Tecnología CNC y Sistemas de Control Hidráulico y Neumático Industrial

Entrada publicada en Tecnología y etiquetada Automatización Industrial CNC Código G hidráulica mecanizado neumática Torno CNC el por .

1. ¿Qué es el CNC?


El CNC (Control Numérico Computarizado)
es un sistema de automatización industrial en el que los movimientos de una máquina-herramienta son dirigidos y controlados mediante órdenes codificadas en un software de computadora, en lugar de ser operados manualmente mediante volantes, palancas o sistemas hidráulicos mecánicos.


– Principio de funcionamiento:

La computadora procesa un programa de instrucciones (escrito en lenguaje estándar, generalmente Código G)
. Este programa le indica a la máquina las coordenadas exactas de destino (X, Y, Z), las velocidades de corte, el avance y el cambio de herramientas. Los motores de precisión (servomotores) ejecutan estas órdenes con precisiones de milésimas de milímetro.

2. Tipos de Mecanizados y Máquinas CNC

El CNC no es una máquina en sí misma, sino una tecnología que se aplica a los procesos tradicionales. Los más comunes en el mercado son:

Tornos CNC


Una de las máquinas más usadas con CNC son los tornos, son capaces de hacer perforaciones casi instantáneas bajo las ordenes de un algoritmo complicado para producir cortes que no se pueden hacer con un torno normal, solo con un torno CNC. Este torno es capaz de hacer todos los trabajos que hace cualquier torno

Fresadoras CNC


Al igual que los tornos permiten realizar cortes en metales o materiales duros, pero a diferencia, la fresadora la pieza a mecanizar permanece fija y la herramienta arranca por viruta o cepillado. Es una actualización de las fresadoras convencionales. Es posible convertir una fresadora clásica en una CNC, ya que sus piezas no varían demasiado.

Enrutador CNC


Herramienta para corte de material blando como madera, PVC, o materiales no ferrosos. Mucho para perfilado y tallado de maderas. Es controlado por una computadora y se envía las coordenadas de corte gracias al CNC. Se elimina increíblemente el factor humano. Valor estimado: 1,5M.

Cortadoras de plasma CNC:


tiene un arco a altas Tº, permite superficies de alto acabado y precisión actuando por fundición en lugar de corte.

Impresoras 3D


Todas operan bajo el CNC. Inyectan pequeñas cantidades de material en boquillas y se va armando capa por capa hasta formar la pieza.

3. Herramientas de Mecanizado en CNC

A diferencia de las máquinas convencionales, las herramientas para CNC deben cumplir con requisitos extremos:


-Insertos Intercambiables de Metal Duro (Carburo) o Cerámicos:

Soportan las altísimas velocidades de corte y temperaturas del CNC sin desafilarse rápidamente.


-Sistemas de Sujeción Monobloque o Conos de Alta Precisión (BT40, HSK):

Diseñados para balancearse perfectamente a altas RPM y permitir que los brazos robóticos de la máquina agarren y suelten la herramienta de forma automática.


4. Comparación: Máquina CNC vs. Máquina Convencional

Esta tabla responde directamente al punto (a)
de tu programa para que el profesor vea el contraste absoluto:

Carácterística


Máquina Convencional (Manual)


Máquina CNC


Control del Movimiento


El operario gira volantes mecánicos a mano.Servomotores controlados por computadora (Código G).

Geometrías que genera

Limitada a formas simples (rectas, cilindros, conos simples).Formas tridimensionales ultra complejas (curvas complejas, moldes).

Precisión y Repetitividad

Depende del pulso, cansancio y habilidad del operario.Idéntica en todas las piezas, constante, del orden de micras ($\mu\text{m}$).

Flexibilidad de producción

Rápida para una sola pieza (no requiere programar).Excelente para lotes medianos/grandes. Cambiar de pieza es cargar otro archivo.

Tiempo de Mecanizado

Lento debido al control y medición constante a mano.Ultra rápido. Movimientos optimizados y continuos sin frenar.


