Control de una máquina herramienta por el puerto paralelo de una computadora

Enviado por La Automatización como una Alternativa.

Durante los últimos años está surgiendo con gran fuerza un área de conocimiento conocido como "MECÁTRONICA" que trata sobre aplicaciones de ingeniería en las que intervienen la mecánica y electrónica junto con la automática y control.

En esta área de conocimiento se trata de poner en común, conocimientos de áreas tan dispares para resolver de forma ventajosa problemas en los que hasta ahora solo se utilizaban soluciones puramente mecánicas.

Uno de los ejemplos más claros de esta nueva tendencia es el de las Maquinas-Herramienta

En las que la introducción del control numérico ha permitido ganar en calidad, productividad y flexibilidad de producción.

El objetivo primordial es en este trabajo el de adentrar a los alumnos en esta inmensa área del conocimiento, tan extensa como interesante.

La Automatización como una Alternativa.

Como se ha visto, las tendencias de globalización y segmentación internacional de los mercados son cada vez más acentuadas. Y como estrategia para enfrentar este nuevo escenario, la automatización representa una alternativa que es necesario considerar.

Los países de mayor desarrollo, poseen una gran experiencia en cuanto a automatización se refiere y los problemas que ellos enfrentan en la actualidad son de características distintas a los nuestros. Por lo cual es necesario precisar correctamente ambas perspectivas.

Dificultades en la Industria Actual.

Entre los problemas industriales de estos países desarrollados podemos mencionar:

Existe cada vez una mayor exigencia en la precisión.
Los diseños son cada vez más complejos.
La diversidad de productos hace necesario la tendencia a estructuras de producción más flexibles.
Se tiende a incrementar los tiempos de inspección.
Los costos de fabricación de moldes es mayor y se hace necesario minimizar errores.
El tiempo de entrega de los productos tiende a ser cada vez más reducido.

La formación de instructores es cada vez más difícil, pues se hace necesario personal cada vez más experimentado

El Ambiente de Trabajo.

El entorno del ambiente industrial se encuentra frecuentemente con situaciones tales como:

Escasez de mano de obra calificada.
Producción masiva de múltiples modelos de un mismo producto.
Ambiente de producción y taller poco atractivo.

Estos aspectos son más fácil de encontrar en sociedades industriales, que en países subdesarrollados.

Tipos de Automatización.

Existen cinco formas de automatizar en la industria moderna, de modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más adecuado.

Los tipos de automatización son:

Control Automático de Procesos
El Procesamiento Electrónico de Datos
La Automatización Fija
El Control Numérico Computarizado
La Automatización Flexible.

El Control Automático de Procesos, se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios (generalmente químicos y físicos); un ejemplo de esto lo podría ser el proceso de refinación de petróleo.

El Proceso Electrónico de Datos frecuentemente es relacionado con los sistemas de información, centros de cómputo, etc. Sin embargo en la actualidad también se considera dentro de esto la obtención, análisis y registros de datos a través de interfases y computadores.

La Automatización Fija, es aquella asociada al empleo de sistemas lógicos tales como: los sistemas de relevadores y compuertas lógicas; en embargo estos sistemas se han ido flexibilizando al introducir algunos elementos de programación como en el caso de los (PLC’S) O Controladores Lógicos Programables.

Un mayor nivel de flexibilidad lo poseen las máquinas de control numérico computarizado. Este tipo de control se ha aplicado con éxito a Máquinas de Herramientas de Control Numérico (MHCN). Entre las MHCN podemos mencionar:

Fresadoras CNC.
Tornos CNC.
Máquinas de Electro erosionado
Máquinas de Corte por Hilo, etc.

El mayor grado de flexibilidad en cuanto a automatización se refiere es el de los Robots industriales que en forma más genérica se les denomina como "Celdas de Manufactura Flexible".

Qué es el CNC?

C.N.C. se refiere al control numérico de máquinas, generalmente Máquinas de Herramientas. Normalmente este tipo de control se ejerce a través de un computador y la máquina está diseñada a fin de obedecer las instrucciones de un programa dado.

Esto se ejerce a través del siguiente proceso:

Dibujo del procesamiento

Programación.
Interfase.
Máquinas Herramientas C:N:C.

La interfase entre el programador y la MHCN se realiza a través de la interfase, la cual puede ser una cinta perforada y codificada con la información del programa. Normalmente la MHCN posee una lectora de la cinta.

Características del C.N.C

La MHCN posee las siguientes ventajas:

Mayor precisión y mejor calidad de productos.
Mayor uniformidad en los productos producidos.
Un operario puede operar varias máquinas a la vez.
Fácil procesamiento de productos de apariencia complicada.
Flexibilidad para el cambio en el diseño y en modelos en un tiempo corto.
Fácil control de calidad.
Reducción en costos de inventario, traslado y de fabricación en los modelos y abrazaderas.
Es posible satisfacer pedidos urgentes.
No se requieren operadores con experiencia.
Se reduce la fatiga del operador.
Mayor seguridad en las labores.
Aumento del tiempo de trabajo en corte por maquinaria.
Fácil control de acuerdo con el programa de producción lo cual facilita la competencia en el mercado.
Fácil administración de la producción e inventario lo cual permite la determinación de objetivos o políticas de la empresa.
Permite simular el proceso de corte a fin de verificar que este sea correcto.

