Vy) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Vz) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Va) Me.AxXEPlayer1.AttachFloatParamToMessage(Vc) Me.AxXEPlayer1.ValidateMessageWithParams() Momento = Date.Now.ToString("ss,fff")
PosReport = PosReport & "Envío" & vbTab & Momento & vbCrLf
2. Recepción del mensaje en Virtools y envío del evento Virtools
Figura 66. BBs para la recepción del mensaje POSICION y el envío del evento Virtools RECIBIDO
3. Recepción del evento Virtools y toma de tiempo
Se recibe el evento y se comprueba el nombre “RECIBIDO”. En ese
caso, se toma el dato del tiempo igual que en el caso anterior.
Private Sub AxXEPlayer1_VirtoolsEvent(sender As Object,… Select Case e.eventName Case "RECIBIDO" Momento = Date.Now.ToString("ss,fff") PosReport = PosReport & "Recibido" & vbTab & Momento & Case "TERMINADO" VectorTerminado = e.eventData.Split(",") terminado = 1
End Select
58
Con los datos de la Figura 65 se puede descartar que el problema esté en la
aplicación de VB, ya que cuando esta se ejecuta y no hay intercambio de información
con Virtools los tiempos son correctos.
Las siguientes opciones son que falle el programa de Virtools o la comunicación VB
con Virtools.
Para comprobar cuál de las dos es la problemática (o ver si son ambas), se recurre a
introducir un texto en la programación Virtools. El texto será verde y con la indicación
“TERMINADO” cuando el movimiento rectilíneo de una instrucción haya finalizado y el
evento Virtools se haya mandado, mientras que el texto será naranja y con la palabra
“RECIBIDO” cuando Virtools reciba el mensaje POSICION de VB. Es una forma
cualitativa de conocer en qué momento llega el mensaje a Virtools, se opta por esta
opción por si sencillez.
Figura 67. Programación de los textos TERMINADO y RECIBIDO en Virtools
En un funcionamiento correcto, una vez que la aplicación comienza a leer el código
de control numérico, el movimiento de la pieza debería ser continuo y el texto
RECIBIDO debería estar siempre visible salvo fracciones muy pequeñas de tiempo que
cambiaría al texto TERMINADO (entre una instrucción y otra) y que serían casi
imperceptibles. Una vez completados todos los movimientos del archivo CN, se
mostraría TERMINADO.
Figura 68. Textos TERMINADO y RECIBIDO introducidos en Virtools
En la Figura 68 se muestran los textos descritos en el centro de la imagen. Se puede
comprobar que en el caso de TERMINADO (izquierda) las velocidades que se muestran
en rojo en la parte superior izquierda son nulas, mientras que en el caso RECIBIDO
(imagen derecha) las velocidades son distintas de cero.
59
Se comprueba que en el mismo instante que aparece RECIBIDO la herramienta se
mueve, mientras que cuando esta se para, aparece TERMINADO. Como el cambio de
texto se realiza después de haber recibido o mandado la información, se puede
concluir que el programa de Virtools no hace más lento el proceso.
3.4 Conclusiones y posible solución
Con los datos relatados en el apartado 3.2, se puede comprobar como lo que
produce la lentitud de la ejecución es el envío o la recepción de información por parte
de VB, un estudio más en profundidad podría aclarar si el problema está en una de
esas acciones o en ambas. En cualquier caso, las dos son necesarias para el
funcionamiento de la aplicación, por lo que el problema es inevitable.
Por otro lado, cabe recalcar que tanto el programa VB y el creado en Virtools, por
separado, funcionan correctamente.
Después de lo visto anteriormente, una posible solución sería crear un programa
enteramente con Virtools. Esta opción se descarta debido a que la gran cantidad de
trabajo que supondría sobrepasar por mucho el tiempo razonable a dedicar en un
Proyecto de fin de carrera.
60
4 Desarrollo basado en CATIA v5
Como alternativa de simulación al desarrollo explicado en el punto anterior, se
estudió la utilización de CATIA v5, ya que contiene unos módulos de mecanizado y
simulación que permiten realizar programas completos de mecanizado de una pieza y
su posterior visualización asignando un máquina de control numérico.
Figura 69. Módulos de mecanizado y simulación del mecanizado en CATIA v5
Viendo las distintas opciones que ofrece el programa, se decide realizar los
siguientes pasos:
1. Modelización de la máquina Kondia SEASKA para su utilización en CATIA
2. Creación de una pieza que muestre las posibilidades de la máquina creada y
hacer su programa de mecanizado.
3. Simular el programa de mecanizado y estudiar los resultados.
Los módulos de mecanizado permiten programar las funciones necesarias para
conseguir la pieza diseñada en CATIA en función de la máquina que se elija. Esta puede
ser un torno (Lathe Machining), una fresadora típica de tres ejes (Prismatic Machining),
centros de mecanizado de varios ejes (Surface Machining), o incluso la utilización de
impresoras 3D (STL Rapid Protopyping) [25].
Por otro lado, se puede construir una máquina de control numérico (NC Machine
Tool Builder) que permita una simulación de la fabricación de la pieza (NC Machine
Tool Simulation).
A lo largo de este capítulo se explicará la construcción de la fresadora Kondia
SEASKA partiendo de la modelización realizada anteriormente (capítulo 2.5), así como
61
la programación de un programa de mecanizado partiendo de una pieza que permita la
mostrar todas las posibilidades que ofrece una fresadora de 5 ejes.
Por último, se mostrarán las herramientas de análisis que permiten estudiar el
resultado del programa realizado: tiempos de mecanizado, estudio de colisiones o
diferencia entre la pieza resultante y el diseño realizado.
4.1 Modelización
Lo primero que se realiza es tanto la construcción de la máquina como el diseño de
la pieza a mecanizar.
4.1.1 Construcción de la máquina
Se van a señalar todos los pasos realizados para la realización de la máquina
partiendo del Assembly del apartado 2.5.
Lo primero será situar los elementos de la máquina en el que queramos que sea el
punto de origen de la máquina, en el que todos los ejes están a cero. Es posible
modificar estos valores más adelante, pero resulta más sencillo si se sitúa desde un
principio.
En este caso, lo que se hace es situar los planos verticales del cabezal, cuyo origen
del elemento está donde se situaría la herramienta, coincidentes a los planos de la
mesa rotatoria. El plano del cabezal donde irá la herramienta se sitúa a 600 mm del
plano horizontal de la mesa rotatoria. El punto más alto está situado a 630 mm de
esta.
El siguiente paso es crear un mecanismo utilizando las restricciones ya realizadas.
Para ello, se utilizará la opción Assembly Constrains Conversion, que se encuentra el
módulo DMU Kinematics.
Figura 70. Assembly Constrains Conversion en el módulo DMY Kinematics
En la ventana aparece la opción de crear un nuevo mecanismo, así como el número de
restricciones “no solucionadas”, en este caso 6 de 6. Puede ser que la ventana que
aparezca primeramente solamente muestre la parte superior y no el completo que
62
aparece en la Figura 71, únicamente hay que pulsar el botón “More >>” para ver las
opciones avanzadas.
Las 7 restricciones no solucionadas corresponden a las parejas de elementos que
interactúan entre sí por medio de las restricciones. Además, en la parte inferior
aparecen los elementos que han sido fijados (utilizando la opción Fixed part”), en este
caso aparece un único elemento que es la base.
Figura 71. Ventana del menú de Assembly Constrains Conversion
Para cada par de elementos, aparecen las restricciones en la lista “Constrains list”.
Dependiendo de las restricciones que se marquen, cambiará el tipo de unión (utilizar la
tecla Ctrl para la selección múltiple). En la figura siguiente se pueden ver las distintas
uniones resultantes de las coincidencias de dos puntos, dos planos y del conjunto de
ambas.
Figura 72. Tipos de uniones en función de las restricciones seleccionadas
63
La pareja de elementos que no hay que convertir en unión será la que relaciona el
cabezal con la mesa rotatoria, ya que estas restricciones eran únicamente para situar
la máquina.
Una vez seleccionadas las restricciones se pulsa Create Joint y esta aparecerá en el
árbol de la izquierda. También hay que seleccionar una parte fija sobre la que se
sostendrá el mecanismo (Create fixed part).
En la Tabla 4 se muestran todas las restricciones seleccionada en cada par de
elementos.
Elemento 1 Elemento 2 Restricción 1 Restricción 2 Unión Nombre
M rotatoria M basculante Superficies Punto Revolución Eje C
M basculante Soporte Superficies Ejes Revolución Eje A
Soporte Base Superficies 2 distancias Fija Fija
Base Guías eje X Superficies Superficies Prismática Eje X
Guías eje X Columna Superficies Superficies Prismática Eje Y
Columna Cabezal Superficies Superficies Prismática Eje Z Tabla 4. Listado de uniones entre elementos para la creación del mecanismo
Una vez creadas todas las uniones y la parte fija, en el árbol aparecerá tanto el
mecanismo como todos sus componentes. Además, se muestra el número de grados
de libertad (DOF = 5).
Figura 73. Árbol del mecanismo SEASKA_mech
64
Las uniones también se pueden realizar una por una mediante los botones de la
ventana Kinematic Joints, para lo cual no es necesario tener hechas las restricciones,
ya que creará unas nuevas en función de la unión elegida.
