Las tendencias tecnológicas de las máquinas-herramienta en los noventa

Esta visión general de la tecnología utilizada en las máquinas- herramienta, está dividida en varias secciones. Las tendencias tecnológicas que han impactado a la industria en la segunda mitad de los noventa, serán discutidas aquí por medio de comentarios específicos en cada uno de los siguientes apartes.

El primer factor a considerar en las tendencias de diseño es el continuo aumento de la importancia de los controles (especialmente los controles basados en computador). Por supuesto, el diseño mecánico no puede ser olvidado y el surgimiento de una nueva estructura basada totalmente en la plataforma de Stewart, es un ejemplo de una aproximación innovadora.

La exactitud, relacionada estrechamente con los cambios en los controles, los manejadores (drives), los rodamientos y otras áreas relacionadas, serán también discutidos.

Controles
Ya que muchos de los cambios que están ocurriendo en las máquinas-herramienta son posibles gracias a los controles más potentes y confiables, es lógico referirse primero a ellos.

Actualmente, varios fabricantes producen controles basados en microprocesadores y arquitectura de computadores personales (PC). Aquellos que utilizan arquitecturas propias están proporcionando entradas y accesos basados en PC MS DOS y/o aplicaciones de Windows. En cada caso, el usuario (fabricante/integrador) tiene más posibilidades de adicionar al control macros u otras ayudas para el operador. Una de las ayudas es un software que le permite al operador efectuar algunos procedimientos de mantenimiento. Una tendencia de los usuarios es darle al operador un mayor rango de funciones.

Como es posible combinar una tarjeta maestra de PC con las tarjetas maestras de los controles de movimiento, uno podría preguntarse por qué no hay más empresarios haciendo controles CNC. La respuesta es que los controles tradicionales están soportados por la documentación, el entrenamiento, los repuestos y el servicio de campo. La mayoría de los fabricantes y usuarios no están interesados en comercializar esa estructura de soporte para disminuciones limitadas de costos en el sistema total.

Los controladores lógicos programables (PLC) continúan creciendo en capacidad hasta el punto que los PLC combinados con controladores de movimiento, comienzan a parecer un CNC.

Los comentarios sobre los controles no estarían completos sin una mención sobre la arquitectura abierta. En primer lugar debe reconocerse que no hay acuerdo sobre la definición del término "arquitectura abierta". Para algunos usuarios esto significa la posibilidad de aceptar cualquier protocolo de comunicación localmente en uso. Para otros usuarios, esto significa tener una interfaz de operador con apariencia exactamente igual en todos los controles (una situación poco probable). Para los ingenieros de máquinas-herramienta, esto significa tener interfaces estándares para transmisiones de deslizamiento, y entradas/salidas estándares para sensores y controles lógicos. Para los ingenieros de investigación de grandes empresas y universidades, esto significa todo lo anterior en forma de bloques constructivos de disponibilidad inmediata.

Debido a la presión, tanto de usuarios como de integradores, la arquitectura abierta se está imponiendo y continuará en aumento. La vanguardia de los sistemas MS DOS y Windows es un ejemplo. Existe una gran presión sobre una interfaz estándar para transmisiones de deslizamiento y otra llamada SERCOS que ha emergido del grupo internacional de estándares (IEC). Está siendo utilizada por algunos constructores y usuarios en los Estados Unidos. Un consorcio europeo de fabricantes y usuarios está trabajando para ponerse de acuerdo en el uso de unos estándares internacionales establecidos para la estructura de bus interno y de protocolos de entrada y salida. Este consorcio constituye la mejor oportunidad para definir la arquitectura abierta.

Precisión
El mayor contribuyente de la pérdida de precisión en las máquinas-herramienta es la distorsión térmica. Las máquinas siempre han sido diseñadas para minimizar la influencia de la temperatura (el calor) en las estructuras de las máquinas, pero la distorsión térmica aún es el mayor problema. Durante los últimos diez años los fabricantes de máquinas-herramienta han incorporado el uso de elementos de medición para realizar compensaciones por error térmico. En una máquina con sistema de intercambio de herramientas el sistema de medición debe ir acompañado por la carga de un dispositivo de medición en el husillo y de una galga de medición en el dispositivo de fijación. Cualquier desviación de la posición esperada o deseada, es comunicada al control como un error que debe ser corregido. Este es otro ejemplo de la importancia del control.

