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Capítulo 1

Funciones básicas de programación con CNC

1. Introducción

Dentro de una empresa dedicada al mecanizado de piezas por arranque de viruta, los profesionales en producción por mecanizado pueden ocupar diferentes puestos de trabajo relacionados con la fabricación mediante sistemas CNC.

El trabajo con máquinas herramientas automáticas de control numérico implica la realización de múltiples actividades, como pueden ser labores de manejo, preparación, puesta a punto y por supuesto, fabricación de piezas. En la mayoría de los casos, los programas de control numérico necesarios para la fabricación de las piezas los realizarán los especialistas programadores en el departamento de programación u oficina técnica. No obstante, es muy común que el propio operario de este tipo de máquinas lleve a cabo pequeñas modificaciones y/o correcciones a pie de máquina de programas de control numérico y que realice programas para la fabricación de piezas de geometría sencilla.

Para el correcto desempeño de cualquiera de las actividades mencionadas anteriormente, será imprescindible disponer de nociones sobre las funciones básicas de programación con CNC.

2. Sistemas de coordenadas y puntos de origen

El Control Numérico Computerizado (CNC) es un sistema de automatización que aplicado a una máquina herramienta controla todas las acciones de la misma, consiguiendo que esta ejecute una secuencia de operaciones y movimientos que se establecen previamente en el programa CNC. De este modo se puede automatizar diferentes acciones de una máquina, como pueden ser los movimientos de los carros y el cabezal, los cambios de herramientas, las velocidades de trabajo, etc.

El programa CNC consiste en un conjunto de instrucciones detalladas que indican a la máquina lo que debe hacer, siguiendo una secuencia lógica de trabajo. El programa se escribe sobre un archivo informático, utilizando un lenguaje especial (código) que incluye letras y números.

Ejemplo de una trayectoria de una herramienta de corte que debe generar una geometría sobre una pieza

Nota

El programador establece las trayectorias que deben seguir las herramientas definidas de acuerdo con un sistema de coordenadas y las condiciones de trabajo y traduce estos datos a un lenguaje o código que sea capaz de entender la máquina.

2.1. Sistemas de coordenadas

Para definir en el programa CNC las trayectorias que debe seguir la herramienta se define la posición de una serie de puntos. Para que la máquina pueda trabajar con las cotas de posición especificadas, estos datos deben darse en un sistema de referencia que coincida con las direcciones de desplazamiento de los carros de los ejes. Para ello, se utiliza un sistema de coordenadas con los ejes X, Y y Z. Este es el denominado sistema de coordenadas cartesiano. En tornos basta un plano para definir el contorno, mientras que para fresados es necesario indicar también la profundidad (penetración).

Definición de la posición de puntos en sistemas de coordenadas cartesianas rectangulares bidimensional usado para tornos (izquierda) y tridimensional usado para fresadoras (derecha)

Cuando se desea indicar una secuencia correlativa de puntos existen dos modos diferentes de hacerlo:

1 Coordenadas absolutas: todas las posiciones introducidas están referidas al origen. Esto se traduce en que para el desplazamiento de la herramienta la cota absoluta describe la posición a la que se deberá desplazar la herramienta.

2 Coordenadas relativas o incrementales: cada posición está referida al punto anterior. Esto se traduce en que para el desplazamiento de la herramienta la programación en incremental indica a qué distancia se debe de desplazar el útil. Dicho de otro modo, la distancia (en las direcciones coordenadas) que hay que recorrer desde el punto en el que se encuentra hasta llegar al siguiente punto.

Ejemplo

Indicación de posición de puntos en coordenadas absolutas:

1 P1: X20 Y35.

2 P2: X50 Y60.

3 P3: X70 Y20.

Posición de puntos en un sistema de coordenadas cartesiano empleando acotación absoluta

Indicación de posición de puntos en coordenadas incrementales:

1 P1: X20 Y35; (referido al origen).

2 P2: X30 Y20; (referido a P1).

3 P3: X20 Y-35; (referido a P2).

Posición de puntos en un sistema de coordenadas cartesiano empleando acotación incremental

Existe otra posibilidad para definir las coordenadas de un punto, el sistema de “coordenadas polares”. El sistema de coordenadas polares se utiliza generalmente cuando la pieza o una parte de ella está acotada con radios y ángulos. El punto donde se cortan los radios se denomina “polo”.