El siguiente paso es hacer que cada una de las uniones pueda ser manejada por la
máquina de CN. Haciendo doble click en cada una de las uniones aparecerá el menú
presentado en la Figura 74.
Figura 74. Ventana de edición de la unión responsable del eje C
Una vez pulsada la opción Angle driven, habrá que señalar los límites de la unión. En
este caso, como el eje C no está limitado, se han introducido valores muy altos. En los
demás casos, se introducen los valores que aparecen en la Tabla 2.
Nombre Límite inferior Límite superior
Eje C -1e+10 deg -1e+10 deg
Eje A -55 deg 120 deg
Eje X -330 mm 330 mm
Eje Y -220 mm 220 mm
Eje Z -480 mm 30 mm Tabla 5. Límites de movimiento de la fresadora Kondia SEASKA
Además, aparecerá una flecha azul sobre los elementos a los que se refiere la unión
señalando el sentido positivo del movimiento. Haciendo click sobre ella se cambia este
sentido.
Cada vez que se realice esta acción, se añade un comando al árbol y cuando se
introducen tantos comando como grados de libertad tenía el mecanismo aparecerá el
mensaje “El mecanismo puede ser simulado”. Así mismo, el número de grados de
libertad será nulo.
65
Figura 75. Lista de los 5 comandos que manejan la fresadora Kondia SEASKA
En la ventana de Mechanism Analysis se pueden ver todos los datos del mecanismo.
Figura 76. Ventana Mechanism Analysis del mecanismo de la fresadora Kondia SEASKA
Además, utilizando Simulation with comands se puede comprobar el
funcionamiento del mecanismo.
Figura 77. Kinematics Simulation - SEASKA_mech
66
Hasta aquí se ha utilizado únicamente el módulo DMU kinematics. Una vez acabado
el mecanismo, se utiliza el módulo NC Machine Tool Builder.
Lo siguiente será crear el punto inicial de la máquina (Home position). Se pueden
crear tantos como se necesiten. Así, cada vez que se simule un movimiento, después
se puede seleccionar la posición inicial.
Figura 78. Creación de la posición inicial de la fresadora Kondia SEASKA en CATIA v5
Lo siguiente será crear el punto de montaje de la herramienta y de la pieza.
Pulsando Create Mount Point aparecerá el menú para la creación de los puntos
descritos.
El proceso es simple, se elige nuevo “Tool Mount Point”, se escribe el nombre y a
continuación se sitúa el “compás” en el punto y la orientación que se desee
arrastrándolo por el punto rojo del mismo.
En este caso, se suelta sobre el borde de la circunferencia inferior del cabezal y
CATIA, automáticamente, lo sitúa en el centro de la misma. Si se desea cambiar los
parámetros angulares, es más fácil hacerlo en la ventana “Set Location”.
Figura 79. Crear el punto de montaje de la herramienta. NC Machine Tool Build
67
Para crear el punto de montaje
de la pieza se realiza exactamente
igual, solo que pulsando WorkPiece
Points. Este será el punto de
referencia que habrá que situar en
la pieza que se quiera de mecanizar
para que esta se coloque
automáticamente en la máquina
utilizando la opción Workpiece
Automatic Mount.
Por último se selecciona la posición de la máquina para el cambio de herramienta
pulsando el botón Tools Change position.
En este caso se mantiene la posición de origen (todos los desplazamientos nulos),
pero en las opciones “Applicative frame” se desactivarán los ejes giratorios (C, A). Así,
cuando se produzca un cambio de herramienta, el cabezal volverá a la posición inicial,
pero la mesa que guía la pieza no irá automáticamente a la posición de giro nulo.
Figura 81. Modificar la posición del cambio de herramienta. NC Machine Tool Builder
Figura 80. Punto de montaje de pieza
68
Los límites que aparecen son los introducidos en el mecanismo. Estos se pueden
modificar, siempre que introduzcamos unos más restrictivos, en la opción Travel limits.
Además, se pueden señalar las dimensiones de las “zonas de peligro” (caution zone),
que servirá como límite en alguno de los análisis posteriores.
Figura 82. Ventana para modificar los límites de movimiento. NC Tool Machine Build
Por último, se pueden seleccionar los límites de velocidad y aceleración de cada eje.
Los mismos se muestran en la Figura 83. Ante la imposibilidad de encontrar los valores
exactos de aceleración de la SEASKA, se ha optado por poner valores de máquinas
similares, como se puede ver en la referencia [26].
Figura 83. Velocidades y aceleraciones máximas. NC Machine Tool Builder
La máquina está finalizada. Se puede comprobar los movimientos utilizando la
ventana Jog Mecanism (Figura 84), donde aparecen los ejes y los límites de cada uno.
69
Figura 84. Jog Mechanism en la fresadora Kondia SEASKA. NC Machine Tool Builder
4.1.2 Pieza a mecanizar
Como pieza a mecanizar se ha realizado un compresor con seis álabes primarios y
seis secundarios. Realmente no representa ningún elemento real, si no que se ha
pensado como pieza de muestra de un mecanizado complejo, en el que se pueda
apreciar el potencial del centro de mecanizado y de la programación en CATIA v5.
Se crean varios cuerpos (Bodies) distintos para que posteriormente unos formen la
pieza diseñada y otros sean la preforma de partida.
En la Figura 85 se muestra de manera muy general el proceso de creación de la
pieza. Primero se crearon las formas más simples, el Tocho_1, en amarillo; el Tocho_2,
en rojo; y el Cono, la primera imagen (parte superior izquierda) de la Figura 85, que
servirá como base para colocar los álabes.
Sobre la base y la superficie roja se crean unas curvas Spline. A continuación se
rellenan y a la superficie resultante se le da un espesor de 2mm a cada lado. Copiando
ese elemento creado 6 veces con un desfase de 60º respecto al eje vertical se obtienen
los álabes principales, que están contenidos en el Body Blades_1.
Se repite la misma operación para crear unos álabes algo más pequeños entre los
principales. Con ello, tenemos acabada la pieza.
La preforma tiene un diámetro de 350mm y una altura de 210mm.
70
Figura 85. Pieza a mecanizar con la preforma de partida en amarillo transparente
En este caso se ha realizado la preforma con geometría CATIA, pero existe la
posibilidad de introducirla mediante un archivo STL. Este es un archivo típico de CAD
que define geometrías excluyendo color, texturas o propiedades físicas. Es el tipo de
archivo que se obtiene después de la simulación con eliminación de material explicada
en el apartado 4.3.1.
Además, los archivos STL pueden crearse a partir de una nube de puntos, que a su
vez provienen de un proceso de digitalización de un modelo o entorno.
4.2 Utilización
Una vez construida la pieza se comienza a realizar el programa de mecanizado que
permitirá partir de la preforma cilíndrica y llegar a la pieza diseñada. Para ello se van a
utilizar las opciones disponibles en los módulos Prismatic Machining y Surface
Machining
Para tener una visión general de las posibilidades que ofrece CATIA v5,
primeramente se enumerarán distintas opciones de las que se dispone y a
71
continuación se detallarán las instrucciones utilizadas para el mecanizado de la pieza
mostrada anteriormente.
4.2.1 Instrucciones generales de mecanizado
Lo primero es seleccionar el módulo de mecanizado. Se seleccionará el Advanced
Machining, que contiene opciones de mecanizado prismático y de superficies. Una vez
seleccionado, aparecerá el árbol de procesos. Ahí se encuentra el elemento Part
Operation, que presenta las propiedades generales del mecanizado a realizar.
Figura 86. Visión general del elemento Part Operation
En la parte superior, se selecciona la máquina que se utilizará. Se puede utilizar
alguna de las máquinas que CATIA tiene instaladas por defecto o, como en este caso,
seleccionar una creada por el usuario. Hay varias pestañas de opciones, donde la
primera es la más relevante. Una vez
A continuación se eligen los ejes de referencia de la pieza. Estos se harán coincidir
con el origen de pieza elegido a la hora de construir la máquina para colocarla en su
posición de mecanizado. Esto se realiza mediante la opción Workpiece Automatic
Mount, que se encuentra en el módulo NC Machining simulation.
72
Figura 87 Pestañas de selección de máquina y ejes de la pieza
En caso de no haber partido de una geometría Part a la hora de entrar al módulo de
mecanizado, habrá que seleccionarlo en el botón que sigue a la elección de los ejes.
A continuación se presentan varias pestañas: Geometry, Position, Simulation,
Option.
En la pestaña de geometría se seleccionan la pieza a mecanizar y otros elementos
físicos o geométricos.
Pieza (Part): se seleccionan los “Bodies” que conformen la pieza a mecanizar.
Material de partida (Stock): se elige el Body que formará la preforma.
Utillaje y fijaciones (Fixtures): introducir los elementos de fijación.
Plano de seguridad (safety plane): Señala la altura a la que no habrá obstáculos.
Espacios de seguridad: 5 planos que representan una caja
Planos de transición: Para crear trayectorias lineales entre operaciones
Planos de rotación: para crear trayectorias entre operaciones
Los espacios de seguridad, junto con los planos de transición y rotación, permiten
generar movimientos de transición entre las distintas operaciones utilizando la opción
Generate Transition Paths (generar trayectorias de transición). Su definición no es
obligatoria, aunque pueden resultar muy útiles si se utilizan bien.