Más recientemente, los fabricantes han desarrollado un método en el cual se colocan termocuplas en sitios estratégicos, para alimentar un modelo matemático de la máquina y así poder realizar correcciones a intervalos frecuentes. Este método representa una gran promesa y los primeros resultados obtenidos muestran compensaciones por errores térmicos del orden de 10:1.

En el modo de contorneado las velocidades de desplazamiento han sido limitadas por la respuesta de los servos. Con el advenimiento del control digital en el lazo de control del servo, se han logrado respuestas superiores. Pero la velocidad de contorneado aún no ha podido acercarse a la velocidad de control en línea recta, en la cual se obtienen velocidades superiores a las 1.000 pulgadas por minuto. Los motores lineales, discutidos más adelante, cambiarán este panorama.

Mejoras en los procesos

La medición del torque y las fuerzas de corte han permitido la obtención de mayores ratas de remoción de material y están permitiendo un mayor acercamiento a la operación no atendida del mecanizado. La medición de fuerzas acompañada del uso de controles de mejor respuesta están mejorando la productividad de operaciones en prensa y forjado. Estos desarrollos han sido posibles gracias a controles de máquinas más poderosos.

Mayores velocidades de corte han sido usadas ampliamente con el desarrollo de nuevos materiales de herramientas, más robustos y de menor costo. Mejores terminados superficiales (además de alguna evidencia de reducción en las vibraciones) y aumento de la productividad, son algunos de los beneficios derivados de estas velocidades. Las altas velocidades introducen problemas de balanceo y de sujeción de herramientas que ahora son motivo de estudio.

Control de vibraciones
Los constructores de máquinas-herramienta siempre han tratado de hacer estructuras lo más rígidas posibles y con el mayor grado de amortiguamiento para disminuir las vibraciones que aparecen en el trabajo en forma de ruidos en el mecanizado. El amortiguamiento por medio de masas auxiliares, películas de lubricante y otros materiales sujetos a esfuerzos de corte, han sido usados durante años. También materiales como las mezclas de epóxicos y granito han encontrado un amplio uso. Ahora con la llegada de los controles de alta velocidad y los dispositivos piezoeléctricos es posible comandar los elementos de las máquinas en oposición a las vibraciones naturales. Esto se llama control activo y aún está en etapa de experimentación.

Rodamientos
Las herramientas de corte mejoradas requieren mayores velocidades de husillo, que se traduce en mayor cantidad de calor y fallas, a no ser de que se realicen cambios en los rodamientos. Una medida de la capacidad de un rodamiento en una aplicación específica es el número DN, obtenido de la multiplicación del diámetro de la pista interna en mm, por las RPM. Los valores usuales para husillos de máquinas- herramienta han sido limitados por valores de DN entre 0,5 y 1,5 millones, dependiendo de la aplicación y de la precarga requerida para el rodamiento. Mayores cargas (como en el fresado) implican menores números DN.

Con una lubricación mejor y más controlada, y el uso de esferas cerámicas, los números DN han sido aumentados desde los extremos bajos de 0.5 millones, hasta cerca de los 1.5 millones. Las aplicaciones cercanas a este extremo, no han presentado mejoras apreciables. En Alemania, se están realizando trabajos en el recubrimiento de las pistas de los rodamientos que prometen llegar a valores de DN del orden de 2 millones. Esto se está realizando sin el uso de bolas de cerámica. El mayor impedimento para el uso de rodamientos híbridos de bolas cerámicas, ha sido el alto costo.

Dispositivos de potencia
Las mayores inercias dinámicas sobre el dispositivo de potencia de una máquina-herramienta se encuentran en el tornillo de bolas y en el motor. Por esta razón los motores lineales han sido utilizados ocasionalmente y ahora se aplican en un número limitado de modelos de máquinas. El calor es uno de los problemas asociados con la aplicación de los motores lineales. Sin embargo, se continúa trabajando en los motores lineales y se esperan mayores aplicaciones en el futuro.