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Del Cnc al Cnu

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RESUMEN

La mayoría de los pisos de producción de la pequeña y mediana industria metalmecánica de los países en vías de
desarrollo usan máquinas-herramienta manuales u obsoletas, las cuales no son adecuadas para producir productos
con la calidad que solo puede ser alcanzada por maquinaria automática. El presente documento propone la
automatización de máquinas-herramienta manuales utilizando una propuesta de bajo costo para su automatización
construyendo aplicaciones de controles CNC basadas en una arquitectura de referencia denominada Control
Numérico Universal (CNU). La propuesta consiste en utilizar una plataforma basada en computadoras personales,
actuadores a bajo costo, dispositivos mecánicos, componentes electrónicos y un software de control que es modular
con el fin de obtener las características de apertura y reconfigurabilidad deseados.
La arquitectura del CNU es diseñada para capturar las principales características de la tecnología de CNC y obtener
un controlador de CNC específico acorde con las características de los componentes mecánicos, eléctricos y
electrónicos de una máquina-herramienta específica, ya sea manual u obsoleta, para alcanzar los requerimientos de
desempeño del usuario. Un prototipo automatizado de una antigua máquina-herramienta manual es presentado
alcanzando un buen desempeño en el mecanizado de piezas metálicas.
Palabras Clave: CNC, Automatización a bajo costo, Arquitectura de Referencia.

INTRODUCCIÓN

En países en vías de desarrollo como México, además del problema de la falta de estandarización, ocurre que la
tecnología de MHCNC es inherente a las grandes empresas debido a los altos costos de esta tecnología. La micro,
pequeña y mediana industria metal-mecánica nacional, en su mayoría, no tiene acceso a este tipo de tecnología, por
lo que utilizan MH convencionales ó manuales, lo cual nos lleva a un deterioro en la calidad de la manufactura .
Estudios realizados por el Colegio de México y la Technology Scientific Foundation concluyen que: en
América Latina la difusión interna de MHCN influye primero en las variables económicas nacionales (por ejemplo,
la productividad de plantas usuarias, la organización industrial, etc.) y, mediante tal efecto, incide en los términos del
comercio exterior del sector industrial intensivo en el uso de MHCN. En Latinoamérica los factores que influyen en
la disminución de la absorción de MHCNC son: la deuda externa, la recesión industrial, tipo de bienes metalmecánicos producidos, falta de políticas a la exportación, entre otras. Pero la mayor restricción para su uso es su
precio, ya que las MHCNC triplican en precio a las MH convencionales.
La Cátedra de Investigación en Mecatrónica del ITESM Campus Monterrey, realiza un proyecto denominado
Control Numérico Universal (CNU), que se aplicará en la automatización de máquinas-herramienta. El proyecto se
basa en el desarrollo europeo OSACA y tiene como objetivo crear tecnología Mexicana de bajo costo que siga las
tendencias mundiales de vanguardia en el campo de tecnologías de automatización[4].
El CNU es un control numérico flexible y económico que colocará la tecnología de CNC al alcance de la micro,
pequeña y mediana industria (PyME´s) del sector metalmecánico. El impacto social de un desarrollo como el CNU,
se reflejará en un mejor aprovechamiento de los recursos humanos, obteniendo el personal capacitación y
experiencia en tecnologías de vanguardia, generando incrementos cuantitativos y cualitativos reales en la
productividad, lo que lleva a un mayor bienestar de la población. El objetivo específico del presente trabajo es
describir los detalles de la implementación del prototipo de investigación del Control Numérico Universal esperando
que sea el detonante del desarrollo de una geotecnología en el campo del CNC que englobe la problemática de los
países en vías de desarrollo.
Uno de los principales problemas de las PyME´s es el no contar con personal capacitado ni contar con los recursos
económicos para adquirir un equipo de tecnología CNC. La reconversión automática de MH´s manuales por medio
del CNU, pretende ser un medio para la capitalización de micro, pequeñas y medianas industrias que no posean un
capital inicial suficiente para comprar MHCNC comerciales .
Tal como se ve en la figura 1, si una empresa invierte en la automatización con el CNU de una de sus
MH´s manuales con un valor de inversión inicial de $5,000 USD, teniendo en cuenta que con la adquisición de nueva
tecnología le permitirá adquirir nuevos clientes y trabajos mejor pagados, su eficiencia subirá y por ende su utilidad.
Y en un plazo razonable (2 años para este ejemplo) podrá reunir el dinero suficiente para comprar una MHCNC
comercial con una eficiencia mayor. En la misma figura se muestra la curva de aprendizaje de la tecnología CNC
utilizando una constante estimada. El CNU le permitirá a los talleres ir entrenando a su personal, a fin de llegar a un
punto óptimo en su manejo cuando se compre la MHCNC comercial.