Ejemplo

Indicación de posición de puntos en coordenadas polares:

1 P1: radio = 100 ángulo = 30°.

2 P2: radio = 60 ángulo = 75°.

Posición de puntos en un sistema de coordenadas polares

Para obtener una determinada geometría sobre una pieza mediante arranque de viruta, cualquier máquina herramienta dispone de movimiento relativo entre pieza y herramienta en los ejes coordenados del espacio.

Nota

Esto posibilita mecanizar en la pieza, y según la tipología de máquina, diferentes tipos de superficies planas o curvas.

El movimiento relativo entre la pieza y la herramienta de corte puede efectuarse de diferentes maneras. Puede desplazarse la herramienta mientras que la pieza se mantiene inmóvil o viceversa. También puede darse el caso combinado de que alguno de los movimientos (en X, Y o Z) lo tenga la herramienta y el resto la pieza. Lo anterior depende de la estructura elegida por cada fabricante de máquinas herramientas para cubrir las diferentes necesidades de la industria. Para que un programa de CNC pueda controlar tanto una máquina como otra, se determina que solo se moverá la herramienta, permaneciendo la pieza quieta.

Esta forma de interpretar los movimientos y los ejes de coordenadas hace mucho más sencilla la programación, pues no se tiene que pensar continuamente qué es lo que verdaderamente se mueve.

2.2. Regla de la mano derecha

Como ayuda nemotécnica para conocer la dirección positiva (+) de los diferentes ejes de movimiento de cualquier máquina sirve la llamada regla de la mano derecha (según DIN 66217).

Situándose delante de la máquina con el dedo corazón de la mano derecha en dirección opuesta a la dirección de penetración del cabezal, entonces:

1 El pulgar indica el sentido +X.

2 El índice indica el sentido +Y.

3 El dedo corazón indica el sentido +Z.

3. Estructura de un programa CNC

Un programa de control numérico es un conjunto de información codificada que se traduce en una serie de órdenes y pasos que se producen de forma correlativa. Estas órdenes tienen que efectuarse en una secuencia lógica establecida para que el control de la máquina herramienta sea capaz de ejecutarlas.

La labor o conjunto de tareas que son necesarias realizar para obtener un programa de control numérico se denomina programación. Por lo tanto, el objetivo del hecho de programar es obtener un programa CNC con el que se pueda mecanizar una determinada pieza.

Todo programa CNC contiene y va alternando información de tipo geométrico (trayectoria de la herramienta, situación del origen de coordenadas, etc.) y de tipo tecnológico (dimensiones de herramienta, datos de corte, uso de refrigerante, etc.).

Según la clase de estructura del programa, la programación CNC puede ser del tipo cerrada o abierta. La del tipo cerrada es la clase de programación que se realiza siguiendo una tabla o estructura de forma más o menos aislada. Este sistema de programación se utiliza poco actualmente.

Ejemplo

En este fragmento de estructura cerrada se puede observar como las líneas del programa están perfectamente estructuradas, y aunque falte algún dato en alguna de las líneas, la casilla o espacio correspondiente se tiene que respetar.

La programación del tipo abierta es la más utilizada por los fabricantes de controles y se trata de un sistema que permite escribir líneas con solamente dos caracteres o líneas con hasta 250 caracteres, pero con unas normas a respetar y en el orden de escritura predeterminado.

Ejemplo

En este fragmento de programa de estructura abierta se puede observar como las líneas contienen solamente los caracteres correspondientes a las funciones deseadas, siguiendo únicamente ciertas normas y orden de escritura.

N10 G00 G90 X-20 Y-5 Z30 F120 S1200 T2.2

N20 Z-3

N30 G01 X130 M03 M08

N40M05

N50 M30

3.1. Sistema ISO de programación CNC

El sistema ISO es un estándar de normalización, y como ocurre en otros ámbitos de la industria tiene como objeto la estandarización internacional de normas en la fabricación. En este caso está aplicado a la estructura de programación CNC.

La mayoría de los fabricantes actuales de sistemas de control numérico basan sus lenguajes de programación en el estándar ISO. No obstante, la tecnología de fabricación y las innovaciones de los fabricantes han evolucionado más rápido que la normalización, y esto ha llevado a que existan diferencias e incompatibilidades entre los lenguajes de programación de las distintas marcas.

