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Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Año 6 Número 10, 2010
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DISEÑO DE UN SISTEMA INTEGRADO PARA LA CONVERSION DE UN TORNO CONVENCIONAL A TORNO CNC
Nelson Londoño Ospina 1, William A. Molina P.2, Luis A. Fonseca R.3Jairo Álvarez Díaz4, Horacio Giraldo C.5
1 Nelson Londoño Ospina Ingeniero Electrónico, Ph.D(c). Docente Universidad de Antioquia 2 William A. Molina P. Estudiante, Ingeniería Mecánica, Auxiliar de investigación, Universidad de Antioquia 3 Luis A. Fonseca R. Estudiante, Ingeniería electrónica, Auxiliar de investigación, Universidad de Antioquia 4 Jairo Álvarez Díaz Tecnólogo Mecánico, Auxiliar de Investigación, Adscrito al grupo GIMEL 5 Horacio Giraldo C. Ingeniero Mecánico, Docente Universidad de Antioquia
RESUMEN
Se propone un sistema integrado para la automatización de un torno convencional y la renovación tecnológica de viejos tornos manuales. El trabajo que se presenta es la continuidad de un proyecto previo [1], partiendo de la idea de mejorar el Torno que se había desarrollado y mejorar los tiempos, la precisión y la confiabilidad del mecanizado efectuado por el sistema. Se expone en términos generales los sistemas mecánicos y de software y se enfatiza en la implementación del sistema electrónico y de control. Además, se desarrolla una interfaz de usuario con un algoritmo que es capaz de interpretar los perfiles deseados desde un archivo DXF y generar de manera automática, de acuerdo a una estrategia de mecanizado implementada, las operaciones que deberá hacer la herramienta para mecanizar la pieza deseada; Así prescindir de la programación en códigos G y facilitar aun más la manipulación del sistema. Finalmente, se presentan con detalle los resultados obtenidos al finalizar el proyecto.
Palabras clave: Torno, CNC, Control de motores, control de movimiento, microcontroladores.
Recibido 15 de Marzo de 2010. Aceptado 25 de Junio de 2010 Received: March 15, 2010 Accepted: June 25, 2010
SYSTEM DESIGN FOR THE CONVERSION OF A CONVENTIONAL LATHE TO CNC LATHE
ABSTRACT
Aiming at Automation of conventional lathes and technological renovation of old ones, a integrated system is proposed. The work that is presented is the continuation of a previous project [1], in order to improve accuracy, reliability and times during machining in the lathe that was developed. Mechanical and Software systems are slightly exposed. Electronical and control systems are deeply studied. Furthermore, an user interface with an algorithm that can interpret profiles from DXF files is developed. It automatically generates all operations that tool has to do in accordance with the machining strategy implemented. In this way it is possible to dispense with G codes and makes easier the interaction with the system. Finally, results of one of tests are described in detail.
Keywords: lathe, CNC, Motor Control, Movement Control, Microcontrollers
Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Año 6 Número 10, 2010
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1. INTRODUCCIÓN
En el año 2005 se realizo en la universidad de Antioquia en Medellín, Colombia, un proyecto de investigación en el cual se llevo a cabo el diseño y la construcción de un mini Torno de control numérico [2]. Cada eje era conducido por motores paso a paso con control de movimiento sin realimentación. La idea del trabajo presentado en este artículo es mejorar la precisión, confiabilidad y los tiempos del mecanizado efectuado por el sistema para posibilitar y hacer más factible la conversión de tornos convencionales a tornos CNC.