Sin embargo no todo es ventajas y entre las desventajas podemos citar:

Alto costo de la maquinaria.
Falta de opciones o alternativas en caso de fallas.
Es necesario programar en forma correcta la selección de las herramientas de corte y la secuencia de operación para un eficiente funcionamiento.
Los costos de mantenimiento aumenta, ya que el sistema de control es más complicado y surge la necesidad de entrenar al personal de servicio y operación.
Es necesario mantener un gran volumen de producción a fin de lograr una mayor eficiencia de la capacidad instalada.

El Factor Humano y las Máquinas C.N.C.

En esta sección, veremos el tipo de conocimiento y/o habilidades que debe poseer un operador C.N.C.

El operador de CNC deberá tener conocimientos en geometría, álgebra y trigonometría.
Deberá conocer sobre la selección y diseño de la Herramienta de Corte.
Dominar los métodos de sujeción.
Uso de medidores y conocimientos de metrología.
Interpretación de Planos.
Conocimientos de la estructura de la máquina CNC.
Conocimientos del proceso de transformación mecánica.
Conocimientos de la programación CNC.
Conocimientos del Mantenimiento y operación CNC.
Conocimientos generales de programación y computadores personales.

Existen algunos otros aspectos de tipo humano que se derivan de la utilización del control numérico; entre los que podemos mencionar:

Una persona puede operar varias máquinas simultáneamente.
Mejora el ambiente de trabajo.
No se requiere de una gran experiencia.
El programa tiene el control de los parámetros de corte.

Todos estos aspectos pueden representar cambios culturales dentro del ambiente del taller; sin embargo si se es hábil la adaptación será bastante rápida.

Uso del C.N.C.

¿Cuándo emplear el C.N.C?

La decisión sobre el cuándo es necesario utilizar M.H.C.N.?, muchas veces se resuelve en base a un análisis de producción y rentabilidad; sin embargo en nuestros países subdesarrollados, muchas veces existe un factor inercial que impide a los empresarios realizar el salto tecnológico en la medida que estas personas se motiven a acercarse a estas tecnologías surgirán múltiples alternativas financieras y de producción que contribuirán a mejorar el aspecto de rentabilidad de este tipo de inversión. Por otro lado una vez tomado este camino se dará una rápida transferencia tecnológica a nivel de las empresas incrementando el nivel técnico. Fenómenos como éstos no son raros, pues se dan muchas veces en nuestros países al nivel de consumidores. Sobre todo en Panamá.

Somos consumidores de productos de alta tecnología y nos adaptamos rápidamente a los cambios que se dan en productos tales como: Equipos de Alta Fidelidad, Automóviles, Equipo de Comunicación y Computadores. Entonces, ¿Por qué ser escépticos? y pensar que no somos capaces de adaptar nuevas tecnologías productivas a nuestra experiencia empresarial.

Veamos ahora como se decide la alternativa de usar o no C.N.C. en términos de producción:

Cuando se tienen altos volúmenes de producción.
Cuando la frecuencia de producción de un mismo artículo no es muy alta.
Cuando el grado de complejidad de los artículos producidos es alto.
Cuando se realizan cambios en un artículo a fin de darle actualidad o brindar una variedad de modelos
.Cuando es necesario un alto grado de precisión.

FIG 1

FIG 3

FIGURA 4

LA UNIDAD DE CONTROL

Como primer paso para el diseño de cualquier equipo, surge la pregunta quien controlará el proceso de la maquina herramienta; existen dispositivos de control en memorias que tienen la facilidad de programar y reprogramar, estos circuitos se les conocen como pic´s o memorias EPROM .

Otro sistema de control sería un PLC mismo que se utiliza para el control de diversos procesos y mecanismos en la industria.

Para nuestro objetivo vamos a utilizar un computador cualquiera, inclusive de deshecho pues los requerimientos son mínimos, esto es con el fin de que se pueda obtener el ordenador con facilidad, y casi sin costo, con un simple lector de discos de 3 ½ es suficiente.

El siguiente paso es: identificar la conexión de salida; esta será por medio del puerto paralelo de la misma a continuación se muestra el esquema de identificación del mismo.

FIG 5

Salida hembra del computador(DB25)

En el diagrama podemos observar del pin 2 marcado como D0 al pin 9 marcado como D7 tenemos 8 salidas A estas unidades básicas de información se les conoce con el nombre de BIT y el conjunto de 8 que tenemos a disposición se le conoce como BYTE . Las cuales podemos activar o desactivar a nuestro criterio para encender o apagar cualquier dispositivo eléctrico, las salidas de la 18 a la 25 corresponden a tierra.