5. Ventajas y Desventajas de cada una

Con CNC

Ventajas:

Alta repetitividad y precisión:

Si programás 10.000 piezas, las 10.000 salen exactamente iguales.

Reducción de tiempos muertos:

Los cambios de herramienta y los posicionamientos se hacen a máxima velocidad automática.

Seguridad del operario:

El maquinado ocurre detrás de cabinas cerradas; el operario no está expuesto a chispas, virutas ni roturas de herramientas.

Disminución de piezas de descarte:

Al no haber error humano en los cuadrantes, el porcentaje de chatarra cae a casi cero.

Desventajas



Costo inicial astronómico:

Una máquina CNC cuesta varias veces más que una convencional.

Requiere programación técnica:

Hace falta personal calificado para usar software CAD/CAM y escribir el código informático.

Costos de mantenimiento elevados:

Las reparaciones electrónicas, de servomotores o de las reglas ópticas son caras y requieren técnicos especializados.

No rentable para piezas únicas simples:

Hacer un solo buje plano de urgencia toma más tiempo programándolo en el CNC que haciéndolo directo en un torno viejo.

Convencional

Ventajas


Bajo costo de adquisición y mantenimiento:


Máquinas mecánicas económicas, robustas y duraderas.

Inmediatez para reparaciones unitarias:

Ideal para hacer reformas rápidas, roscas de mantenimiento o piezas únicas sencillas en minutos.

Desventajas


Baja productividad:


Inviable para competir en producción en serie.

Alta dependencia del factor humano:

Si el operario se distrae o se cansa, arruina la pieza.

Límites geométricos:

Imposible realizar contornos parabólicos o esculpido tridimensional a mano.

Cuando debo yo como gerente comprar una maquina CNC?


debo evaluar mi volumen de producción, si es alto, voy a lograr amortizar el gasto, pero si tengo un taller pequeño no me va a convenir. Además, debo tener en cuenta la parte final de la pieza que yo quiero, el acabado. Muchas veces un operario no puede llegar a ese nivel de precisión. 


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  • Unidad de Control (CNC):


    La computadora y pantalla frontal que procesa el programa (Código G) y dirige toda la máquina.

  • Servomotores y Husillos de Bolas:


    Motores de alta precisión instalados en los ejes X (transversal) y Z (longitudinal) que mueven los carros sin juego mecánico.

  • Cabezal y Husillo Principal:


    El motor que hace girar el plato de mordazas, regulando las RPM de forma electrónica y automática.

  • Torreta Automática (Revólver):


    Disco motorizado que almacena de 8 a 12 herramientas y gira solo para cambiar de operación en segundos.

  • Plato Hidráulico:


    Sistema de sujeción automática que aprieta la pieza con fuerza constante mediante un pedal o código.

  • Bancada Inclinada:


    Estructura en ángulo que aprovecha la gravedad para que las virutas y el refrigerante caigan directo al extractor.

  • Carenado:


    Cabina cerrada de seguridad que aísla al operario de los cortes, virutas y fluidos a alta presión.


CIRCUITO HIDRÁULICO- CIRCUITO NEUMÁTICO:


 Un circuito hidráulico es aquel que utiliza un fluido bajo presión, generalmente aceite, para accionar maquinaria o mover componentes mecánicos, mientras que un circuito neumático es un sistema dado por un conjunto de elementos unidos entre sí a través de los cuales circula aire comprimido y así genera trabajo mecánico. Podemos decir que el sistema hidráulico realiza el trabajo pesado, mientras que el neumático realiza el trabajo repetitivo.

C. HIDRÁULICO:


Funcionamiento del circuito hidráulico:


Cuando le damos inicio al motor, empieza el funcionamiento del sistema succionando aceite y enviándolo por los conductos hasta llegar a la válvula distribuidora. En ella, si no hay nada accionando, el fluido retorna al tanque, y si realizamos algún tipo de accionamiento ese fluido cambiará de dirección.
En la imagen, podemos observar un cilindro de doble efecto, en el cual, al accionar la palanca, el fluido pasa, empuja el émbolo y hace que el vástago se extienda. Esto se conoce como la conversión de energía hidráulica en energía mecánica.
Los elementos que vemos entre la toma de la bomba y la válvula distribuidora son filtros que se van a encargar de limpiar impurezas que puedan llegar a dañar el sistema y válvulas para permitir el paso del fluido o no.
Los sistemas hidráulicos pueden ser accionados con cilindros de simple efecto o de doble efecto, como el mencionado anteriormente.
EJEMPLOS: –
Elevadores para levantar una carga y transportarla – Compactadores de basura – Retroexcavadoras