Durante los últimos 5 años, la mayoría de los esfuerzos investigativos en el área de Tornos CNC no se enfocan en la creación de un torno CNC, ni en su automatización, si no en la mejora de la precisión del sistema y en reducir los requerimientos de hardware especializado para la ejecución de los cálculos. Algunos de los trabajos realizados en esta área se presentan a continuación: En [3] se presenta un método para la reducción y compensación del desplazamiento térmico del centro del eje de giro del husillo. En [4] se diseña un algoritmo genético para la selección de herramientas de corte, la planeación de secuencias de la herramienta y la optimización de las condiciones de corte. En [5] se presenta el diseño de un controlador de fuerza. En [6] se desarrolla un método para la estimación del torque de corte sin usar un sensor de velocidad. En [7] se propone un algoritmo DSP para la obtención de los parámetros dinámicos de un servomecanismo desde un encoder óptico incremental. En [8] se propone una implementación de hardware de un torno CNC habilitado con el estándar STEP-NC. En [9] se diseña e implementa un controlador CNC usando hardware reconfigurable. En [2] se estudia el efecto de la geometría de la herramienta de corte y la velocidad de corte sobre la fuerza de corte y la temperatura en la punta de la herramienta. En [10] se desarrolla un sistema de tecnología móvil para monitorear y recibir datos desde maquinas CNC. En [11] se implementa un control para una óptima tasa de remoción de material en un Torno. En [12] se desarrolla un sistema para la adquisición de datos y monitoreo de maquinas herramientas CNC de arquitectura abierta usando Internet. En [13] se realiza un análisis de elementos finitos de la flexión que ocurre durante el corte en una herramienta para Torno HSS. En [14] se diseña un controlador difuso auto configurable para controlar la fuerza de corte y mantenerla constante durante el torneado.
En [15] se plantea el mecanizado multicorte en Torno controlados numéricamente. En [16] se determina la calidad de la precisión de un torno en base a las características dinámicas. En [17] se plantea un nuevo diseño de controlador para incrementar la precisión del sistema.
De todos los trabajos estudiados, el que más se acerca a la problemática que se aborda es una investigación realizada por Zhan Yiqing, Zuo Zhiyong, Xie Yun y Wei Wen en China [18]. Allí se plantea la investigación y la aplicación de tecnologías de automatización en la renovación de viejas maquinas herramientas importadas. En dicha investigación se demuestra que nuevas tecnologías de automatización pueden reducir la inversión monetaria para la renovación de las viejas maquinas y su consumo de energía.
En nuestra investigación se plantea un esquema y un sistema integrado para la automatización de tornos convencionales, los cuales permitirían, aun muy bajo costo, renovar viejas maquinas herramienta en universidades, y en la pequeña y mediana industria. Se presenta una visión general del torno CNC, explicando cada uno de los aspectos y etapas que lo conforman. Se enfatiza en los aspectos ligados a la Electrónica, sensórica y potencia, objetivo principal del artículo.
2. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA CNC IMPLEMENTADO
La Fig. 1. ilustra el esquema general implementado en el proyecto donde:
PC: Es un computador de propósito general dotado de: Un software CAD, en el cual: se diseñan las
piezas. Una interfaz gráfica Un software que genera una estrategia de
maquinados definida y los comandos necesarios para construir la pieza
Una librería para comunicación con la etapa de control.
Tarjeta de control: Basada en: Un microcontrolador que toma la información
suministrada por el PC y la convierte en órdenes o señales de control.
Una tarjeta de potencia con IGBT’s Un sistema y sensores para corregir errores y
proteger el sistema.
F
Tmehp
Dcsielc
F
Fig. 1. Esque
Torno: Máqumecánico accel carro longherramienta dpieza a tornea
Desde el pconcebir el sistemas clargual númeroesta clasificaca participaciócada área [1]
CNC
Fig. 2. Sistem
SISTEMELECTRO
ema general d
ina herramiecionado por mgitudinal, el de corte y ear.
unto de visCNC como ramente dife de disciplinación y su inteón interdiscip, así:
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SISTEMMECAN
MAONIC
del sistema C
nta dotada demotores DC, carro transvl mandril que
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SISTEMASOFTWA
Revist
CNC implemen
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ARE
ta Politécnic
46
ntado.[19]
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Sistemapropiam
Fig. 3. C
ca ISSN 1900
a Mecánicmente dicho F
NUMERO 12345 T67
CNC Impleme
0-2351, Año 6
co: ComprFig. 3
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Carro TranCarro Long
Bancada PrTorreta - Porta H
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entado
6 Número 10,
rende el
BRE Husillo
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, 2010
torno
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3
Ld
Sistema Sofdatos y el prodiseño CADmicrocontrola
Compuesto pas piezas amaquinado, enviados a lo
Fig. 4. Esque
3. INTERFA
La interfaz desarrollada e
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por programa construir, pgenerar los
os microcontr
ema general d
AZ DE USUA
de usuarioen Visual Ba
involucra lade la informac
entrega dz de usuario,
as que permprocesar la e
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del sistema S
ARIO
os es unaasic .NET para
Revist
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de datos alver Fig. 4.
