Microfábrica reconfigurable didáctica con control numérico universal

En la actualidad, muchos planteles educativos en México no cuentan con los recursos suficientes para adquirir sistemas automáticos de manufactura avanzada. El objetivo general del proyecto “Microfábrica reconfigurable didáctica con control numérico universal”, realizado por alumnos e investigadores de la Cátedra de Investigación Diseño de Aplicaciones Mecatrónicas del Tecnológico de Monterrey, es generar nuevas herramientas de aprendizaje de bajo costo que sean de fácil manejo, confiables, flexibles, reconfigurables y con grandes alcances de producción.

Para  esto, es necesario lograr, desde las primeras etapas del proceso de diseño, la fusión de las ingenierías mecánica, eléctrica, electrónica y de control por medio de la mecatrónica. El sistema permitirá de una manera fácil y dinámica la adquisición de conocimientos básicos sobre:

•    Sistemas de Manufactura Avanzada
•    Ensamble Mecánico
•    Manejo de Máquinas Herramientas
•    Mecanizado de Piezas
•    Control Numérico por Computadora
•    Programación
•    Diseños de Productos

Estos elementos son fundamentales en la formación profesional de estudiantes, ya que ayudan a desarrollar habilidades técnicas y experiencia para lograr una mayor productividad y competencia laboral.

El conjunto propuesto de piezas para el ensamble de la microfábrica está integrado principalmente por dos micro Máquinas Herramienta Reconfigurables (mMHR), un Brazo Robótico, y dos almacenes para materia prima y producto terminado. (Ver Figura 1).

MICROMÁQUINAS HERRAMIENTAS RECONFIGURABLES

CONFIGURACIÓN TORNO
La configuración torno es la más sencilla del sistema ya que utiliza pocos elementos para su ensamble. Ya obtenida esta configuración, se pueden mecanizar piezas de forma geométrica de revolución haciendo girar la pieza a mecanizar; mientras que la herramienta de corte es movida por los actuadores en un movimiento controlado de avance contra la superficie de la pieza, cortando la pieza de acuerdo con las condiciones tecnológicas de mecanizado especificadas en un control numérico.

CONFIGURACIÓN TALADRO Y FRESADORA

El taladro y la fresadora comparten la misma configuración dentro del sistema, cuentan con tres ejes de movimiento y, para cambiar de configuración taladro/fresadora, basta con cambiar la herramienta de corte. Además, con esta opción se tiene la posibilidad de poder configurar la mMHR de manera horizontal ó vertical, esto con la finalidad de hacerla flexible, de acuerdo con el proceso de manufactura que se siga.
Para estas configuraciones, la herramienta de corte es movida en tres ejes por los actuadores lineales con los que cuenta, y la pieza a mecanizar es sujetada por la mordaza automática. Esta mordaza cuenta con una actuador lineal, el cual sujeta de manera controlada la pieza de trabajo; esta sujeción automática se diseñó con la finalidad de que un brazo robótico posicione la pieza de trabajo al momento de automatizar el sistema en una microfábrica donde interactúan más de una mMHR.
 
En cuanto al taladro, su función específica es la de perforación. En la mMHR, el útil es el que gira y la pieza permanece fijada a la mordaza. También se pueden realizar otras operaciones con diferentes útiles como avellanar y escariar.

La función específica de la fresadora es obtener superficies lisas o de una forma concreta; en la fresadora de la mMHR, el útil es que gira y se desplaza en los ejes X, Y y Z, y la pieza a mecanizar permanece fija a la mordaza. El útil utilizado es la fresa, que suele ser redonda con diferentes filos cuya forma coincide con la que se quiere dar a la pieza a trabajar.

ROBOT MANIPULADOR

El diseño del robot consiste en un manipulador de configuración cilíndrica con 4 grados de libertad. El robot cuenta con un eje rotacional en la base y dos movimientos prismáticos que harán la función de subir/bajar y acercar/alejar respectivamente y el efector final (gripper) tendrá movimiento rotacional en la parte de la muñeca. El robot manipulador tiene la función de mover la pieza de trabajo a lo largo de la microfábrica.

CONTROL NUMÉRICO UNIVERSAL
Los controladores utilizados en este tipo de máquinas son también cada vez más flexibles y, para hacer frente a la variedad de los procesos de manufactura que se están utilizando en micro manufactura, se diseñó este control numérico universal. El sistema está basado en una plataforma de recurso abierto a través de una tarjeta de adquisición de datos PCI PIO-D48U, la cual tiene la capacidad de controlar el sistema además de servir como interfase para la implementación del Control Numérico Universal (CNU) aplicado a las micromáquinas herramienta reconfigurables.

El CNU es un sistema de control reconfigurable aplicado a las mMHR's y también puede ser adaptado a cualquier otra máquina-herramienta convencional e incluso obsoleta basta con realizar una modernización de componentes (retrofit). El CNU nos permite sustituir módulos de comunicación para poder utilizar diversos hardwares de señales, así como permitir modificar o seleccionar que tipo de interpolador o interfase gráfica se requiere.

El CNU tiene una arquitectura modularizada que consta de unidades funcionales (UF´s), las cuales son módulos de programas de aplicación que realizan tareas específicas requeridas por el usuario o el proceso.

Actualmente el Control Numérico Universal (CNU) cuenta con una solicitud de patente y está en la etapa final para su otorgamiento.

CASO DE ESTUDIO

A continuación se muestra un ejemplo de los alcances de mecanizado dentro de la microfábrica a través de una de una familia de piezas para implantes dentales. Esta familia tiene características similares en diferentes flujos de secuencias de mecanizado, lo cual nos permite realizar una reconfiguración al sistema, al mismo tiempo de poder obtener variedad en los productos

Con este tipo de ejemplos se intentará demostrar el potencial de la microfábrica para generar productos que requieran de un mínimo de margen de error además de poder incursionar en el campo de la ingeniería biomédica.

Investigadores

Dr. Arturo Molina Gutiérrez
Mtro. Miguel de Jesús Ramírez Cadena
Mtro. David C. Romero Díaz.
Ing. José Guillermo Tello Albarrán
Ing. Oscar Dávila Ramírez
Ing. Fernando Garduño Ramírez
Ing. Jhonattan Miranda Mendoza

Colaboración de los alumnos

Juan David Hurtado Montoya, Universidad EAFIT, Medellín, Colombia.
Leonardo Ortiz Mendoza, IME, ITESM CCM.