Del Cnc al Cnu


Fig. 1: Capitalización de un taller de maquinados PyME utilizando el proyecto CNU





METODOLOGÍA

Arquitectura de referencia

Una de las principales áreas de aplicación del CNU es la reconversión automática de MH´s manuales, se plantea
que uno de los puntos relevantes de la funcionalidad de la arquitectura del CNU debe ser su capacidad para lograr
una adaptación flexible y rápida del controlador a las características mecánicas de una MH y a la integración de
capacidades que se requieran del controlador (CNU). Para lograrlo, la arquitectura debe ser modular y configurable
tanto en el hardware como en el software .
La arquitectura de referencia que se propuso es una plataforma la cual debe de soportar una “caja negra” que
estará formada internamente por unidades de software cuya combinación define la funcionalidad del sistema a
implementar en la arquitectura. Esta conceptualización permitirá el desarrollo de controles numéricos con la
funcionalidad adecuada para cada MH que se requiera automatizar de acuerdo con el ambiente en que funcionará el
sistema.
El CNU tiene una arquitectura modularizada que consta de unidades funcionales (UF´s), las cuales son módulos
de programas de aplicación que realizan tareas específicas requeridas por el usuario ó el proceso. La arquitectura del
CNU cumple con los requerimientos de los sistemas abiertos, para lo cual consta de cuatro capas principales: capa de
hardware, capa del sistema operativo, capa de comunicaciones internas y la capa de interfase de programación de
aplicaciones (API). Estas capas ofrecen servicios a las unidades funcionales (UF), las cuales son módulos de
programas de aplicación que realizan tareas específicas requeridas por el usuario. Con la introducción del concepto
de unidades funcionales (UF) manejadas a través de la interfase del programa de aplicación se cumplen con los
requerimientos de portabilidad, modularidad y escalabilidad ; la interoperatividad se logra a través de la interfase de
comunicaciones.
Las UF´s de aplicación para la arquitectura del prototipo del CNU son: El control de movimiento (CM), el
control de ejes (CE), el control de actuadores y sensores (CAS), el control de procesos auxiliares (CPA), las
comunicaciones externas (CEX). A parte de las UF´s mencionadas anteriormente, se encuentra la UF del sistema,
que son la UF de base de datos, la UF sistema de configuración y la UF de la interface hombre-máquina. En la figura
2 se muestra el flujo de información entre las UF´s principales.



automatizar


Fig. 2: Flujo de información entre UF´s en el CNU




El flujo de información para un programa de CNC comienza cuando el usuario introduce un programa de CNC en
la interface H-M. El código de CNC es manejado entonces por el CM hasta obtener la tabla de UBM´s. El CE
maneja la tabla resultante y obtiene como resultado una tabla de señales eléctricas para los ejes. La CPA maneja la
información del código correspondiente a los códigos M que mandan llamar a sistemas auxiliares. Con esta
información proveniente de la CE y CPA, la UF CAS la convierte en señales de control para los actuadores, también
recibe la información de retroalimentación de los sensores de la MHCNC y como en ella está el punto de suma,
entonces puede generar una nueva señal para completar la orden original. Finalmente, la UF CAS es la encargada de
manejar la tarjeta de adquisición de datos para generar la señal física que va directo a los actuadores de la máquinaherramienta.