miten diseñarestrategia decretos a sersuministrar la
oftware
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ta Politécnic
47
ell
rera
interfazsistema
Sistemaligados acondicprotecc
n
interaccilustra e
ca ISSN 1900
que permitea.
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cionamiento, ión.
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0-2351, Año 6
e comunicar a
co: Incluye toelectrónicamicrocontrol
operario y la
6 Número 10,
al operador c
odos los aspde pot
lador, sensa
máquina. La
, 2010
con el
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Fig. 5
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4
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F
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Fig. 5. Interfa
4. SISTEMA
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Fig. 6. Sistem
Que se puedgenerales ilus
az Gráfica
A DE CONTR
ectrónico, co objetivo del PC, prootencia que ageneral del s
Fig. 6.
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de identificar stradas en la
ROL
mo se dijo anrecibir la
ocesarla y actuará sobre sistema imple
l CNC.
mediante las Fig. 7
Revist
nteriormente,información
controlar ellos motores.
ementado se
s etapas más
ta Politécnic
48
,nl
e
s
Fig. 7. E
4.1 MCada controlaSC, de emprescomo implemecon reaBásicamprocesaPC) y PWM pmotoresposicióncarro. Eparámecorrespmicroco
ca ISSN 1900
Etapas del sis
MCU uno de los
ado por un propósito es
a JEFFREY una solu
entación de alimentación mente, cada mar las señale
calcular unaara comandas y que, enn, velocidad yEn la Fig. 8, setros más imonden a
ontrolador.
0-2351, Año 6
stema de con
s motores dmicrocontrol
specífico, sKERR, LLC
ución integservo contropor encode
microcontrolaes de entrada acción de car los IGBT’sn última insty torque de lase ilustra, de mportantes a
pines
6 Número 10,
ntrol CNC.
del sistema lador PIC-SEuministrado pC [20], concgrada paraol de motoreers incremenador se encara (procedentcontrol en fo
s que alimentatancia, defina herramientaforma gener considerar yespecíficos
, 2010
está ERVO por la cebido a la es DC ntales. rga de te del
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a y del al, los y que
del
F
Soim
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Electrónicos:A1301. Mecánicos: Aímite máximoredundante pefecto Hall. (F
Fig
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orresponde aavance que d
se suminisa interfaz seria
oque: recibes de Final de
control el punciar y protege
esta señal
sensores d
Activados cuao permitido. Cpara prever Fig. 9).
g. 9. Sistema
ediante este estado de lo
strando y la pesta variable efecto Hanto lineal y reserie con la f
C-Servo SC.
al punto de codebe realizar stra al micral.
n las señalee carrera” quento inicial y eer el torno. Lson básicam
e efecto Ha
ando el carrCorresponde fallas en el
a de protecció
pin, se informos motores: epotencia que c se utilizo u
all Allegro Aesolución de fuente de alim
Revist
onsigna parael motor. La
rocontrolador
es generadase Informan alel punto finalLos sistemas
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ro supera una una señalsistema de
ón.
ma al sistemael torque queconsumen. un sensor deACS712, de60-185mV/A,
mentación del
ta Politécnic
49
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ee,l
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Los cadetermiEstas determi
Fig
4.2 AEl microse encalos term
ca ISSN 1900
er: Los motdinal y el carcoders ópticor cuenta convolución. Seo infrarrojo coque, por softwión de los ento, para cada por revolución
nales A y Bnar la direccseñales puenar el sentido
Fig
g. 11. Identific
Acción de coocontroladorarga de tomaminales Set P
0-2351, Año 6
tores que crro transversaos increment una resoluc
e implementóon señales deware en el mncoders se in
motor la reson.