73
Figura 88. Ventana para generar las trayectorias de transición de forma automática
Las otras pestañas que se muestran en el elemento Part operation se pueden ver en
la Figura 89
Figura 89. Pestañas del Part Operatioin: Position, Simulation, Option y Collision checking
Las posiciones tanto de cambio de herramienta como de su punto de parada (Home
point) pueden tomarse de la máquina si está definida. Además se puede determinar el
centro de la mesa, dependiendo de la máquina con la que se esté trabajando.
Respecto a la simulación, sirve para determinar la precisión del material de partida.
Mientras que en la pestaña Option se puede habilitar la selección automática del
Stock.
Por último, se puede activar o desactivar el estudio de colisiones con la pieza de
diseño cuando se calcula una trayectoria. Suele ser bastante recomendable para evitar
fallos evidentes en el mecanizado.
74
Una vez se tiene configurada la parte general, se puede empezar a introducir
operaciones de mecanizado. Todas las operaciones tienen estructurada de igual
manera su configuración, diferenciando cinco aspectos.
Estrategia de mecanizado: Definición del tipo de trayectorias de cada operación y la profundidad de corte o diferencia entre pasadas
Geometría: Se seleccionan los elementos geométricos básicos. Preforma, pieza acabada y otras geometrías para la simulación
Herramientas y portaherramientas: Se eligen teniendo en cuenta diversos factores. Se pueden crear u obtener catálogos de herramientas.
Velocidades y avances: Algunos valores se pueden referenciar al tipo de herramienta o a la máquina seleccionada.
Macros: Son pequeñas subrutinas que permiten variar parcialmente la trayectoria de la herramienta en el proceso de mecanizado.
Además, los iconos de cada pestaña presentan un semáforo que indica si todo está
bien configurado (verde), si hay que cambiar algo obligatoriamente antes de calcular la
trayectoria (rojo), o que puede procesar pero tal vez no se esté tomando la opción más
apropiada (ámbar).
A continuación se presentan las distintas opciones de fresado en tres ejes [27]:
Taladrado (Axial machining operation): ofrece múltiples opciones para el mecanizado de agujeros (taladro, punteado, mandrinado, etc).
Vaciado (Pocketing): Vaciados eliminando material de formas irregulares cerradas o abiertas.
Planeado (Facing): Elimina material en caras o superficies planas.
Recanteado (Profile contourning): Fresado definiendo un contorno y una profundidad para una trayectoria.
Seguimiento de trayectoria (Curve Following): Se inserta un seguimiento de una curva determinada en el programa.
Ranurado (Groove Milling): Para realizar cavidades de cierta profundidad en superficies verticales.
Fresado troncoidal (Trochoid Milling Operation): Realización de cavidades en superficies horizontales utilizando trayectorias trocoidales.
Fresado punto a punto (Point to Point): Fresado por trayetorias entre puntos finales introducidos.
Desbaste (Prismatic Roughing): Permite el mecanizado rápido de material en una única operación.
Vaciado de cáscaras (4 axis pocketing): Vaciado de superficies concéntricas a superficies de revolución.
Sondeo (probing): Para inspeccionar y medir agujeros. También existe la opción de inspeccionar ranuras y esquinas.
75
Algunas de estas opciones ofrecen también la posibilidad del mecanizado con 4 ejes
añadiendo algunas opciones.
Por otro lado están las operaciones de mecanizado de superficies:
Desbaste (Roughing): Arranque de material en condiciones de elevados avance y velocidad de corte.
Desbaste de barrido (Sweep Roughing): Desbaste por seguimiento de superficies de pasadas equidistantes a la superficie dada
Fresado en “plunge” (Plunge Milling): Fresado por trayectorias de corte en el eje vertical de la herramienta.
Barrido (Sweeping): Seguimiento de superficie de configuración rápida por pasadas de espesor constante.
Barrido de curvas en 4 ejes (4-axis curve Sweeping): Seguimiento de la superficie en máquina de 4 ejes.
Barrido multi-ejes (multi-axis Sweeping): Seguimiento de la superficie en máquina de 5 ejes.
Perfilado (Pencil): Acabado de las uniones entres superficies o redondeos inaccesibles en operaciones anteriores.
Fresado por niveles (Zlevel): Mecanizado de superficies exteriores por niveles en el eje vertical siguiendo el contorno de la sección de la pieza en cada nivel.
Vaciados en 5 ejes (Multi-axis tuve machining): Mecanizado de superficies interiores en 5 ejes.
Acabado (Advanced Finishing): Acabado de una cavidad por niveles en el eje vertical.
Seguimiento de contorno (Countour-driven): Seguimiento de contorno entre límites indicados en 3 ejes.
Por curvas isoparamétricas (Isoparametric machining): Mecanizado por curvas de seguimiento generadas por el contorno de la superficie.
Seguimiendo de contorno 5 ejes (multi-Axis contour driven): Seguimiento de contorno entre límites indicados en 5 ejes.
Fresado en espiral (Spiral milling): Fresado con trayectoria en forma de espiral para superficies planas horizontales o con cierta inclinación
Fresado espiral en 5 ejes (Multi-axis spiral milling): Trayectorias con forma de espiral para máquinas de cinco ejes.
Vaciado (Pocketing): Vaciados eliminando material de formas irregulares cerradas o abiertas.
Recanteado (Profile contourning): Fresado definiendo un contorno y una profundidad para una trayectoria.
Recanteado en 5 ejes (Multi-axis curve machining): Permite redondeos y acabados en intersecciones entre superficies.
Cada una de las operaciones posee cantidad de opciones en cada una de las
pestañas señaladas anteriormente. En el apartado siguiente se explicarán las utilidades
de las distintas configuraciones para las instrucciones de desbaste, curvas paramétricas
76
y el planeado, que han sido las tres operaciones utilizadas en la fabricación de la pieza
expuesta anteriormente.
Además, existen una serie de operaciones auxiliares, que complementan el
mecanizado o lo modifican.
Figura 90. Menú de las operaciones auxiliares
Mediante la operación de COPY se puede copiar una instrucción el número de veces
que sea necesario aplicándole una traslación o rotación, mientras que TRACUT
modifica las operaciones que le siguen sin repetirlas.
Figura 91. Operaciones de COPY y TRACUT
Ambas funcionan de una forma parecida, su acción afectará a todas las operaciones
que estén entre los dos elementos que indican el inicio y el final de las instrucciones.
INDEX-COPY, en el caso de la copia, o TRACUT-TRACUT/NOMORE, para la
transformación.
Además, como operaciones auxiliares se pueden encontrar cambios de
herramienta o instrucciones de máquina, para que realice movimientos entre dos
operaciones.
77
4.2.2 Mecanizado de la pieza
Los pasos a seguir, expuestos de manera muy general, son los siguientes:
1. Desbaste en tres ejes de la preforma cilíndrica para llegar a un hiperboloide
tronzado que contenga toda la pieza.
2. Desbaste en 5 ejes de la cavidad que hay entre los álabes principales respetando
los álabes secundarios. La tolerancia será menor de 0,25mm.
3. Desbaste en 5 ejes de los álabes primarios y secundarios. Como en el caso
anterior, en este paso se conseguirá dejar la preforma a unos 0,25mm de la
pieza diseñada.
4. Acabados. Se vuelven a mecanizar tanto las cavidades como los álabes, esta vez
con herramientas apropiadas para los acabados y con un número de pasadas
mucho mayor.
Excepto el primer punto, se realizan los mecanizados de tal forma que se realice
todo el del espacio entre dos álabes primarios y, mediante la instrucción de copiado,
se realicen 5 veces más con un desfase de 60º respecto el eje Z de la pieza.
Lo primero que se realiza es configurar el elemento Part Operation, introduciendo
la máquina, los ejes de la pieza y los planos de seguridad y traslación. En la Figura 86
aparece la visión general de la ventana, mientras que en la Figura 92 se pueden ver los
distintos planos utilizados, así como los ejes, situados en la base del Tocho1.
Figura 92. Ejes y planos principales de la pieza para la configuración del elemento Part Operation
Para realizar la primera operación de desbaste se utiliza la instrucción de Roughing.
Al crearla, aparecerá automáticamente un cambio de herramienta justo encima del
nuevo elemento, que indica que se ejecutará inmediatamente antes para elegir la que
corresponda.
Primero se definirá la herramienta con la que se realiza la operación. Como se
puede ver en la Figura 93, la geometría se define en la imagen de la parte izquierda,
78
mientras que en la parte derecha aparecen distintas opciones como las velocidades de
corte, el número de dientes o el material de la misma.
Para todo el mecanizado se han seleccionado dos únicas velocidades de avance de
herramienta que se consideran las habituales para este tipo de máquinas: 8000
mm/min para los desbastes y 2000 mm/min para los acabados.
Teniendo en cuenta los rangos de velocidades del cabezal, que van desde 6000rpm
hasta 24000rpm (Tabla 2) se calcula el avance por vuelta, que son los datos que se
introducen en las opciones.
Para los desbastes se seleccionan 9000rpm que produce unas velocidades de corte
en un rango aceptable. Se consideran típicos los valores entre 100 y 1000 m/min.
Para el acabado se sube a 24000rpm, para compensar un poco la disminución del
Diámetro de la herramienta.