Elementos del circuito hidráulico: bombas, actuadores, filtros y válvulas


Las bombas que utilizamos en este tipo de circuito son las bombas de desplazamiento positivo porque lo que buscamos es poder bombear fluidos viscosos. Ej: bombas de engranajes.
Tanto en circuitos hidráulicos como en circuitos neumáticos se utilizan actuadores o cilindros de simple o doble efecto. Estos constituyen el elemento terminal de un circuito y tienen como función transformar la energía acumulada en el fluido en energía mecánica mediante un movimiento alternativo o de vaivén. Se denominan genéricamente cilindros.
Se utilizan filtros para evitar que la suciedad producida por el funcionamiento normal del sistema termine afectando a elementos sensibles de la instalación, como puedan ser, válvulas o la propia bomba.


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CIRCUITOS NEUMÁTICOS


Funcionamiento circuito neumático

El proceso para generar movimiento a partir de un circuito neumático comienza con el compresor que va a ser el encargado de generar la energía necesaria mediante la producción de aire comprimido. Se toma aire de la atmósfera y se lo presuriza. El aire comprimido es almacenado en un depósito o acumulador. Una vez comprimido, el aire necesita estar seco y limpio para que las partículas dañinas como óxidos y suciedad no obstruyan el correcto funcionamiento de las piezas. Para eso, se utiliza el filtro FRL a través del cual pasa el aire comprimido y permite retener partículas de suciedad. Se suele usar un separador de líquidos o purga que permite eliminar el agua contenida en el aire evitando la posterior acumulación de la misma a lo largo de las líneas. Estas purgas se colocan también, en distintos puntos del trayecto de distribución del aire, ya que acompañadas de una inclinación en las tuberías permiten reducir al mínimo el riesgo de formación de humedad.
Luego de pasar por el filtro, una válvula de control direccional se encarga de dirigir el aire hacia donde deseamos generar movimiento. Está válvula permitirá o bloqueará el paso de aire según se necesite. Mediante un controlador, podremos enviar la señal para accionar la válvula.
Por último, el aire llegará al actuador o cilindro que se encargará de generar el movimiento propiamente dicho.

EJEMPLOS:


– Martillo neumático – Puertas y frenos de un colectivo


HIDRÁULICA


VENTAJAS

✓ Auto lubricante (uso de aceite)
✓ Movimiento uniforme (por incompresibilidad del aceite)
✓ Regulación: Las fuerzas pueden regularse de manera continua.
✓ Sobrecargas: Se puede llegar en los elementos hidráulicos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.
✓ Flexibilidad: El aceite se adapta a las tuberías y transmite fuerza como si fuera una barra de acero.
✓ Elementos: Los elementos son REVERSIBLES además de que se pueden FRENAR en marcha.
✓ Multiplicación De Fuerzas: Visto en la prensa hidráulica.

DESVENTAJAS

✓ Pérdida de vida útil del aceite
✓ Velocidad: Se obtienen velocidades bajas en los actuadores.
✓ Limpieza (suciedad, sensible a contaminación)
✓ Alta Presión: Exige un buen mantenimiento.

NEUMÁTICA:


: 

VENTAJAS

✓ Fuente inagotable: Aire ilimitado y gratuito, No precisa conductos de retorno.
✓ Almacenaje: El aire es almacenado y comprimido en acumuladores o tanques, puede ser transportado y utilizado donde y cuando se precise.
✓ Antideflagrante: El aire está a prueba de explosiones. No hay riesgo de chispas en atmósferas explosivas y puede ocuparse en lugares húmedos sin riesgo de electricidad estática.
✓ Temperatura: El aire es fiable, incluso a temperaturas extremas.
✓ Velocidad: Elevadas.
✓ Regulación: Las velocidades y las fuerzas pueden regularse de manera continua y escalonada.
✓ Sobrecargas: Se puede llegar en los elementos neumáticos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.