B, Fig. 10, ción de la roeden ser deo de giro del m
g. 10. Encode
cación Señale
ontrol utilizado en e
ar las señalesPoint y Enco
6 Número 10,
controlan el al, fueron dotales [21]. ción de 400 pó un sisteme cuadratura,
microcontroladncrementada olución es de
son usados otación del mecodificadas motor, Fig. 11
er.
es de encode
el control dels suministradoder, y con
, 2010
carro otados
Cada pulsos
ma de de tal
dor, la a 4X;
e 1600
para motor.
para 1.
r.
l CNC das en éstas,
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Pv
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4
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P
Etév
dentifica la ppor medio dede control máLa acción eje
PWM: aplicavelocidad de
Dirección: Unsentido de gir
4.3 Modo coordi
Permite al movimiento dPIC-Servo Salmacenar unserán los pun
La coordinacsiguiente mantrayectoria decada controlaGrupo para qtiempo de ma
Fig
Perfil trapezo
El microconttrapezoidal deéste, se obtvelocidad sin
Fig. 13.
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ada a los Ilos motores.
na señal binaro que deba t
de contronado (CMC)computador de varios moSC. Cuentana serie de pntos consigna
ción de múltnera, Fig. 12:eseada, envíador individuaue todos los
anera sincrón
g. 12. Contro
oidal de velo
rolador realize velocidad ptiene suavidasobre esforz
. Control trape
a velocidad pador PID digit
para alcanzaomo salida do
GBTs para
aria (1 ó 0) quener el motor
ol de mo[20]coordinar fá
otores con c con un
puntos muy cea para el contr
tiples ejes o: El host (PC)ía una lluvia al y envía un ejes se muevica.
ol de trayector
ocidad [22]
za un controprogramable, ad y movimar el servomo
ezoidal de ve
Revist
para calcular,tal, la acciónar el objetivo.os señales:
controlar la
ue define delr.
vimiento
ácilmente elcontroladoresbuffer paraercanos, querolador.
ocurre de la) discretiza lade puntos acomando de
van al mismo
ria
ol con perfilFig. 13. Con
miento a altaotor.
elocidad
ta Politécnic
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a
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IGBT’s:IRGB40tienen la
- Vol
- Co
- Vo(E)
- Tie
- Dcon
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ca ISSN 1900
Sistema de potores DC sH conformadcual, es posibDC) como s
ra el esquema
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rriente en Co
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empo de conm
Diodo entre nmutación a a
tación: La tos de control,
con dos sontrolador. Poñales de conlo se optó pocon los IGBT
dio de los IGB
0-2351, Año 6
otenciason alimentado por 4 IGBTble controlar u sentido de a utilizado.
Sistema de P
23], [24], [25]figuración pue característic
lector y emiso
olector (C): 18
endido entre D
mutación del
emisor-colecalta velocidad
opología en una por cada
señales sumor tanto se dentrol (PWM yor hacer la vaT Q2, Q4 y BT Q3 y Q4, F
6 Número 10,
ados medianT’s por cada mtanto su velogiro. En la F
otencia
] utilizados soente H, los cas básicas [2
or: 600V.
8ª.
Drain (D) y E
orden de 50N
ctor que ped.
puente H exa motor, y só
ministradas pebió transformy dirección)
ariación del sevariar la velo
Fig. 15.
, 2010
te un motor, ocidad Fig. 14
on los uales,
26]:
Emisor
Ns.
ermite
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en 4. entido ocidad
4LpdpNrdrProipoe
PuSqacCpe
Fig. 15. Co
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F
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e, estos optderable, por a la salide controlar el den de 10Kes molestos a frecuencia al sistema repasar la dehará que se
steriores.
os problemasn transistoreger inversorapera el flancticamente suesistencia deel G para
tre G-E. Enndicionamien
Fig. 16. Acond
2 a 4 señales
odeben ser a cortos o fallaislamiento óectivamente ltoacopladoreslo que defor
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s anteriores, es BJT y una CD40106, co de subidu ciclo de de 10 entre
descargar cla Fig. 16 s
nto.