Avance
(mm/min) Husillo (rpm)
Avance (mm/vuelta)
Diámetro (mm)
v corte (m/min)
8000 9000 0.889 20 565
Desbaste 8000 9000 0.889 10 283
8000 9000 0.889 5 141
Acabado 2000 24000 0.083 2 151
Tabla 6. Tabla de velocidades de mecanizado.
Los datos recuadrados en la tabla anterior son los que se introducen en la pestaña
Feeds & Speeds mostrada en la Figura 93. Para una misma herramienta se pueden
seleccionar por un lado las velocidades de acabado (parte superior) y por otra las de
desbaste (parte inferior), después se especificará en cada operación de mecanizado.
En la pestaña de la derecha se puede elegir añadir un portaherramientas. Se añade
uno para cada herramienta.
Figura 93. Propiedades de la herramienta.
79
Como se ha expuesto en el apartado 4.2.1, cada instrucción presenta cinco pestañas
de propiedades. En la Figura 94 se puede apreciar la pestaña de geometría. En ella se
eligen las necesarias para realizar el mecanizado pulsando en la imagen que aparece
en el centro de la ventana. Esta contiene una serie de elementos interactivos que
representan elementos del mecanizado.
En este caso, solamente se han seleccionado las geometrías Part (pieza) y Rough
stock (preforma). Las geometrías se pueden seleccionar como Bodies completos o bien
seleccionar superficies (Select faces…). Pulsando la opción Analyze en cada elemento
se pueden ver las geometrías que se han elegido en cada caso, además de tener la
posibilidad de quitarlas una a una.
En la parte superior, se pueden señalar los Offsets. Es decir, el margen que se dejará
desde la geometría seleccionada en el mecanizado. En este caso, que es un primer
desbaste con una herramienta grande, se toman 2mm para que no haya colisiones con
el diseño.
Para seleccionar la preforma, se selecciona el Body Tocho_1 completo, mientras
que para la pieza de diseño se toma únicamente la superficie exterior del Tocho_2. Las
geometrías se pueden apreciar también en la Figura 85. Esto se hace porque la parte
superior del Tocho_2 es atravesada por el comienzo de la pieza, por lo que si se
selecciona todo el body se mecanizaría una zona no deseada.
Figura 94. Pestaña de geometría del Roughing.1
80
Se pueden seleccionar otras geometrías, como realizar un contorno límite de
mecanizado (Limiting countour) o planos máximos y mínimos de mecanizado (Top,
bottom). Ambas opciones se utilizarán en la segunda fase de este primer desbaste
(Roughing).
En la Figura 95 se muestra la pestaña de estrategias de mecanizado. Esta, a su vez,
posee multitud de opciones que se pueden observar en la parte derecha de la imagen.
Figura 95. Pestaña de estrategia de mecanizado del Roughing.1
En las opciones de mecanizado (Machining) se sitúa lo más general, es decir, el tipo
de trayectoria de la herramienta (Tool Path style), la tolerancia o si el corte va a ser en
concordancia o en oposición. Al cambiar de tipo de trayectoria la imagen central se
modifica, de forma que el usuario se puede hacer una idea de cómo será la trayectoria
elegida. En verde aparece la trayectoria en el momento de contacto entre la
herramienta y el material, mientras que en rojo aparecen las trayectorias auxiliares. A
continuación se presentan la multitud de opciones que se pueden seleccionar.
En este caso, se ha elegido una trayectoria en espiral, ya que en cada nivel (según el
eje vertical) la pieza de diseño dibuja una circunferencia.
81
Por otro lado, se ha seleccionado una tolerancia de 0,1 mm y mecanizado en
concordancia (climb).
One-way-next
Zig-zag
One-way-same
Spiral
Contour only
Concentric
Helical
By Offset Zig-zag
By Offset One-way
Figura 96. Distintos tipos de trayectorias en un desbaste (Roughing)
Otras opciones importantes son las de dirección radial y axial según el eje de la
herramienta. Radialmente, se supondrá definir la distancia entre dos pasadas
consecutivas, aunque se puede seleccionar atendiendo a otros criterios como la altura
del material sobrante. En la dirección axial se define la profundidad máxima de una
pasada.
82
Overlap ratio
Overlap length
Stepover ratio
Stepover length
Figura 97. Opciones de la configuración radial de mecanizado.
Otras opciones disponibles tienen que ver con la zona de mecanizado (si se ha
seleccionado alguna), el suelo de la pieza y la posibilidad de mecanizado de alta
velocidad (HSM). Esta última opción redondea las esquinas de la trayectoria para un
mecanizado más rápido.
Lo siguiente que habría que configurar es la herramienta, pero ya se ha hecho en el
menú de la propia herramienta (Figura 93), por lo que no es necesario. Si se quiere
cambiar la herramienta de mecanizado, se puede hacer en esta pestaña y el programa
creará el cambio de herramienta oportuno como ha hecho anteriormente.
La cuarta pestaña es la configuración de velocidades. Como se puede apreciar en la
Figura 98, se puede seleccionar, o no, que las velocidades de avance de mecanizado se
calculen directamente con los datos de la herramienta. Así, se puede seleccionar en la
parte inferior la calidad (Desbaste o acabado) para tomar los datos de la herramienta.
Las velocidades de acercamiento y salida de la herramienta se eligen en esta pestaña,
así como las velocidades de transición.
Figura 98. Opciones de Velocidad y Macros en Roughing.1
83
Por último, está la pestaña de Macros. Aquí se configuran movimientos previos y
posteriores (como el ataque o la retirada de la zona de mecanizado) y otros como el
comportamiento al encontrarse un obstáculo. En este desbaste no tiene mucho
interés, se puede ver más información sobre estos movimientos en las instrucciones de
mecanizado sobre superficies isoparamétricas (pág 87, Figura 104).
Una vez configurada la operación, se procede a calcular las trayectorias
En este caso, debido a la gran cantidad de trayectorias necesarias para llegar al
resultado requerido, solamente se verá una nube de líneas verdes, y alguna roja, sobre
la pieza. Estas líneas verdes indican trayectoria a la velocidad de mecanizado, mientras
que las rojas son las necesarias para ir de un punto a otro para seguir con el
mecanizado a velocidad máxima (RAPID). También hay líneas azules (velocidad de
acercamiento) y amarillas (retirada de herramienta).
Figura 99. Trayectorias de Roughing.1
Para visualizar mejor las trayectorias se utiliza la ventana que se presenta en la
Figura 100.
En la parte derecha de la ventana se tienen múltiples opciones para el visionado y
configuración del mismo. Desde la opción de representar las trayectorias por planos
(parte derecha de la figura anterior) o cambios de velocidad, hasta la visualización de
la orientación de la herramienta en cada punto. Las múltiples opciones de cada botón
se muestran a la derecha de la ventana.
84
Figura 100. Opciones del visionado de las trayectorias
En la parte inferior, se muestra la velocidad de avance, la posición y la orientación
de la herramienta. Son las propiedades en un instante determinado (el que se muestre
en ese momento). En este caso, es el final de la operación, en el instante que la
herramienta está alejándose verticalmente de la pieza, por ello la velocidad es
máxima.
Por otro lado, aparece el tiempo de mecanizado de la operación (tiempo en el que
la herramienta se mueve con velocidad de mecanizado) y el tiempo total que dura la
misma, que será el tiempo de mecanizado más los tiempos en los que la herramienta
no está eliminando material.
En la parte superior izquierda, aparece el panel mediante el cual se maneja la
visualización, pudiendo pasar de una operación a otra con los botones << y >>. Con la
barra se regula la velocidad de visionado.
Un aspecto importante es que para que se calculen modificaciones introducidas
como COPY o TRACUT, se debe seleccionar en la pestaña de trayectorias la opción
Si no se activa esta acción, esas trayectorias no se calcularán y por lo tanto no se
tendrán en cuenta para las simulaciones.
Por otro lado, si en el elemento Part Operation se activó la opción de Check
collisions (comprobar colisiones), en las trayectorias se muestra si la herramienta toca
la pieza diseñada. En ese caso, aparecerán en la trayectoria cruces rojas que señalarán
el punto de la trayectoria en el que se produce la colisión. Seleccionando esos puntos
se puede ver la posición de la herramienta y la zona sobre la que se produce el
impacto. La Figura 99 ilustra este hecho.
Las colisiones se calculan sobre las partes de la pieza que se ven, por lo que se
puede modificar qué tener en cuenta simplemente con las opciones Hide/Show.
85
Figura 101. Ejemplo de colisión en una trayectoria
También resulta útil el botón Check Reachability, que se ha señalado en la imagen
como “Alcanzable” porque calcula si el punto concreto en el que está situada la
herramienta es alcanzable por la máquina elegida.
Además, desde este menú se puede entrar al modo Video, que se explica en el
apartado 4.3.1.
En la Figura 102 se muestra la configuración para la parte superior del desbaste. Se
selecciona la superficie horizontal del Tocho_2, además de la parte que sobresale de
ella, y un plano “Bottom”, que obliga a que la última pasada se realice por ese plano.
Por último se elige un contorno límite que será el la circunferencia exterior de la
selección. Así, se obliga a que el mecanizado se realice dentro de ese contorno y
además pasará por el plano descrito respetando la parte que sobresale.
