Domina los sistemas de coordenadas del fresado CNC: Una guía clara y práctica

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Usarás los fundamentos del sistema de coordenadas del fresado CNC en todas partes, no solo en una máquina CNC en particular. Incluso las máquinas CNC más recientes son iguales en su núcleo: utilizan ejes X, Y y Z para definir el espacio de coordenadas dentro de la máquina, y una herramienta (a veces una fresa de extremo, a veces un extrusor, a veces un haz láser) se mueve por ese espacio. La tecnología puede cambiar, pero los fundamentos permanecen esencialmente iguales. En este artículo cubriremos los conceptos básicos del sistema de coordenadas CNC, incluido el sistema de coordenadas cartesianas, el sistema de coordenadas de trabajo (WCS) y los offsets.

¿Por qué importan las coordenadas para el fresado CNC?

Las máquinas aditivas construyen una pieza desde abajo hacia arriba. No hay duda sobre dónde comienza la pieza en la placa de construcción. Sin embargo, algo como una fresadora tiene que restar material de un objeto externo. Para hacerlo, la máquina necesita entender la posición de la materia prima en el espacio físico. Si solo fuera tan simple como meter un bloque de metal en tu CNC y pulsar start.

La cosa se complica al añadir una variedad de herramientas de fresado. Cada fresa tiene una longitud diferente, lo que cambia la distancia entre el datum del husillo y la pieza. Ese punto de origen que acabas de establecer para una fresa de extremo de 1" no va a servir para un taladro de 3".

Puedes pensar en el sistema de coordenadas como la forma en que las máquinas CNC entienden el espacio 3D. Sin un sistema de coordenadas, tu CNC no tendría absolutamente ninguna forma de saber:

• Dónde está tu bloque de material
• Qué tan lejos está tu herramienta de tu pieza
• Qué movimientos usar para mecanizar tu pieza

El sistema de coordenadas puede parecer complicado a primera vista, pero se puede descomponer en componentes simples. Empecemos primero con los fundamentos del sistema de coordenadas cartesianas.

Fundamentos cartesianos

Casi todas las máquinas CNC usan un sistema de coordenadas cartesianas basado en ejes X, Y y Z. Este sistema permite a la máquina moverse en una dirección específica a lo largo de un plano específico.

Reduce el sistema cartesiano a lo básico y tienes una recta numérica familiar. Un punto en la línea se designa como el Origen. Cualquier número a la izquierda del Origen es negativo, mientras que los números a la derecha son positivos.

Combina los ejes X, Y y Z en ángulos de 90 grados y creas un espacio tridimensional para que tu máquina CNC se mueva. Cada eje se encuentra en el Origen.

Cuando dos ejes se conectan, forman un Plano. Por ejemplo, cuando los ejes X e Y se encuentran, obtienes un plano XY, donde ocurre la mayor parte del trabajo en piezas 2.5D. Estos planos se dividen en cuatro cuadrantes, numerados 1-4, con sus propios valores positivos y negativos.

Una forma fácil de entender el sistema de coordenadas cartesianas en relación con tu máquina CNC es usando la Regla de la Mano Derecha. Extiende la mano con la palma hacia arriba, pulgar e índice extendidos hacia afuera y el dedo medio apuntando hacia arriba. Coloca tu mano frente a tu máquina CNC, alineada con el husillo de la máquina, y verás que los ejes se alinean perfectamente.

• Dedo medio es el eje Z.
• Índice es el eje Y.
• Pulgar es el eje X.

Cómo una máquina CNC usa las coordenadas

Usando el sistema de coordenadas cartesianas, controlamos las máquinas CNC a lo largo de cada eje para transformar un bloque de material en una pieza terminada. Aunque es difícil describir los ejes usando términos relativos, basándonos en cada eje, típicamente obtienes los siguientes movimientos desde la perspectiva de un operador frente a la máquina:

• El eje X permite movimiento "izquierda" y "derecha"
• El eje Y permite movimiento "adelante" y "atrás"
• El eje Z permite movimiento "arriba" y "abajo"

Juntando todo, tienes una máquina CNC que puede cortar varios lados de una pieza en el plano XY y a varias profundidades a lo largo del eje Z. Ya sea una fresadora, un router o un láser, todas usan este sistema fundamental de movimiento.

El movimiento de tu CNC a lo largo del sistema de coordenadas siempre se basa en cómo se mueve tu herramienta, no la mesa. Por ejemplo, aumentar el valor de la coordenada X mueve la mesa a la izquierda, pero desde la perspectiva de la herramienta, se está moviendo hacia la derecha a lo largo de la pieza.