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Revist
de control.
aisladas parao en la parte
óptico porquelos sistemas.s tienen unman la señalalmente, esecuencias dez para evitarhumano. Por, los retardosde potencia
sufrida de laclo de dureza
se introducea compuertade tal formaa inicial, sindureza y sela salida del
capacitanciasse resume la
o
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4.6 FPara loregulad
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Fig. 18.
4.7 Sm
El sistesistema19. Cadcomo ree inconvA continilustrada
Host: C
Convercomunic
ca ISSN 1900
Fuentes alimeos motores:a de 90V y 5A-
Fig. 17.
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. Fuente circu
Sistema de microcontrolaema de coma de Control da uno de loespuesta a uvenientes, prnuación, se eas.
Fig. 19.
Corresponde a
rsor USB-RScación USB
0-2351, Año 6
entaciónSe diseño
A, ver Fig. 17
Fuente Motor
sparo: Como (Q2 y Q4
or. Por éste htes de dispatra para Q3,
uitos de dispa
comunicaciadores y el Punicación imNumérico seos bloques h
una evaluacióropias de ésteexplica cada
Acondicionam
al PC.
S232: Se debdel PC al p
6 Número 10,
o una fuent7:
res DC
se observa 4) de los IGhecho se debro, una paraFig. 18.
aro
ión entre loPC
mplementado e ilustra en laha sido concón de posibilide tipo de sisteuna de las e
miento
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, 2010
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RS232, el cumicrocontrola
Conversor R485, debido entre el PC ycomandan el de la máquinde sus venta(Transmisión máximo de la100kbps y configuración
Fig. 20. Direc
El procedimsiguiente: Catodos los mdefecto 0x0ADDR_OUT desactivansubsecuentesde los módencuentredesactivada. módulos queADDR_IN. Emódulos adesactivada yel primer móddefecto a tiera comunicarsque está acdirección a 0cambiara el ede tal formasiguiente mód
ual es el proadores.
RS232-RS485a que era
y los diferentemovimiento
a. Además, fajas tales com
diferencial a señal de ap
capacidad n maestro/es
ccionamiento
miento de dada vez que módulos arra00, y sus
arrancan enla comunicas, ya que poulos, mientraen 1 su Únicamente
e tengan enEn ese ordearrancan coy únicamentedulo, el cual trra (en cero). se con el móctivo en ese 0x01 e inmedestado de sua que activadulo, el cual
otocolo que
5: Se optó ponecesario cr
es microcontrde cada uno
fueron evaluamo su inmun
balanceadaproximadame
de trabaclavos [27].
o de módulos.
direccionamieel sistema encan con dpines corre
n 1, de tal ación de loor característas el pin A
comunicactendrán com
n cero lógicoen de ideason su ce tendrá la ctiene su pin AEl computad
ódulo 1 de dimomento,
diatamente du salida ADDara la comutomará la di
Revist
soportan los
r el protocolorear una redoladores queo de los ejesadas muchasidad al ruido), alcance
ente 1200m aajar en la
Para poder
.
ento es els encendido,
dirección porespondientesmanera queos módulosticas propias
ADDR_IN seción estaráunicación loso su pin des, todos loscomunicacióncomunicaciónADDR_IN pordor empezarárección 0x00cambiará su
dicho móduloDR_OUT a 0,unicación delrección 0x00
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52
s
odessoeaar
trabajarimplemede creacolision
4.7.1 DUna pcomunicmódulosdel micrdos móindica e
l,rsesseásesnnrá0uo,l
0
por defvolverá0x00 acaso a pin Acomunicprocedino recib0x00.