Figura 102. Pestaña de geometría de Roughing.2
86
El resto de opciones escogidas son similares a las del Roughing.1.
Una vez terminada la configuración de una operación y calculada su trayectoria,
puede ser útil utilizar la opción de bloquearla (Lock). Con este comando activo, no se
podrán modificar las opciones de la operación y se evita que la trayectoria pueda ser
eliminada.
A continuación, se realiza el desbaste de una cavidad entre dos álabes principales.
Para ello se utiliza la instrucción Isoparametric machining. Este tipo de mecanizados
son de una única pasada sobre una superficie, por ello se crearon distintas superficies
entre las dos que contienen los álabes. En concreto se dividió en 6 niveles, donde el 1
es la parte externa y el 6 la superficie sobre la que se apoyan los álabes.
Cada vez que se añade una operación, esta aparece en el árbol del proceso de
operaciones.
Figura 103. Superficies creadas para el mecanizado entre álabes
Por otro lado, la presencia de álabes secundarios en el medio de estas superficies
creaba problemas en el mecanizado, ya que las trayectorias tenían que esquivar este
elemento continuamente. Por ello, se decidió dividir a su vez cada una de las
superficies en 3 partes (A, B, C). Para ello se utilizó el extremo del borde de ataque del
álabe secundario, creando una superficie de revolución a partir de él. Y la propia
superficie creada para hacer el álabe divide las zonas a la derecha e izquierda del
mismo (B y C).
La superficie exterior entre álabes se mecaniza de una vez. A continuación se
presentan las elecciones de geometría en este tipo de operación (Figura 104).
Primero se elige el Part, que será siempre una o varias superficies. En este caso, se
ve como se ha elegido la superficie externa de la pieza. Una vez elegida la superficie,
aparece sobre ella una flecha naranja que indica la posición de la herramienta respecto
a la superficie. Haciendo click sobre ella cambia su sentido y por lo tanto la zona a
mecanizar. En este caso la flecha debe señalar hacia el exterior de la pieza.
87
Figura 104. Geometría de la instrucción Isoparametric_Sup1ABC
A continuación, se identifican las esquinas. Serán siempre cuatro y definen el
movimiento y sus trayectorias. La herramienta entrará por la esquina 1 y saldrá por la
4. Las posiciones 2 y 3 definen por donde se hará el movimiento principal de la
herramienta, ya que se hará de 1 a 2 la primera pasada y de 3 a 4 la última. Es decir, en
este caso las trayectorias serán horizontales (Figura 108).
Por último se define la geometría a evitar (Check). En este caso ninguna, ya que el
mecanizado ser realiza en el exterior y no se han colocado amarres.
Figura 105. Estrategia de mecanizado de Isoparametric_Sup1ABC
88
En la ventana de estrategia, a diferencia de en el Roughing, solamente aparecen
tres pestañas: Machining, Radial y Tool Axis.
El primero es similar, aunque solamente se puede elegir entre zig-zag y una única
dirección (one-way). Además, aparece el paso de discretización máximo y su ángulo.
Radialmente se puede elegir el paso y además se puede seleccionar extender el
mecanizado más allá de la misma, tanto al principio como al final de la misma. Esta
extensión será en la dirección 1-2 y 3-4. Además, se pueden eliminar la primera y
última pasada (Skip path).
Figura 106. Estrategia radial de Isoparametric_Sup1ABC
Por último se configura el eje de la
herramienta. Hay multitud de formas de
definirlo, en la Figura 107 se muestran todas.
La opción Lead and tilt, que es la
seleccionada en este caso, consiste en definir
dos ángulos a partir de la normal a la
superficie. Uno según la dirección de avance
de la herramienta (lead) y el otro
perpendicular a esta dirección (tilt). Dejando
ambos valores nulos la herramienta
permanecerá normal a la superficie elegida
en todo momento.
Además, en esta opción, cabe la
posibilidad de elegir que uno de los dos
ángulos sea variable si el otro es fijo. Esto
permite a la herramienta realizar los movimientos necesarios para llegar a todas las
zonas. En este caso, CATIA debe elegir el ángulo en cada posición de la herramienta,
por lo que el cálculo de las trayectorias es más costoso y puede que el resultado no sea
Tabla 7. Pestaña Tool Axis
89
el esperado. Cuanto más se defina el elemento, más fácil le resulta al programa realizar
la computación.
Fixed axis
Interpolation
Optimized lead
Lead and tilt
4- Axis lead
4-Axis tilt
Thru a point
Normal to line
Thru a guide
Normal to surface
Figura 107. Tipos de configuración del eje de la herramienta
Como herramienta se ha seleccionado una de diámetro 10mm y radio de 2mm,
mientras que para las velocidades se ha seleccionado la opción Rough, para que tome
los valores de desbaste.
Por último, está la pestaña de macros, en la que se introducen movimientos axiales
de acercamiento y alejamiento de la pieza de 100mm. En principio se tomaron valores
grandes para evitar colisiones entre operaciones, pero la mejor opción es generar las
transiciones automáticamente como se mostró en la Figura 88.
En la imagen siguiente se puede ver el resultado de la trayectoria. En rojo, con
líneas discontinuas sería el movimiento desde su anterior posición. En amarillo aparece
el acercamiento, empieza el mecanizado en el punto 1 y va hacia el 2. Va bajando en
zig-zag hasta llegar al 3, desde donde hace una última pasada para alejarse por el
punto 4.
Figura 108. Trayectorias de Isoparametric_Sup1ABC
90
Las demás superficies se han realizado de forma muy similar, te expone a
continuación el diseño de los aspectos diferentes de la superficie 6A con el objeto de
ilustrar una operación en la que se utiliza el punto como referencia para el eje
herramienta y en el que se utilizan las macros para evitar obstáculos.
En la pestaña de Macros se activan las opciones Linking Retract y Linking Aproach,
es decir, acercamiento y alejamiento que unen puntos de mecanizado.
Se han seleccionado movimientos axiales de 20mm, pero se pueden construir
movimientos variados utilizando las distintas opciones disponibles. Además, se puede
seleccionar la velocidad de avance. En este caso se introduce la mecanizado porque los
acercamientos alcanzarán el material y si se introduce otra se producirá una colisión.
En el momento que la trayectoria se encuentre un obstáculo, identificará el
siguiente punto sin obstáculo y hará los movimientos señalados. En la mayoría de
ocasiones tendrán que ser unidos por otra recta, que tendrá la máxima velocidad de
avance.
Figura 109. Macros de acercamiento y alejamiento
Por otro lado, en la Figura 110, se pueden ver como las flechas que señalan la
dirección del eje de la herramienta tienen van hacia el mismo punto, en el que
confluyen la herramienta y la trayectoria de alejamiento de la misma.
Además, a todas estas operaciones se han añadido superficies a evitar. En este caso,
se han seleccionado los dos álabes entre los que se encuentra la superficie y el álabe
secundario. Introduciendo un Offset de 1mm respecto a los obstáculos se asegura que
no se tocará el resto de la pieza.
91
Figura 110. Ejes de la pieza y superficies a evitar (Check) del mecanizado de la superficie 6ª
A continuación se muestran imágenes con las trayectorias de todas las superficies
que se han utilizado hasta llegar a la base de los álabes.
Se puede observar que en las superficies 6 la densidad de líneas verdes es mucho
mayor, esto es porque el paso entre las trayectorias de ida y vuelta es mucho menor ya
que se ha seleccionado que haya una altura de 0,1mm entre la base de la herramienta
y el material sobrante.
Sup A B C
2
3
92
4
5
6
Figura 111. Trayectorias de mecanizado de las superficies de la cavidad
Además, antes de mecanizar la superficie 6, se ha mecanizado la parte superior del
soporte para dejarlo también a menos de 1mm de la pieza de diseño. Se ha
introducido una operación Spiral milling, cuya configuración es muy similar a la de
Roughing y dos Isoparametric machining. A continuación se muestran las trayectorias
de las tres operaciones.
Figura 112. Operaciones de mecanizado en la parte superior
Cabe destacar que en el anillo (la imagen central) el punto 1 de la superficie
coincide con el 2 y el 3 con el 4. Con la opción One-way en la pestaña Machining el giro
será continuo.
Lo siguiente será el mecanizado de los álabes. Los álabes principales se han hecho
en tres operaciones, intradós, extradós y lateral. Mientras que en el caso de los álabes
secundarios se ha realizado la parte principal en una única operación y el borde en
otra.
93
La herramienta utilizada será una de 10mm de diámetro y punta redonda.
Aprovechando la forma esférica de la herramienta, en los casos del extradós e intradós
se ha introducido una inclinación (tilt) de 75 grados al eje de la herramienta con el
objetivo de evitar colisiones con otras partes de la pieza. En la figura siguiente se
muestran las trayectorias sobre el extradós y todas las posiciones de la herramienta a
lo largo de las mismas.
Figura 113. Posiciones de la herramienta en el mecanizado del extradós
Como en la superficie 6, se opta porque el paso entre trayectorias lo defina un
escalón de 0,1mm.
Como se señala al principio del apartado, se realiza el mecanizado de una cavidad
de forma que se pueda copiar 5 veces. Por esto, se mecaniza el intradós de un álabe y
el extradós del siguiente.