Esta señal que es de 3.5 a 4.5 voltios de de unos cuantos mili amperes es suficiente para disparar un optoacoplador necesario para aislar el equipo de control y la maquina herramienta y no sufra daños por algún descuido o accidente en el manejo. Un relevador vendrá a completar el dispositivo interfase (enlace entre el ordenador y la máquina) el cual tiene 8 diodos leed que nos indicarán cual de las salidas está activada.

Fig. 6 Circuito de acoplamiento (Interface)

En el circuito anterior que se caracteriza por su sencillez; ya que solo consta de dos elementos que son el optoacoplador y un relevador su función es sumamente simple: de la salida del puerto paralelo (D0 al D7) se aplica al positivo del optoacoplador y este a su vez activa el fototransistor permitiendo el paso de la corriente por el relevador abriendo y cerrando los platinos haciendo la función de apertura y cierre de los circuitos con una capacidad de 10 amperes Y 110 volts

Pudiendo controlar una carga de tales características. Por cada uno de sus 8 puertos.

En nuestro proyecto manejamos dos salidas por triac estos son dos optoacopladores con una capacidad para corriente alterna de hasta 220 volts y 20 amperes (un solo componente de acoplamiento) el cual utilizaremos para la puesta en funcionamiento de los motores principales y seis a relevador con las características antes mencionadas para el manejo y control de los 3 motores de C.C. hacia delante y hacia atrás.

SALIDAS DE CORRIENTE ALTERNA

En la imagen de la izquierda observamos el Relevador de estado sólido con salida a triac Mismo que actúa directamente como opto-Acoplador, es un relevador con entrada de 3 a 30 voltios CD; una salida 240 VCA 20 A.

Se dispone de dos salidas de este tipo para el o los motores de CA que funcionan directamente desde la computadora u otras aplicaciones en CA.

Motores

Cuatro motores utilizamos en este Proyecto: el principal de 1/3 HP CA para la rotación de la herramienta

De corte y tres como el de la fig. de abajo de corriente continua con transmisión de engranes.

Motor de C.C

CONTROL DE VELOCIDAD

Este circuito consta de un circuito 555 generador de pulsos, estos se controlan

por el potenciómetro de 100 K los pulsos son amplificados por un transistor de

Efecto de campo que nos da la potencia y el control requeridos.

Para el efecto de los movimientos podemos utilizar cualquier tipo de motor,

De pasos, Servo, o de corriente directa, con lo que estemos familiarizados o

Que nos sea útil para la aplicación que estemos buscando.

Fig. 7 Circuito Regulador de velocidad para los motores

La máquina herramienta

Para este fin utilizamos un pequeño taladro con prensa de doble movimiento esta nos dará el desplazamiento positivo y negativo para el eje X y para el eje Y.

De la misma manera el desplazamiento del material a trabajar.

Y para el desplazamiento de la herramienta Z hacia abajo (negativo) y de regreso hacia arriba (positivo)

Los tres servomotores que efectuaran dicha función serán activados convencionalmente de la siguiente manera:

Como podemos observar el valor numérico de los bits es en base 2 esto es que se cuentan de derecha a izquierda iniciando con 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 etc. Como podemos ver a continuación:

En este caso activamos el BIT 16 que corresponde al desplazamiento del material a procesar adelante en el eje de las"Y" positivo. Anotamos activar el

Quinto bit que corresponde al bit 16

Programa en QBASIC

Los comandos utilizados en el programa son:

OUT ACTIVAR PUERTO PARALELO

&H378, NOMBRE DEL PUERTO

Numero de BIT BIT ACTIVADO

SLEEP NOS DETIENE EL ULTIMO COMANDO DURANTE EL

TIEMPO QUE LE ASIGNEMOS EN SEGUNDOS.

Ejemplo:

OUT &H37 8, 1 ACTIVAR BIT 1

SLEEP 1 ESPERAR UN SEGUNDO

OUT &H378, 16 ACTIVAR BIT 16

SLEEP 2 ESPERAR 2 SEGUNDOS

OUT &H378, O APAGAR (cero bits activados)

MOVIMIENTOS CONBINADOS

En el tercer desplazamiento. Sumamos el BIT 16+64 para obtener un movimiento diagonal al activar ambos motores.

Una vez que se haya familiarizado con el programa QBASIC se pueden hacer los desplazamientos

tanto de cualquier maquina herramienta como de un equipo eléctrico en especial. Además que existen controles precisos para el conteo de las revoluciones o partes de ellas dividiendo un giro de husillo o motor con un disco strobo en las partes o grados que se requieran.

El objetivo de este trabajo es el de iniciar al estudiante, trabajador, industrial, Etc. en el manejo del control numérico, la automatización y control de procesos una computadora de desecho(solo utilizamos el lector de 3 1/2 memoria mínima y minimo procesador, dos elementos como se describió anteriormente que son el optoacoplador y un relevador de bajo precio tenemos lo básico.

Pocos pesos, muchas ganas y gusto por la Mecatrónica se pueden hacer maravillas.

Presentación final del equipo.

Prof. Manuel Alonso Sánchez

Escuela Preparatoria Nº 10

Universidad de Guadalajara Mex.