4.7.2 PLas traentre el
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Cabecera
(1 Byte)
ca ISSN 1900
r en ésta entar RS485
ar una red dees de informa
Direccionamiparte importcación es s (esclavos).rocontroladoródulos debeen la Fig. 20.
fecto. Una vea comunicar
ctivo y camb0x02. IgualmDDR_OUT cación del simiento continba respuesta
Protocolo [20mas utilizada PC y los mó
de datos del
a Dirección del módulo
(1 Byte)
0-2351, Año 6
configuraciófull dúplex (4datos segura
ación.
ento [20] tante para el direccionPara ello, se
r: ADDR_IN yn estar con
ez hecho esrse con el mbiara su dire
mente dicho men cero
guiente módnuara hasta qde ningún m
0]:as para realizdulos son las
l PC al MCU
Comando
(1 Byte)
d
(
6 Número 10,
ón fue nece4 Líneas), cona, donde se
el sistemanamiento dee utilizan dos y ADDR_OUTectados com
sto, el compuódulo de dire
ección ya enmódulo coloca
y habilitarulo si lo hayque el compu
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ar la comunics siguientes:
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(0 a 15 Bytes) (
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ecera: Es utiln, e indicarle n comando v
cción del módla red debe
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onales del Cnecesaria paanera correct
tos del MCU
Bytes Adde E
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a modular pecaciones mecnvencionales ediana indust
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mo su nombmódulo debe nales que re
Comando: Cara que el ta.
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na el estadosobre corrie
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re lo indica,ejecutar, y elequiere este
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sistema CNCpruebas de
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cto, se cuenura general 21.
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imiento, si s, si hay error
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etodología panicación. Si enenviado al ma, se enviarandica éste er
ta con un sisse resume
CNC.
ez, como peocomo alum
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Una de las pde un peón ese muestra estrategia de desarrollado s
Figura 22. Pl
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Profundid
Velocidad
Velocidad
Velocidad
RevolucioAceleració
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se presentan
ano del peón
rayectorias dmecanizado
1 se detallanara el mecs teniendoones dadas e
arámetros dedel peón en L
Parámetro
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e la herramieutilizada.
los parámetcanizado. Eo en c
en [28].
e corte utilizLatón.
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Acabado
s del Husillo 202
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Con respecto a la precisión del sistema, es de aclarar que fuera de los errores inducidos por los sistemas mecánicos uno de los problemas principales que afectaban en gran medida la precisión de la maquina es que, de acuerdo al diseño del sistema, el usuario debe ingresar el diámetro del cilindro base y ubicar manualmente el cero de la pieza haciendo un ligero roce con la superficie del cilindro base. Debido a esto, el maquinado no se ejecuta desde el radio de la pieza medido e ingresado, sino desde una longitud igual al radio original menos la distancia que se penetro en el roce. A pesar de ser una distancia muy pequeña, sumada con los errores propios del sistema mecánico, da como resultado errores dimensionales considerables y que pueden ser muy significativos en la mayoría de las ocasiones. Por otra parte, un problema que se presenta durante el mecanizado es que la velocidad del husillo varía cuando es frenado por la fricción generada entre la herramienta y la pieza de trabajo durante el corte. Esto se debe a que el motor del mandril no cuenta con un control que asegure una velocidad constante independiente de la fuerza y el torque requerido para efectuar el corte.
7. CONCLUSIÓN
El sistema que se detalla en el artículo, está fundamentalmente ligado al bloque “CONTROL MOTORES” para el cual se optimizó el sistema de control, mediante un microcontrolador pre-programado para control de Servomotores, se acondicionó motores DC y se mejoró el sistema de potencia, se dotó con sensores de control y protección, con lo cual se mejoraron la prestaciones del CNC. Por último, se desarrolló un protocolo de comunicación (RS485), que permite comunicar el PC, con el sistema de control. Los resultados y experiencias adquiridas en el desarrollo de esta etapa del proyecto, posibilitaron mejorar la primera versión del sistema y facilitan aún más el desarrollo de futuras aplicaciones adaptadas a tornos convencionales. Haciendo una comparación entre el sistema desarrollado en el 2005 y el nuevo sistema, es mucho más rápido, más preciso, ofrece un mejor acabado superficial y además redujo los tiempos de mecanizado alrededor de un 77%.
8. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo es un resultado del proyecto MCO7-1-03. Los autores agradecen a la Universidad de Antioquia, a su Comité para el desarrollo de la investigación CODI. Al Profesor Orlando Carrillo Perilla, que con su apoyo y sugerencias enriqueció el desarrollo del proyecto.
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