Figura 114. Trayectorias del mecanizado de los álabes
Una vez hecho esto, la pieza tiene la forma deseada, pero aún está algo lejos en lo
que a dimensiones se refiere. La diferencia con las de diseño será de 0,25mm de
media. Por lo que el siguiente paso será realizar pasadas para conseguir una tolerancia
de 0,02mm.
94
Se empezará haciendo un planeado (facing) a la cara superior con una herramienta
plana, mientras que para el resto se utiliza una herramienta de 2mm de diámetro y
punta redonda.
Los elementos a mecanizar serán los mismos que anteriormente, pero algunos de
ellos se han dividido ya que el número de pasadas hacen que empiece a requerir
muchos recursos del ordenador procesar las trayectorias (puede tardar varios
minutos). Estas son muy similares a las ya vistas, por lo que no se mostrarán.
4.3 Funcionamiento
Todas las operaciones de mecanizado escritas anteriormente se pueden simular de
dos formas, por un lado está la simulación de la eliminación de material y por otro la
simulación con la pieza montada en la máquina. Cabe la posibilidad de combinar
ambas, pero solo resulta efectiva para operaciones o piezas muy sencillas, ya que la
eliminación de material requiere muchos recursos y el visionado junto con la máquina
suele ser defectuoso.
Mediante la eliminación de material se puede ver el proceso de mecanizado con la
preforma y la herramienta. Una vez realizado, se puede comparar con la pieza
diseñada.
Por otro lado, la simulación de la máquina permite ver posibles colisiones con esta o
si es capaz de colocar correctamente la herramienta en las trayectorias elegidas.
4.3.1 Simulación de la eliminación de material
En la ventana de trayectorias de cualquier operación de mecanizado se pueden
elegir dos opciones para entrar al modo de video:
Una es Full Video, en la que el video comenzará desde el principio, con la preforma
completa, y hará todas las operaciones hasta llegar a la seleccionada. Una vez
finalizada la operación seleccionada no se podrá ver más allá.
La otra opción es Video from last saved result, con la que CATIA buscará el si se ha
guardado algún resultado de las operaciones anteriores y si es así se comenzará la
simulación a partir del último.
Por defecto solamente se puede guardar un resultado en un proceso de
mecanizado. Esta opción se puede cambiar en Tools >> Options >> Machining >>
Photo/Video. En ese mismo menú, en la pestaña Output se elige la carpeta en la que se
almacena la información.
Para guardar un resultado, hay que pulsar Asociate video result to Machining
Operation una vez se haya completado la simulación de la operación seleccionada.
Cuando esto sucede, aparece el mensaje “End simulation” en la parte superior de la
95
ventana de trayectorias. También se puede guardar el resultado en un CATProduct
para poder abrirlo de forma autónoma.
Figura 115. Opciones de la simulación de eliminación de material
Abriendo el menú de opciones de video se puede seleccionar si parar la simulación
cada vez que se cambia la herramienta y si se quiere detectar las colisiones. La
diferencia entre esta detección de colisiones y la que se hace con las trayectorias es
que aquí se realiza con el material que va quedando en la pieza, por lo que se puede
producir una colisión con un elemento que todavía no ha sido retirado de la preforma.
Si se han producido colisiones aparecerán en Video collision report, donde se
podrán ir seleccionando uno a uno para verlos y analizarlos, o se pueden almacenar en
un archivo de texto donde aparece toda la información (punto de contacto, punto de
partida de la herramienta y punto de llegada).
En la Figura 116 se muestra una colisión que tuvo que ser corregida. En ella se
muestra como en el mecanizado de la superficie 5C, es decir de la cavidad, se toca el
extradós del álabe principal. Se ve que la herramienta está algo levantada respecto al
suelo de la pieza, lo que hace indicar que está haciendo una transición entre puntos de
mecanizado. Esta transición se realiza a una velocidad mayor que la de mecanizado y
por ello se detecta la colisión.
96
Figura 116. Ejemplo de colisión en la simulación con eliminación de material
Por último, en cualquier momento de la simulación se puede elegir la opción
Analyze. Con ella se compara forma que se tiene en ese instante con el diseño de la
pieza mediante un código de colores. Se pueden seleccionar hasta seis colores de
material sobrante y dos de hueco.
Figura 117. Ejemplo de comparación entre la pieza de diseño y la mecanizada
97
En la eliminación de material cada color representa una herramienta distinta.
Figura 118. Secuencia de arranque de material
98
A continuación se presenta el mapa de colores en función de las dimensiones del
material restante de la secuencia de mecanizado.
Figura 119. Secuencia de dimensiones de la pieza por colores
Cuando se llega a las operaciones de acabado, el archivo guarda demasiada
información y el proceso resulta muy lento. Como ejemplo, decir que el archivo de
geometría guardado justo antes de empezar las de acabado (imagen del centro-
derecha) ocupa 20Mb, mientras que la siguiente, en la que se ha realizado el acabado
del soporte de los álabes pesa 70Mb. De hecho, ha sido difícil terminar por completo la
eliminación de material, ya que el ordenador se queda sin memoria para procesar los
datos. Para la simulación del acabado del álabe secundario, que es lo último por
mecanizar, se tuvo que simular partiendo de la pieza desbastada y desactivando las
demás operaciones de acabado para que únicamente calculase el mecanizado de ese
acabado.
4.3.2 Simulación con la máquina herramienta
La simulación de movimientos se realiza principalmente para ver si hay
interferencias entre la máquina y la pieza, y para comprobar que los movimientos
necesarios para colocar la herramienta en su sitio, respecto a la pieza, son posibles.
99
Lo primero que se realiza es definir los elementos sobre los que se realiza el análisis.
Hay dos posibles verificaciones, los contactos o las distancias.
Los primeros, se configuran en la ventana Check Clash. En ella se pueden elegir
varios (o incluso todos) los elementos a estudiar. Se analizan los elementos
introducidos en la opción selección 1 respecto a los de la selección 2. En este caso se
han definido dos tipos de contacto. En uno se introducen todas las herramientas (y
portaherramientas) utilizadas en el mecanizado en la primera selección y la pieza en la
segunda. Así se comprobará que en ningún momento la herramienta toca la pieza. Por
otro lado, se mirará si hay contacto entre el cabezal de la máquina y la pieza.
Cabe destacar que el análisis se realiza respecto a los elementos visibles de cada
producto seleccionado, si se requiere que alguna zona no sea analizada, basta con
esconderla (opción Hide/Show).
La selección de elementos para calcular las distancias entre ellos funciona de forma
parecida, basta con seleccionar parejas para que se calcule la distancia en cada
momento.
Figura 120. Opciones de contacto y distancia en la simulación con máquina
Existe también la posibilidad de crear los contactos de forma automática, ajustando
las opciones en Options for default clashes, en las que se eligen partes de la máquina y
de la pieza, y pulsando a continuación Create default clashes.
Una vez creadas estas variables, se organizan en el menú Analysis configuration. Ahí
se seleccionarán, entre todas las creadas, las condiciones que se quieran analizar.
Además se puede seleccionar de qué forma se muestran los resultados. Las opciones
son las siguientes:
Interrupt: para la simulación y aparece el cuadro de alarma [Analysis Information]
Verbose: la simulación continúa pero aparece el cuadro [Analysis Information]
100
Highlight: la simulación continúa, se señala el elemento donde se produce colisión y
no aparece el cuadro [Analysis information]
Monitor On/Off: Activa o desactiva [Analysis Monitor]. Señala el valor de ese objeto
en cada instante.
Analysis mask: para activar o desactivar todos los análisis del mismo tipo a la vez.
Figura 121. Analysis configuration
Además, en la pestaña contigua se puede seleccionar que se analice si se alcanzan
los límites de la máquina en cuanto a posición, velocidad y aceleración.
También resulta interesante la ventana de Data Readout, en el que se puede ver la
posición de los ejes en cada instante en función de sus recorridos totales
Figura 122. Data Readout
Antes de empezar la simulación, hay que recordar situar la pieza en la máquina
correctamente y que quede unida a ella. Para ello se utiliza el botón Workpiece
Automatic Mount
Para comenzar la simulación basta con seleccionar cualquiera de las operaciones y
pulsar Simulation machining
La simulación se puede realizar completa si se selecciona el “Manufacturing
program” que contiene todas las instrucciones. Una vez hecho esto, aparecerá el menú
101
de simulación. Por otro lado, se puede seleccionar realizar o no el análisis marcando el
botón Analisys mode On/Off.
A continuación se muestra un ejemplo de las ventanas presentes en la simulación.
Por un lado parece el menú de simulación, en el que se puede ajustar el tamaño del
paso responsable de la velocidad de la simulación. Un paso no tiene correspondencia
inmediata con el tiempo real, si no que depende de los movimientos de la trayectoria.
Al lado de esta opción se muestra el tiempo real del mecanizado.
Además, se han introducido los contactos y una distancia, que se pueden apreciar
en la ventana Analysis Monitor. En caso de contacto, en lugar de N/A el texto será
Clash. En la simulación las distancias que se elijan se actualizan en cada momento.
Figura 123. Barra de control de la simulación con herramienta.
Todas las colisiones o excesos en el límite de posición se pueden consultar en la
opción Travel limits. En la Figura 124 se presenta un ejemplo en el cual había colisión
porque entre una operación y otra. Para cada colisión se puede ver la profundidad de
la misma y los elementos que la generan.