DESVENTAJAS

✓ Preparación: Para la preparación del aire comprimido es necesario la eliminación de impurezas y humedades previas a su utilización.
✓ Ruidos: El aire que escapa a la atmósfera produce ruidos bastante molestos. Se superan mediante dispositivos silenciadores.
✓ Velocidad: Debido a su gran compresibilidad, no se obtienen


Características


Circuito Neumático


Circuito Hidráulico


Fluido utilizado


Aire atmosférico comprimido.Aceite mineral sintético (fluido hidráulico).

Compresibilidad

Muy compresible


El aire se achica bajo presión (como un resorte).

Incompresible

El aceite no se puede comprimir.

Fuerzas que genera

Limitadas (bajas a medianas). Típicamente hasta 2.000 kg.
Extremadamente altas (toneladas).

Velocidad de trabajo

Muy alta


Los movimientos de los cilindros son rápidos.		Más lenta y controlada.

Precisión de parada

Baja (debido a que el aire se comprime y el cilindro puede «rebotar»).
Alta y milimétrica (el aceite rígido frena al instante).

Costo del fluido

Gratis (solo cuesta energía eléctrica comprimirlo).Caro (el aceite tiene un costo elevado y mantenimiento).

Tipo de circuito

Abierto (el aire se descarga a la atmósfera).Cerrado (el aceite retorna siempre al tanque).

Seguridad / Entorno

Limpio, seguro contra explosiones (ideal para farmacéuticas o alimentos).Riesgo de fugas sucias y peligro de incendio por aceite a alta presión.


1. Válvulas Distribuidoras (Para Aire y Aceite):


Son los componentes que controlan el arranque, la parada y la dirección del fluido.

Cómo se nombran (Vías / Posiciones):


Se denominan con dos números separados por una barra (Ej:

3/2

:

Primer número (Vías):


Cantidad de conexiones que tiene la válvula con el exterior (entradas, salidas, escapes).

Segundo número (Posiciones):


Cantidad de estados o cambios internos que puede realizar la válvula.

Cómo se dibujan (Simbología)


Posiciones:


Se representan con cuadrados (Válvula 3/2 = dos cuadrados pegados).

Vías y flujo:


Se representan con flechas dentro de los cuadrados (indican la dirección del fluido) o líneas transversales en T (indican vía cerrada/bloqueada).

Diferencia de escape:


En neumática el aire se descarga a la atmósfera (triángulo hacia abajo). En hidráulica el aceite vuelve al tanque (línea a la letra T)
.

2. Actuadores (Cilindros):


Son los elementos terminales que transforman la energía del fluido en trabajo mecánico (movimiento lineal de vaivén).

Cilindro de Simple Efecto:


El fluido entra por una sola vía para empujar el vástago hacia afuera. El retorno a la posición inicial se realiza de forma mecánica mediante un resorte (muelle)
interno cuando se corta la presión.

Cilindro de Doble Efecto:


El fluido entra por dos vías independientes. Necesita presión en la entrada frontal para salir, y presión en la entrada trasera para volver a entrar. Permite generar fuerza en ambos sentidos.

3. Aplicaciones de los Sistemas


-Aplicaciones Móviles (Predomina la Hidráulica): Maquinaria:

Tractores, retroexcavadoras, camiones de basura, grúas.

Razón de uso:

Se necesita fuerza descomunal y pesada (toneladas)
en espacios reducidos para levantar, excavar o compactar.


-Aplicaciones Industriales (Predomina la Neumática): Maquinaria:

Líneas de embotellado, automatización, brazos robóticos de embalaje, industria farmacéÚtica y alimentaria.

Razón de uso:

Se requieren movimientos ultra rápidos, repetitivos y limpios (si hay una fuga de aire, no se contamina el producto; el aceite en cambio arruinaría la producción).

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