Acondicionamiento Mecánico

La filosofía del CNU propone que es posible la automatización de una MH convencional mediante la adición de
componentes como : sistemas actuadores, sistemas sensores, dispositivos mecánicos y una computadora personal
con el software de control del CNU integrado y la inserción de tarjetas de adquisición de datos y de red.
En la figura 3 se muestra el concepto de implementación manejado para el CNU, lo que se plantea es que
dependiendo de las necesidades y capital económico destinado para la inversión por parte del usuario, éste pueda
configurar su kit de automatización con los actuadores, sensores, mecanismos, tarjetas electrónicas, etc. que estén al
alcance de su presupuesto y satisfacción de sus necesidades .



maquina

Fig. 3: Implementación del concepto CNU




El proyecto prototipo del CNU, consistió en la automatización de un torno manual marca Monarch Machine Tool
10EF, con una distancia entre centros de 20” y un volteo de 12.5”, construido en 1941. El torno se muestra en la
figura 4, donde se visualizan montados algunos sensores y actuadores. Igualmente es mostrado un esquema general
del proceso seguido en la automatización. Además, en la misma figura son mostrados los pasos para realizar el
acondicionamiento mecánico y eléctrico de la máquina.
Primeramente se deben desactivar los elementos de movimiento manual de la MH, como palancas, poleas, etc.
Posteriormente, se debe de realizar el acondicionamiento mecánico con los tornillos de bola y cremalleras, y además
realizar el montaje de motores y sensores, si es necesario se debe de realizar rectificación en las guías y bancada o
aplicar recubrimientos cerámicos. Hasta aquí es la fase de la reconversión mecánica de la máquina, y es cuando se
debe de realizar una limpieza y lubricación general. La segunda parte es la conexión eléctrica y electrónica de
componentes, así como de la puesta de la alimentación eléctrica. Esta parte abarca la conexión entre la tarjeta de
adquisición de datos y todos los dispositivos electrónicos como los manejadores de motores, el inversor y el circuito
de punto cero, entre otros.


cnc


Fig. 4: Torno utilizado para implementar el prototipo del CNU.




A continuación se enumeran los elementos más significativos de la implementación del prototipo:
a) Tornillos de bola. Se utilizaron tornillos de la compañía Thompson linear motion systems, con una longitud 18”
para el eje X y 36” para el eje Z. El paso de ellos es 0.2” y un diámetro de ¾”.
b) Actuadores y sensores. Los actuadores y sensores seleccionados para el prototipo fueron de acuerdo con el
presupuesto disponible y con la funcionalidad que se requería. Se compraron 2 motores de pasos de la compañía
American Precision Industries modelo M421-12E con un codificador óptico marca BEI de 1000 pulsos por
revolución acoplados al eje. Estos motores tienen un torque estático de 625 oz-in. Los manejadores seleccionados
para los motores son de la misma compañía, son modelo DM226 con la técnica de micropasos (hasta 50,000 pasos
por revolución). Se montaron en el torno switches de límite en los extremos de los ejes para de limitar el área de
trabajo.
c) Inversor. Para el control de la velocidad del husillo se compró un inversor Mitsubishi modelo FREQROL-Z200,
con capacidad para manejar un motor de 4KW, y dar corriente a la salidad de 10 ampers. El inversor debe ser
alimentado con una fuente trifásica de 220Volts. Se diseñó un programa de control que es procesado en la PC del
CNU y proporciona señales de 0 a 10 volts.
d) Tarjeta de adquisición de datos. Se seleccionó la tarjeta de adquisición de datos de la compañía Sensoray
modelo 626 por su bajo costo y su funcionalidad. La tarjeta tiene 48 canales digitales de entrada/salida, 16 salidas
análogas, 4 entradas análogas y contadores.