Figura 124. Ejemplo de colisión en la simulación de máquina
102
Otra opción para el análisis de colisiones es hacerla de forma “interactiva”, es decir,
simula todo el proceso de mecanizado en segundo plano y después se pueden
visualizar las colisiones en la ventana Fault List, o bien utilizar el Batch mode, que crea
un documento Excel con todos los datos obtenidos.
A continuación se presentan cinco momentos de la simulación la máquina.
Figura 125. Varios momentos de la simulación con máquina herramienta
4.3.3 Utilización del programa de control numérico
Una vez se ha comprobado que las operaciones no presentan ningún problema
durante el mecanizado se puede pasar a generar el programa de control numérico.
Este programa es el que leerá el centro de mecanizado real para la realización de la
máquina.
Es posible crear distintos tipos de código, en función de lo que la máquina sea capaz
de leer. Los principales son:
- APT (Automtically Programmed Tooling): Es un lenguaje de alto nivel, ya
que está formado por instrucciones con significado geométrico complejo,
que contienen información de las trayectorias de la herramienta y de la
geometría de la pieza que se genera. Además es más rápido y genérico en
una integración más directa de los sistemas CAD/AM. El problema es que
este código no puede ser interpretado por una máquina elemental de
control numérico.
103
- NC Code o ISO: Es la programación más simple para la mayoría de las
máquinas de CN. Es un lenguaje de programación de bajo nivel y su
principal desventaja son las particularidades entre las diferentes máquinas
de distintos fabricantes. Este es el código con el que trabajan las máquinas
actuales.
Lo que realmente genera CATIA es el código APT, a partir del cual pasa al código NC
por medio de un postprocesador, que es el programa que permite convertir los datos
de geometría y trayectorias en órdenes de control a la máquina. Los postprocesadores
son, por tanto, propios de cada máquina.
4.3.3.1 Generación de código
Para generar el código APT se selecciona el programa de mecanizado
(Manufacturing Program) y se elige la opción Generate NC Output. En el menú se
seleccionará la opción APT en NC data Type. En caso de haber asignado una máquina a
las operaciones, en ella se selecciona el tipo de código, por lo que para cambiarlo
habrá que ir al menú de la propia máquina.
Algo parecido sucede con las pestañas de movimiento de herramienta y formato. Si
se ha elegido una máquina aparecerán de manera automática y habrá que cambiarlos
en el menú de esta.
En la Figura 126 se pueden ver las opciones de generación del código. Una vez
configurado se pulsa Execute.
Figura 126. Generación del código APT
104
El resultado serán dos archivos, uno de ellos con la extensión “.aptsource” que
contiene el código APT. El otro contiene la información de la generación del código,
donde aparecen las advertencias o errores, por lo que es conveniente revisarlo.
En este caso, se obtiene un archivo de texto de 32Mb con casi 450.000 líneas de
código, lo que pone de manifiesto la complejidad del proceso. Para ver las principales
instrucciones y la sintaxis de este tipo de código se recomienda la referencia [28].
Para generar el código NC se debe tener un postprocesador correspondiente a la
máquina de 5 ejes creada. CATIA, a través de proveedores como Cenit, IMS e ICAM,
ofrece multitud de ellos, pero prácticamente todos son de fresadoras de 3 ejes.
Ninguno de ellos cumple las características del centro de mecanizado Kondia SEASKA,
por lo que la utilización de alguno de ellos sería inservible.
Se solicitó a alguna de las empresas proveedoras un postprocesador para la
máquina correspondiente a modo de prueba. Las repuestas fueron cordiales y la
empresa IMS se comprometió a mandar uno, no habiendo llegado este al finalizar este
documento. A continuación se muestran varias capturas del código APT obtenido.
Figura 127. Muestra del código APT
Se pueden ver los distintos postprocesadores disponibles en CATIA consultando la
carpeta …\startup\Manufacturing\ dentro del directorio de instalación. Para utilizarlos,
se debe seleccionar uno de los proveedores en las opciones generales de CATIA (Tools
> Options > Machining) y a continuación todos sus postprocesadores están disponibles
en el menú de la máquina.
105
Figura 128. Selección de postprocesador en CATIA
También se puede conseguir el código NC utilizando un postprocesador externo,
independiente de CATIA. Uno de estos programas es el WinPost, en el cual se
introduce el código APT, se configuran las distintas opciones dependiendo de la
máquina y este obtiene el código NC correspondiente a la máquina. En la Figura 129
se muestra la ventana de este programa en pleno proceso de conversión. A la
izquierda aparece el código APT introducido y a la derecha el código NC obtenido.
Figura 129. Vista general del programa WinPost
Cabe reseñar que esta imagen está tomada, exactamente, una hora después de
comenzar la conversión y la barra de “scroll” del código APT que va bajando conforme
106
transforma código no ha llegado a la mitad. Con esto se quiere señalar la cantidad de
tiempo que se tarda en procesar toda la información.
4.3.3.2 Mecanizado a partir del código
Partiendo de la pieza y, todo el proceso de mecanizado en CATIA se puede obtener
a través de un archivo APT o NC. Con ello se consigue poder realizar todas las
simulaciones mostradas en los capítulos anteriores desde un archivo externo. Este
archivo ha podido, o no, ser creado con CATIA.
Lo único que hay que hacer, es crear un nuevo programa de mecanizado y
seleccionar la opción “Import APT, CLfile or NC code”. Una vez importado, aparecerán
distintas instrucciones en el árbol de procesos y se podrán simular igual que se ha visto
anteriormente, pero no se pueden modificar las operaciones de mecanizado. Las
herramientas, en cambio, sí que pueden cambiarse.
Figura 130. Árbol de operaciones importadas de un archivo APT
Igual que en el caso de la generación de código, para poder procesar un código NC
es necesario un postprocesador que genere el código APT que pueda ser interpretado
por CATIA. Por otro lado, si se quiere que la simulación se haga interpretando
directamente el código NC se necesita un “Control Emulator”. Este es un software que
permite al usuario imitar el funcionamiento del control de una maquina CNC al interior
de CATIA para simular y depurar programas en código ISO.
4.4 Conclusiones
Después de la utilización de mecanizado de CATIA se puede concluir que ofrece una
herramienta muy potente tanto a la hora de crear programas de mecanizado como a la
hora de simularlos. Sobre todo es reseñable la detección de colisiones sobre la
preforma.
107
Si bien es verdad que la herramienta es muy potente, cuando el programa de
mecanizado es relativamente largo, como ha sido este caso, cualquier tarea requiere
tiempo debido a la cantidad de elementos a procesar. Por ello, la división en varios
subprogramas que partan de una preforma creada a partir de geometría CATIA (no
mediante eliminación de material), debido a su menor tamaño, puede ser una
posibilidad.
Por otro lado, ya que el PFC está enfocado a la realidad virtual, se echa de menos la
posibilidad de crear un intercambiador de herramientas y que sea simulado. Puede ser
un hecho sin importancia de cara a la simulación del programa de mecanizado, pero
crearía una sensación de realidad importante de cara al usuario.
108
5 Conclusiones y desarrollos futuros
A pesar del cambio de rumbo que tuvo que dar el proyecto, no se considera que
haya sido un fracaso, puesto que se identificó el problema correctamente y se
encontró una alternativa viable al mismo de acuerdo con las condiciones con las que se
trabaja.
El trabajo hecho con Virtools y VB sirvió precisamente para encontrar ese
inconveniente a la hora de intercambiar información entre ambos programas que,
pudiendo tener solución, no se presenta una empresa fácil.
Además, el cambio ha servido para comparar ambas posibilidades de simulación. En
la primera opción se parte desde cero a la hora de simular a cambio de tener una
libertad total. Al tener que implementar todos los movimientos y comprobaciones, se
pueden añadir u omitir los que se crea conveniente. Por otro lado, las simulaciones de
CATIA ofrecen valiosas posibilidades de simulación a los que un programador
principiante le resultaría muy difícil llegar, además ya están programadas, sin embargo
estas opciones son finitas, y no cabe la posibilidad de introducir nuevas.
El trabajo con CATIA ha servido para abrir un pequeño camino en este campo hasta
ahora inexplorado en la ESTIA y del que no hay demasiada información. Prácticamente
todo lo que se puede encontrar está recopilado en la referencia [25], por lo que hace
falta probar muchas veces y releer atentamente las explicaciones para conseguir que
las tareas salgan como estaban pensadas. Por este motivo, se espera que al menos en
lo referente a los puntos que se han utilizado en este documento las explicaciones
arrojen algunos puntos de luz sobre los típicos tutoriales.
Para terminar, se sugieren algunos posibles desarrollos futuros en base, o referidos,
a este:
- Simulación de una máquina-herramienta de control numérico utilizando
únicamente el programa Virtools. Visto que la inconveniencia surgía en el
intercambio de información, la implementación en un único programa lo
haría desaparecer. Otra opción sería la utilización de otro programa
orientado a la VR como el “Autodesk 3ds Max”.
- Utilización del módulo de torneado de CATIA v5 (Lathe Machining). Puede
ser un buen complemento a este documento, se cubrirían todas las
posibilidades de mecanizado con eliminación de material.
- Generación de una máquina presente en el taller, para crear piezas sencillas
pero que sirvan para comparar los resultados de la simulación con la
realidad. Esto podría estar unido a punto del torneado.