Aumentar la coordenada del eje Z movería el husillo hacia arriba, disminuirlo lo movería hacia abajo dentro de la pieza. Estás cortando la pieza, lo que corresponde a una coordenada negativa del eje Z.

Si leer eso te dejó más confundido que antes, no te preocupes. Entender la diferencia entre el movimiento de tu herramienta y la mesa es más fácil de mostrar que de explicar con palabras. Mira el video a continuación de Robert Cowan para ver esto en acción:

El origen de tu máquina CNC

Cada máquina CNC tiene su propio punto de origen interno llamado Home de la Máquina. Cuando tu CNC arranca por primera vez, no sabe dónde está en el espacio físico y requiere una calibración para orientarse.

Cuando ocurre este proceso, los tres ejes de tu CNC se mueven hacia su límite mecánico máximo. Una vez que se alcanza un límite, se envía una señal a un controlador que registra la posición home para ese eje en particular. Cuando esto ocurre para los tres ejes, la máquina está "homed".

Bajo el capó, el proceso puede variar de máquina a máquina. En algunas máquinas hay un interruptor de límite físico que indica al controlador que la máquina ha alcanzado un límite de eje. En otras hay todo un sistema servo que hace que este proceso sea increíblemente fluido y preciso. Un controlador de máquina envía una señal a través de una placa de circuito a un motor servo, que se conecta a cada eje de la máquina. El motor servo gira un husillo de bolas que está unido a la mesa de tu máquina CNC, haciéndola mover.

El movimiento de ida y vuelta de la mesa comunica cambios de coordenadas instantáneamente con precisiones de hasta 0,0002 pulgadas.

Cómo los mecanizadores usan las coordenadas CNC

Hasta ahora hemos hablado de cómo una máquina CNC usa su sistema de coordenadas interno. El problema es que este sistema no es muy fácil de referenciar por nosotros los humanos. Por ejemplo, cuando tu CNC encuentra su posición home, típicamente está en límites mecánicos extremos a lo largo de los ejes X, Y y Z. Imagina tener que usar estos valores de coordenadas extremas como punto de partida para tu programa CNC. Qué pesadilla.

Para facilitar la escritura de programas CNC, usamos un sistema de coordenadas diferente diseñado para manipulación humana llamado Sistema de Coordenadas de Trabajo o WCS. El WCS define un punto de origen particular en un bloque de material, generalmente en software CAM como Fusion 360.

Puedes definir cualquier punto en un bloque de material como punto de origen para un WCS. Una vez establecido un punto de origen, necesitarás localizarlo dentro de tu máquina CNC usando un buscador de bordes, un indicador de dial, una sonda u otro método de localización.

Elegir un punto de origen para tu WCS requiere una planificación cuidadosa. Ten en cuenta estos puntos al pasar por el proceso:

• El origen deberá encontrarse por medios mecánicos con un buscador de bordes o sonda
• Los orígenes repetibles ayudan a ahorrar tiempo al cambiar piezas
• El origen debe tener en cuenta las tolerancias requeridas de las operaciones posteriores

Podría haber otro blog completo sobre la selección del punto de origen más óptimo, especialmente para cada configuración posterior a medida que crece la acumulación de tolerancias. Asegúrate de tener en cuenta las tolerancias de las características mecanizadas previamente, tu mecanismo de localización y tu máquina para garantizar que tu pieza final esté dentro de especificación.

Cómo interactúan las coordenadas CNC y humanas

Como mencionamos, los operadores humanos usarán un WCS, que proporciona un conjunto fácil de coordenadas para escribir un programa CNC. Sin embargo, estas coordenadas siempre son diferentes de las de la máquina, entonces, ¿cómo alinea tu máquina CNC las dos? Con offsets.

Una máquina CNC usará un offset de trabajo para determinar la diferencia de distancia entre tu WCS y su propia posición home. Estos offsets se almacenan en el controlador de la máquina y normalmente se pueden acceder en una tabla de offsets.

Aquí vemos que se programan varios offsets: G54, G55 y G59. ¿Cuál es el beneficio de tener múltiples offsets? Si estás mecanizando varias piezas en un trabajo, cada pieza puede tener su propio offset. Esto permite a la máquina CNC relacionar con precisión su sistema de coordenadas con múltiples piezas en diferentes lugares y completar múltiples configuraciones a la vez.