Nota

A pesar de ello las estructuras de programación son muy similares, por lo que, una vez aprendido un sistema, resulta fácil adaptarse al resto.

3.2. Frases y palabras en programación CNC

La estructura básica de un programa CNC está compuesta por frases o bloques, y las frases contienen palabras.

Por lo tanto, un programa para la mecanización de una pieza con una geometría en particular estará compuesto por un texto con una serie de líneas (desde unas pocas hasta miles) que se llaman bloques o frases y esas frases contienen palabras (una sola o varias). Como se muestra más adelante, las palabras están formadas por letras y números. La unidad de control de la máquina herramienta CNC lee las frases en el orden en el que se han escrito en el texto, y conforme a las palabras que contenga cada frase, la máquina realizará un movimiento o actividad. Por eso es necesario que el operario de este tipo de máquinas y el técnico de programación conozcan todos estos términos y su significado.

En la estructura de frases de un programa completo de CNC se suelen distinguir tres partes:

1 Cabecera de programa.

2 Secuencia de movimientos para el mecanizado.

3 Fin de programa.

Aunque el estándar de normalización ISO no obliga a seguir esta estructura de tres partes diferenciadas, ni hace referencia a los contenidos que debe incluir cada una de ellas, la experiencia práctica ha demostrado su enorme utilidad, reduciendo los tiempos de preparación y ajustes durante el trabajo, así como disminuyendo el número de incidentes en la fabricación. De forma general, esto puede cambiar según las preferencias del programador o forma de trabajo dentro de la empresa.

Los contenidos recomendados para cada una de las tres partes fundamentales de un programa CNC son los siguientes:

1 Cabecera de programa: identificación del programa, pieza que se fabrica con él, plano asociado, cliente, operaciones que se realizan en el programa, descripción de las herramientas de corte, sistema de coordenadas utilizado para definir la posición de puntos y sistema de unidades empleado por el programador, formato de velocidad de avance y cualquier comentario que resulte útil a los profesionales que intervienen en el proceso de elaboración del producto.

2 Secuencia de movimientos para el mecanizado: suele ser la parte más extensa del programa y es la encargada de definir con cada uno de sus bloques las trayectorias de movimiento de la herramienta sobre la pieza produciendo el arranque de viruta hasta obtener la geometría final de la pieza.

3 Fin de programa: suele incluir funciones específicas que indican a la máquina que el proceso de mecanizado ha terminado. Además es recomendable que contenga órdenes que desactiven otras funciones modales que han sido activadas en las partes anteriores del programa y que pueden producir acciones inesperadas sobre la máquina al comenzar con un trabajo o pieza nueva.

Incluso en sistemas de programación abierta es necesario respetar una serie de normas a la hora de construir las frases y palabras que van a componer un programa. Cada fabricante de controles tiene criterios diferentes, pero a continuación se indican algunas consideraciones o recomendaciones generales con los que suelen coincidir muchos controles:

1 Todos los programas CNC deben tener un nombre o un número que lo identifique. Algunos controles numéricos solo aceptan números.

2 % debe aparecer como primer carácter en la primera frase del programa.

3 Todas las letras se escribirán en mayúsculas.

4 Existen datos (palabras) modales que actúan como un interruptor. Es decir, una vez se activan no es necesario repetir la orden hasta que sea necesario cambiarla por otra diferente.

Ejemplo

Estos dos extractos de un programa son equivalentes porque muchas funciones en programación ISO son modales.

4. Funciones genéricas

A continuación, se enumeran los tipos de palabras que se emplean para escribir las frases que componen un programa CNC:

1 N - Número de frase o bloque.

2 G - Funciones preparatorias.

3 X - Coordenada.

4 Y / Z - Coordenada.

5 F - Indicación de la velocidad de avance.

6 S - Velocidad de giro de la herramienta.

7 T - Nº de herramienta.

8 D - Corrector de herramienta.

9 H - Corrector de herramienta.

10 M - Funciones auxiliares.

11 (----) - Comentarios.

Ahora y en los próximos epígrafes de este capítulo se estudiará con más detalle la aplicación y modo de empleo de cada una de estas palabras “tipo” dentro de la estructura de un programa CNC.