- Utilización del módulo de impresión 3D de CATIA v5 (STL rapid prototyping).
- Estudio de las estrategias de mecanizado y las variables que entran en
juego. Más concretamente en el mecanizado de alta velocidad (HSM).
109
6 Referencias y bibliografía
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herramient con Control Numérico. Bilbao: URMO, S.A. de Ediciones, 198d. C. [3] «CNC Machining Project Gallery - Shelbyville, Tennessee.» [En línea]. Disponible en:
http://spm1-px.rtrk.com/project-gallery.html. [Accedido: 15-ene-2015]. [4] Dufieux Industrie-Airbus, «Green Avanced Panels», Ehirolles, 2007. [5] Escuela Politécnica Superior de Elche, «CONTROL NUMÉRICO (II).» [En línea]. Disponible
en: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/mecatronica/docs_curso/Anexos/TUTORIALcnc/DOCUMENTOS/TEORIA/INTRODUCCION%20AL%20CAD-CAM/programacion.pdf. [Accedido: 03-oct-2015].
[6] «Control numérico en máquinas herramienta», Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos. Universidad Politécnica de Madrid., 2014.
[7] Departamentode Ingeniería Mecánica, «Control Numérico para Máquinas-Herramienta», Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad del País vasco.
[8] «Front Cover - CNC - IC Learning Series 2012 - Computer Numerical Control (CNC).pdf.» . [9] S. Matsuba y B. Roehl, Using VRML (Sptecial Edition). Vancuver: QUE Corporation, 1996. [10] M. Cruz Morales, «Diseño de productos asistidos por realidad virtual inmersiva»,
Ingeniería Mecánica. Tecnología y Desarrollo, vol. 2, n.o 3, pp. 93-100. [11] L. Luengas, Lely A. Luengas, David A. Rincón L, y Katherine J. Galeano, «Realidad virtual
no inmersiva: instrumentos electrónicos de aplicación educativa», Visión Electrónica, vol. 4, pp. 94-105, may 2010.
[12] «ARGP - Augmented Reality Guiding Process | Arsoft.» [En línea]. Disponible en: http://www.arsoft-company.com/augmented-reality-guiding-process/. [Accedido: 04-oct-2015].
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110
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[30] Jesús Fuentes Quintana, «Modelado y simulación del centro de mecanizado MIKRON HSM 400U LP con CATIA v5.» 15-sep-2014.
Apéndices
A. Datos de los gráficos del estudio de tiempos. Apartado 3.2.
ej1 ej2 ej3 ej4 ej5 ej6 ej7 ej8 ej9 ej10 min MÁX
Incr / V
(Máx-Treal)
Inicio 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0 0,00
1 0,66 4,45 1,63 0,60 2,76 1,05 1,21 5,61 0,80 0,65 0,60 5,61 0,50 0,10
2 0,98 2,85 1,63 0,95 5,85 1,68 1,02 1,08 1,07 1,29 0,95 5,85 0,83 0,12
3 0,87 3,55 0,90 1,20 0,92 2,98 1,30 1,47 2,47 1,05 0,87 3,55 0,78 0,09
4 0,77 3,68 2,85 2,30 0,74 0,90 1,04 0,78 1,68 1,43 0,74 3,68 0,62 0,12
5 0,11 1,12 0,48 0,78 0,12 1,82 0,40 0,27 0,47 6,28 0,11 6,28 0,04 0,07
6 0,33 1,93 0,65 0,78 2,18 0,70 0,58 0,39 0,95 0,77 0,33 2,18 0,24 0,10
7 0,12 1,08 0,82 0,48 0,20 9,58 1,32 0,22 0,42 0,20 0,12 9,58 0,06 0,06
8 5,57 8,22 6,42 5,93 5,57 6,23 6,07 5,72 5,52 7,26 5,52 8,22 5,46 0,05
9 0,43 0,42 2,28 0,47 0,44 2,97 0,98 0,67 4,62 1,62 0,42 4,62 0,30 0,12
10 0,22 3,31 0,32 1,43 0,22 5,02 0,33 2,85 1,68 0,50 0,22 5,02 0,07 0,15
11 0,13 0,38 1,12 0,97 0,11 0,65 2,85 0,28 5,75 0,12 0,11 5,75 0,05 0,06
12 0,30 1,52 0,77 1,45 0,22 0,55 1,87 4,25 1,65 0,90 0,22 4,25 0,15 0,07
13 0,88 3,43 3,00 1,15 0,91 9,53 2,48 4,06 0,93 1,02 0,88 9,53 0,76 0,12
14 0,44 0,67 0,68 0,98 0,40 2,53 1,67 1,92 1,22 0,73 0,40 2,53 0,30 0,10
15 0,16 3,34 2,37 4,32 0,13 1,15 2,10 0,22 0,40 0,28 0,13 4,32 0,02 0,11
16 3,70 3,41 2,85 3,25 2,82 4,29 3,53 6,98 8,75 4,23 2,82 8,75 2,75 0,07
17 3,03 2,98 3,18 4,33 2,96 4,08 3,63 3,52 3,28 4,52 2,96 4,52 2,89 0,08
18 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
19 0,55 1,08 0,93 0,50 0,53 2,82 1,45 2,08 4,38 1,03 0,50 4,38 0,43 0,07
20 0,86 1,10 0,92 2,15 0,87 1,52 2,22 4,65 1,47 1,90 0,86 4,65 0,73 0,13
21 0,77 1,08 2,57 1,80 0,77 2,82 2,72 2,57 2,32 1,42 0,77 2,82 0,64 0,13
22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
23 3,29 7,02 3,35 5,57 3,27 4,07 3,52 4,33 3,22 3,52 3,22 7,02 3,15 0,07
24 1,20 3,02 3,00 1,58 1,23 3,98 1,28 1,88 1,85 1,20 1,20 3,98 1,12 0,08
25 0,65 1,37 1,43 8,15 0,68 0,78 3,65 0,93 0,70 0,90 0,65 8,15 0,58 0,07
26 0,32 0,30 0,25 2,78 0,17 0,75 0,80 0,95 0,47 0,25 0,17 2,78 0,04 0,13
27 0,22 1,67 2,85 0,55 0,23 2,25 0,40 0,37 1,22 0,60 0,22 2,85 0,13 0,10
28 3,09 0,94 0,25 0,65 1,90 0,37 2,14 0,95 0,33 0,47 0,25 3,09 0,20 0,06
29 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Final
TOTAL (s) 29,6 63,9 47,5 55,1 36,2 75,1 50,5 59,0 57,6 44,1
Tabla 8. Datos de la gráfica de estudio de tiempos.
B. Datos de los tiempos de envío de información. Figura 65
Tiempo total = 59,172 s Leer Envío Recibido
Mov terminado
1 N10 G0 G97 X330 Y220 Z510 F80 S1000 T1 M03 0 0,095 0,726 0,727
2 N20 G0 X-330 0,727 0,727 4,457 4,458
3 N10 G0 G97 X31 Z0,6 F50 S1000 T1 M03 4,458 4,458 5,79 5,791
4 N20 G1 X0 5,791 5,792 9,24 9,49
5 N30 G0 X32 Z2 9,49 9,49 9,723 9,723
6 N30 G0 Y32 Z2 9,723 9,723 9,79 10,24
7 N40 G0 X40 Z50 10,24 10,24 10,29 10,74
8 N50 G1 Y10 Z-1 F10 10,74 10,74 10,79 21,856
9 N60 G1 X10 Z-11 F100 21,856 21,856 26,456 26,456
10 N40 G0 X40 Z50 26,456 26,456 26,907 26,907
11 G91 G1 Y20 F200 26,907 26,907 29,057 29,057
12 G91 G1 Z20 F200 29,057 29,057 29,189 31,156
13 G90 G1 X230 F250 31,156 31,156 32,422 32,422
14 N30 G0 Y-220 32,422 32,422 36,257 36,257
15 N40 G0 Z0,5 36,257 36,257 40,422 40,722
16 N50 G1 X10 Z5 F80 40,722 40,722 41,022 43,835
17 N60 G1 Y10 Z26 43,835 43,835 44,184 46,821
18 N80 G1 Y14 Z69 F100 46,821 46,821 46,888 47,371
19 N50 G0 X330 Y220 Z510 47,371 47,371 47,405 48,221
20 N60 G0 Z0 48,221 48,221 50,039 50,039
21 N100 G1 X20 Y200 Z50 50,039 50,039 51,622 53,289
22 N110 G1 X25 Y100 Z100 53,289 53,289 53,855 54,538
23 N120 G1 X30 Z42 54,538 54,538 54,671 55,555
24 N60 G0 X0 55,555 55,555 55,604 57,021
25 N70 G0 Y0 57,021 57,021 57,255 57,255
26 N80 G0 Z200 57,255 57,255 57,321 59,172
27 M30 59,172
28 EndOfStream 59,172
Tabla 9. Datos de los tiempos de envío de información. Figura 65
C. Listado de operaciones de mecanizado
D. Listado de herramientas
T01 End Mill r0 D20 T02 End Mill D10
T06 End Mill D 10
T05 End Mill r2 D5
T08 End Mill Ball D2
E. PLANOS DE LA FRESADORA KONDIA SEASKA