Offsets de herramienta

Es bastante común usar múltiples herramientas para el mismo trabajo, pero necesitas una forma de tener en cuenta las diferentes longitudes de herramienta. Programar offsets de herramienta en tu máquina CNC hace esto fácil. Con un offset de herramienta programado, tu máquina CNC sabrá exactamente cuánto se extiende cada herramienta desde el husillo. Hay varias formas de registrar un offset de herramienta:

• Jogging. Mueve la herramienta desde la posición home de la máquina hasta la posición cero de la pieza. La distancia recorrida se mide e ingresa como el offset de la herramienta.
• Bloque de precisión. Ajusta todas las herramientas a una posición Z común en la parte superior de un bloque de precisión 1-2-3 apoyado en la mesa de la máquina.
• Sondeo. Usa una sonda para determinar el offset de herramienta automáticamente. Este es el método más eficiente pero también el más costoso, ya que requiere el equipo de sonda.

Uniendo todo

Ahora que tenemos todos nuestros fundamentos de coordenadas en su lugar, recorramos un conjunto de trabajos de muestra. Usamos una pieza que ya fue mecanizada manualmente para definir una forma exterior. Ahora necesitamos usar una máquina CNC para taladrar algunos agujeros, bolsillos y una ranura.

Trabajo 1
Primero necesitamos asegurar y establecer nuestros ejes y punto de origen:

• La pieza está sujeta en un torno, atornillada a la mesa de la máquina y escuadrada a los ejes de la máquina.
• Esto mantiene el eje X del WCS alineado con el eje X de la máquina.
• La cara izquierda de la pieza descansa contra un tope del torno. Esto establece un origen repetible del eje X.
• Dado que una de las mordazas del torno es fija, podemos usar esta mordaza para determinar un origen repetible del eje Y, encontrando esta ubicación con la ayuda de un buscador de bordes o sonda.

Con nuestro WCS en su lugar, nuestra máquina ahora entiende la posición de la materia prima relativa a sus propias coordenadas internas. El proceso de mecanizado comienza mecanizando el bolsillo y taladrando agujeros en el primer lado de la pieza.

Trabajo 2
Ahora la pieza debe voltearse para trabajar en el otro lado. Como acabamos de girar la pieza 180 grados, el contorno exterior era simétrico y los offsets X e Y previos eran repetibles, el WCS no cambiará. También estamos usando la misma herramienta para que se pueda usar el mismo offset Z.

Una variable importante a tener en cuenta aquí es la fuerza de sujeción de tu torno. Si aún no lo has visto en tu taller, los mecanizadores suelen marcar la posición cerrada de un torno con un rotulador negro o usar una llave dinamométrica. ¿Por qué hacen esto? Para crear una presión de sujeción consistente al mover o rotar piezas. Los cambios en la presión de sujeción pueden provocar diferencias en el posicionamiento de una pieza u otros fallos como deformación o curvatura, dependiendo de la geometría de la pieza. Suponiendo que nuestra fuerza de sujeción es más o menos la misma, el Trabajo 2 ahora puede mecanizarse.

Trabajo 3
Ahora necesitamos taladrar algunos agujeros, lo que requiere poner la pieza de pie. Esta rotación no cambia el origen XY del WCS. Sin embargo, ahora tenemos una distancia de recorrido más corta entre nuestra herramienta y la pieza.

Esto requiere un nuevo offset que desplazará el punto de origen a la esquina superior de la pieza. También quitamos los paralelos para aumentar la superficie de agarre y bajamos el tope del torno, para que conecte con la cara de la pieza en lugar del bolsillo inferior.

Todavía podemos usar dos de nuestros planos de referencia originales para completar el Trabajo 3.

Este es un ejemplo simple; la pieza es cuadrada, el origen XY era repetible para las tres configuraciones, e incluso el origen Z solo cambió una vez. Pero el proceso de pensamiento de alineación de sujeción, repetibilidad y precisión de características previas es importante, y te encontrarás pasando por esos pasos básicos una y otra vez.

Listo para mecanizar

Ahora tienes la precisión del conocimiento de coordenadas CNC en tu cinturón de herramientas de mecanizador. ¡Úsalo donde sea que te lleve tu carrera! Los Sistemas de Coordenadas de Trabajo (WCS) cierran la brecha entre las coordenadas internas de la máquina y tu programa CNC. Estos tres sistemas trabajan juntos para localizar y mecanizar piezas con calidad consistente una y otra vez. Ya sea que uses una Bridgeport, Tormach o Haas, el sistema de coordenadas siempre se mantiene fiel.

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