Interpolador

Debido a las características deseables en un controlador de CNC como el CNU, se ha desarrollado un interpolador
con características de reconfigurabilidad, donde su unidad básica de movimiento (UBM) se pueda configurar de
acuerdo a las características físicas de los ejes de la MH (paso del tornillo y precisión del motor). Lo anterior permite
tener un control que funcione en cualquier tipo de MH acondicionada.
Se investigaron y analizaron diversos algoritmos de Interpolación. Los algoritmos implementados para el
prototipo fueron el algoritmo de interpolación lineal y circular propuesto por Yang y el algoritmo Tustin
mejorado de interpolación circular. Se implementó también un algoritmo para la detección del centro de un arco,
utilizado por el algoritmo de interpolación circular. Los algoritmos generan un archivo de texto con los puntos
interpolados. Para realizar las pruebas del funcionamiento de los algoritmos se implementó un programa despachador
(dispacher) para leer un archivo de entrada y hacer la llamada a los diferentes interpoladores.
En la figura 5 se muestra el programa de entrada del usuario y la salida correspondiente del interpolador de Tustin.
En este ejemplo se muestra que los ciclos de desbaste (G71) y acabado (G70) fueron implementados en un esquema
reconfigurable. Los ciclos de programación pueden ser integrados y adaptados de acuerdo a las necesidades del
usuario de la automatización de la MH.




convencional


Fig. 5: Salida de un programa con ciclos de torneado interpolado.



Sistema Operativo e interface gráfica con el usuario

La implementación del proyecto CNU fue realizada utilizando el sistema operativo QNX, el cual es un sistema
operativo en tiempo real basado en el estándar POSIX, lo que permite la libertad en el manejo de las prioridades de
los recursos del sistema . El QNX tiene un microkernel que es el más pequeño del mercado y una arquitectura
modular.
Para el desarrollo de la interface gráfica con el usuario, se utilizó el desarrollador de interfaces denominado
Photon. El microkernel de Photon corre como un microproceso (45K de código), el administrador de Photon crea un
tridimensional “espacio eventual” y los eventos fluyen a través de este espacio, colgándose en cada una de las
regiones definidas. Usando el mecanismo de comunicaciones del QNX, los procesos manipulan las regiones del
“espacio eventual” dando al usuario servicios gráficos de alto nivel. En la figura 6 se muestra las pantallas
principales del CNU: Pantalla principal, Pantalla manual y Pantalla de maquinado.



cnu


Fig. 6: Pantallas del CNU.



RESULTADOS

Se logró la automatización del torno Monarca mencionado, que originalmente era un torno con accionamientos
manuales. Su reconversión fue lograda mediante su acondicionamiento mecánico y por la incorporación de un
control numérico basado en software. El costo total de la reconversión fue de 3,500 USD tomando en cuenta los
actuadores, sensores y acondicionamientos mecánicos que se le integraron.
La máquina-herramienta logró maquinar piezas metálicas cilíndricas con una tolerancia dimensional adecuada
para el mercado mexicano maquilador de partes metálicas de aluminio de mediano requerimiento cualitativo. El
número de piezas maquinadas por unidad de tiempo fue mejorado sustancialmente.
Los resultados más relevantes con respecto a la implementación del proyecto son los siguientes:
• El diseño conceptual de la arquitectura de referencia del CNU, donde se engloba todo el ambiente de
desarrollo de aplicaciones y la funcionalidad interna. Además, se desarrolló y codificó el modelo orientado
a objetos de la arquitectura del CNU basado en la metodología gráfica UML, el cual proporciona
herramientas de desarrollo que ayudan a expresar y documentar las características de un proyecto flexible
como el CNU.
• La aplicación del concepto CNU en la automatización de un torno manual, acondicionándose
mecánicamente, montándole sensores y actuadores y adaptándole una PC como plataforma para la corrida
del software del CNU.