4.1. N - Número de frase o bloque

Esta palabra está compuesta por la letra N seguida de un número que debe estar comprendido entre 0 y 9999. El número que se le conceda queda a elección del programador, siempre teniendo en cuenta que el orden de ejecución lo realizará en sentido numérico ascendente.

Es recomendable programar con un intervalo de 10 en 10, pues si al escribir un programa se tiene que intercalar un bloque con posterioridad entre otros dos, no se podrá realizar si los números son correlativos.

En muchos controles no es obligatorio su empleo, no obstante, se recomienda su uso para una mayor facilidad a la hora de la localización de una frase.

4.2. G - Funciones preparatorias

Las funciones preparatorias, también conocidas como G-codes o códigos G, están compuestos por la letra G seguida de un número de dos dígitos entre 00 y 99. Indican al sistema todos los datos que utilizará para realizar los movimientos de la máquina.

En una misma frase de programación se puede escribir más de una función (palabra) de este tipo, siempre y cuando no sean contradictorias entre sí.

Ejemplo

Con la función G02, el programador ordena a la máquina que realice un movimiento interpolado circular a derechas (sentido horario), mientras que con la función G03, se consigue un movimiento del mismo tipo, pero en sentido contrario (anti horario). Si se escriben las dos funciones en una misma frase o bloque del programa el sistema ejecutará solamente la última que lea o en algunos casos informará de que existe un error.

Si la función tiene como primer carácter un 0 se puede escribir usando los dos dígitos u obviando el cero de la izquierda (ejemplo: G01 = G1).

A continuación, se muestra el listado de funciones preparatorias para el control numérico del fabricante Fagor, modelo FAGOR 8025.

4.3. X - Coordenada

Esta palabra está compuesta por la letra X seguida de un número. En máquinas con tres ejes de movimiento como fresadoras CNC y centros de mecanizado, este número define la posición del cabezal de la maquina (eje de la herramienta) en dirección del eje de coordenada “X” respecto al cero pieza o centro de referencia que el programador ha fijado al comenzar a realizar el programa. En tornos CNC este número define la posición de diámetros o radios del mecanizado de la pieza de trabajo.

El formato a utilizar es un número de cuatro dígitos para la parte entera y cuatro dígitos para la parte decimal, en un rango de datos que va desde −9999.9999 hasta 9999.9999.

4.4. Y / Z - Coordenada

Todo lo indicado para la palabra correspondiente a la coordenada “X” ocurre para las coordenadas “Y” y “Z”. Para torno CNC la coordenada Z se corresponde con las longitudes del mecanizado.

El orden de colocación de las tres coordenadas ha de ser siempre el mismo: X, Y, Z. Las coordenadas son modales. Aunque se omita alguna de ellas el orden debe ser respetado siempre.

Ejemplo

Abajo se muestran varios bloques de un programa CNC. Los tres bloques de la izquierda no podrían ejecutarse en una máquina herramienta CNC porque no respeta el orden de escritura de las coordenadas X, Y, Z. Los tres bloques de la derecha están programados correctamente.

4.5. (----) - Comentarios

Se pueden escribir comentarios siempre y cuando se enmarquen entre paréntesis. Todo lo escrito entre paréntesis no tiene efecto sobre las acciones de la máquina. Su finalidad es la de indicar, a título informativo, datos en el programa que recuerden al operario de la máquina anotaciones fundamentales, tales como tipo de herramienta, inicio de una operación concreta de mecanizado dentro del programa, etc.

4.6. Cabecera de programas CNC

Se denomina cabecera de programa a dos o tres líneas que se colocan al inicio del texto, donde se indican las preferencias del programador.

Recuerde

En la estructura de frases de un programa completo de CNC se suelen distinguir tres partes: cabecera de programa, secuencia de movimientos para el mecanizado y fin de programa.

El uso de esta cabecera en el inicio de los programas no es obligatorio, pero sí muy aconsejable. El control, al iniciarse, tiene una serie de funciones preparatorias (G) y auxiliares (M) activas por defecto. Si se empieza un programa de nuevo, y al leer las primeras líneas no se indica el estado en que se desea iniciar dichas funciones, se puede encontrar con resultados inesperados.

Las funciones que generalmente se muestran en la cabecera de los programas se eligen de entre las siguientes:

G53 / G59 - Decalaje traslado de origen