CONCLUSIONES

El establecimiento de una arquitectura de referencia y su modelación orientada a objetos sientan las bases para la
creación y difusión de una verdadera filosofía en la generación de CNC´s configurables y de bajo costo que
permitan automatizar MH convencionales. Permitiendo, en un futuro, la generación de una geotecnología que
permita a las micro, pequeñas y medianas industrias alcanzar niveles competitivos que los mercados cada vez más
globalizados requieren.
Se ha logrado un conocimiento integral de la tecnología de los controladores CNC, así como en los componentes
de hardware y software. Así como la implementación de algoritmos de control de actuadores, y algoritmos de
interpolación para la generación de trayectorias de maquinado.
En el mercado del CNC, existen varias compañías que ofrecen kits de automatización de MH manuales. Sin
embargo, estos kits siguen estando a un alto costo para compañías micro, pequeñas y medianas en países en vías de
desarrollo. Los precios fluctúan desde los USD $14,000 en adelante, sin contar el precio del montaje y puesta a punto
de componentes. EL CNU es un desarrollo cuyo costo del prototipo no va más allá de USD $5,000. Por lo anterior
se considera que el CNU es un desarrollo que puede llegar a tener un gran impacto en la industria metal-mecánica de
los países en cuestión. Aunado a esto, se genera tecnología propia que permitirá ir atenuando la dependencia
tecnológica de países desarrollados.

RECONOCIMIENTO

La presente investigación reportada en este artículo, forma parte de la Cátedra de Investigación en Tecnologías
Emergentes para Mercados en vías de Desarrollo del ITESM, Campus Monterrey. Los autores agradecen el soporte
técnico y económico, a la mencionada Cátedra, para la realización del trabajo.

REFERENCIAS

1 M. de J. Ramírez, A. Molina, Sofware based Computer Numerical Controller for Low Cost Automation in
Small and Medium sized Metal-Processing Enterprises in Developing Countries, Memorias del VI IFAC
Symposium on Cost Oriented Automation, Berlin, Alemania, 2001.
2 G. K. Boom, A. Mercado, Automatización flexible en la Industria, 1a. edición, Ed. Limusa-Noriega, México,
D.F. 1990.
3 OSACA, WEB PAGE. www.osaca.org
4 G. Pritschow, Y. Altintas, F. Jovane, Y. Koren, M. Mitsuishi, S. Takata, H. Van Brussel, M. Weck,, and K.
Yamazaki, Open Controller Architecture – Past, Present and Future-. Annals of CIRP. 2003.
5 M. de J. Ramírez, A. Molina, G. Jiménez, M. A. Noriler, Design Methodology for CNC Applications Based
on Open Systems, Preprints 7th IFAC Symposium of Cost Oriented Automation COA04, Quebec, Canada,
Vol 1, pp. 153-158. 2004.
6 M. de J. Ramírez, A. Molina, Desarrollo de Geotecnología: El caso del control Numérico Universal,
Memorias del IX seminario Latino-Americano de Gestión Tecnológica ALTEC, San José, Costa Rica, pp.
85-95, 2001.
7 M.Yang, W. Hong, Three-dimensional reference pulse linear and circular interpolators for CNC systems,
International Journal of Production Research, vol. 40, no. 2, 425-439, 2002.
8 Y. Koren, Computer Control of Manufacturing Systems, McGraw-Hill Internacional, 1a Edición, 1983.
9 QNX Web Page. www.qnx.com.
10 A. Molina, C. A. Rodríguez, H. Ahuett, J. A.Cortés, M. de J. Ramírez, G. Jiménez, S. Martínez, NextGeneration Manufacturing Systems: Key Research Issues in Developing and Integrating reconfigurable and
Intelligent Machines, International Journal of Computer Integrated Manufacturing (IJCIM), Vol 1, pp. 1-12, 2005.

FUENTE: http://www.pucp.edu.pe/content/index.php

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5 comentarios - Del Cnc al Cnu

@panchoc
M03 G02
Quiero mi centro de mecanizado
@nikolatesla1
avanti! lo hacemos con python en ubuntu? ;D
@LioBino
nikolatesla1 dijo:avanti! lo hacemos con python en ubuntu? ;D

Jeje seria un golaso!