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DESARROLLO DE UNA MÁQUINA CNC DE 3 EJES MULTIPROPÓSITO.
DEVELOPMENT OF A MULTIPURPOSE 3-AXIS MACHINE
Rojas Corredor Jonathan Steven Vásquez Villalba Juan David** Montaña Quintero Henry***
Resumen: En el siguiente documento se describe la realización de una máquina CNC con 3
ejes multipropósito con el fin de realizar el prototipado de piezas en 2D (baquelitas), para su
realización se utiliza materiales reciclables para la fabricación de la máquina y se compone
de varias partes fundamentales y así garantizar su correcto funcionamiento, contará con tres
tornillos sin fin los cuales son los encargados del desplazamiento de cada eje (X, Y, Z) y no
perder precisión a la hora del grabado, se utiliza un motor paso a paso para cada eje que
controla la velocidad y fuerza en la que se desplaza cada eje y su correspondiente tornillo sin
fin, los finales de carrera, están encargados de sensar cuando cada eje llega a su inicio o a
su fin, todo esto será controlado a través de una interfaz gráfica previamente seleccionada y
la cual es de código libre, ella se encarga de dirigir el microcontrolador (Arduino Uno) y de
igual forma el microcontrolador controla el módulo CNC Shield, el módulo manipula los
comandos de los drivers (A4988) que serán los encargados de enviar los pulsos a los
motores paso a paso y así garantiza su correcto funcionamiento, cuenta con un sistema de
fácil acceso en la parte del cabezal de la máquina la cual permite su cambio de mototool a
¹ Estudiante de Tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica. Correo electrónico e-mail: [email protected] ² Estudiante de Tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica. Correo electrónico e-mail: [email protected] Ingeniero Electrónico UPTC,ESP. Automática e Informática Industrial,Msc(C) Ingenieria Industrial. Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Correo electrónico e-mail: [email protected]
láser sin ningún inconveniente y sin ver comprometido algún componente de la máquina,
esta será de bajo costo de producción, accesible para cualquier persona que desee
desarrollarla y ser beneficiado a la hora de la realización de circuitos impresos.
Palabras clave: CNC (Computer Numeric Control), Circuitos Impresos, CAD, Fresado, CIM
(Computer-integrated Manufacturing)
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Abstract: The following document describes the realization of a CNC machine with 3
Multipurpose axes in order to make the prototype of 2D pieces (Bakelites), for its
recyclable materials are used for the manufacture of the machine and it is composed
of several fundamental parts and that guarantees its correct functioning, will have three
endless screws which are responsible for the displacement of each axis (X, Y, Z) and not
lose precision at the time of engraving, use a stepper motor for each axis that
Control the speed and the force in which you move each time you do it
end, the end of career, are responsible for feeling when each axis reaches its start or
its end, all this is controlled through an interface
which is open source, she is responsible for directing the microcontroller (Arduino Uno) and
same way the microcontroller controls the CNC Shield module, the module manipulates the
commands of the drivers (A4988) who are responsible for sending the pulses to the
step by step engines and thus we guarantee its correct operation, it has a system of
easy access to the part of the machine head that allows the change of mototool to
the laser without any inconvenience and the fact that some component of the machine has
been acquired,
This is low production cost, accessible to anyone who wishes
Develop and be benefited when making printed circuits.
Key Words: CNC (Computer Numeric Control), Printed circuits boards, CAD, Milling, CIM
(Computer-integrated Manufacturing).
1. Introducción
El constante adelanto de la tecnología, requiere procesos de manufactura cada vez más
precisos y rápidos, por lo que las máquinas herramienta han jugado un papel fundamental en
el desarrollo tecnológico del mundo[1]. Pero, todo este avance también trae consigo que las
tecnologías recientes sean costosas y por ende inaccesibles para pequeñas empresas o
instituciones con presupuestos limitados. A la hora de la fabricación de una máquina CNC en
este caso multipropósito para el prototipado de piezas en 2D, se debe contar con materiales
que sean de carácter confiable, seguro y duradero para poder garantizar con la mano de la
tecnología que su trabajo sea óptimo y de gran calidad, debido a la precisión que se debe
tener a la hora de realizar cualquier diseño.
Cualquier información o sonido suministrado por el prototipo es de carácter primario y de vital
importancia a la hora de la eficacia en la pieza final, ya que con ello podremos identificar
algún tipo de error que pueda surgir en el futuro y corregirlo debidamente, sin alterar la pieza
que se está realizando y su producción.
Todo este trabajo esta llevado bajo cinco etapas, la primera radica en el estudio del campo
de trabajo en donde se quiere incursionar debido al alcance que pueda llegar a tener el
prototipo, al tener esto definido se dimensiona para su uso y fabricación de prototipado en
2D, con ello se procede a la investigación de las piezas las cuáles son las adecuadas para el
funcionamiento de la máquina (como lo son los perfiles de aluminio ,sensores finales de
carrera, tornillos sin fin, microcontroladores, módulos CNC y Drivers) .
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La segunda etapa constó del estudio y análisis de motores, implementación de drivers,
acoplamiento de sensores y actuadores para la fabricación de la máquina, en este punto del
proyecto se analizaron diferentes tipos de motores que son utilizados para el funcionamiento
de máquinas CNC, método de operación y cuál es que se adecua a nuestras necesidades; al
tener este ítem definido se procede a la implementación de drivers que de la mano de los
sensores y actuadores hacen que los motores trabajen en su rango de operación adecuado y
así garantizar su movimiento y realización de piezas como según están pre-definidas por el
usuario.
En la tercera etapa juega un papel fundamental el diseño, realización de planos y modelo
que vamos a seguir para la fabricación del prototipo, debido a que será ideal para la industria
pymes e instituciones de bajos recursos, todo debe estar bajo medidas exactas y así
garantizar su correcto funcionamiento, seguridad y eficacia a la hora de realizar un
prototipado en 2D. El diseño de planos se realiza bajo el programa AutoCAD y se debe
seguir al pie de la letra para corroborar, verificar que es de total confianza y disponer a la
fabricación de más modelos como el que se presenta en este artículo.
En la cuarta etapa se investigó, escogió y se realizaron las pruebas pertinentes con el
programa de código abierto (Open Source) seleccionado, el cual es el encargado de
decodificar un archivo, convertirlo en coordenadas de fácil manejo para los módulos y así
garantizar el funcionamiento independiente de cada uno de los ejes, garantizando la
realización de la pieza, el archivo a decodificar está previamente definido por el usuario a
través de este programa Open Source, que cuenta con una interfaz dinámica y de sencillo
manejo.
En la quinta y última etapa se realiza una serie de calibraciones, revisiones y acoplamientos
del microcontrolador con los drivers para poder realizar las pruebas finales, de esta forma se
corrobora el funcionamiento de cada uno de los módulos y drivers; al tener esta etapa
funcionando correcta y adecuadamente se acopla con los módulos de cada uno de los ejes
que tiene el prototipo y así verificar la culminación de la pieza a diseñar.
Así fue como se pasó de la investigación a la implementación y finalmente a la realización de
la máquina CNC con 3 ejes multipropósito.
En este artículo se inicia con una descripción acerca del estado del arte acerca de prototipos
en los que hay referencia. Luego de esto se realiza una especificación sobre los equipos,
sensores y dispositivos los cuales fueron necesarios en el desarrollo del proyecto,
implementación del prototipo, papel el cual fue importante escoger adecuadamente los
microcontroladores, drivers y módulos, para el óptimo funcionamiento de la máquina y por
último los planos para la realización de esta.
2. Estado del arte
El avance de la tecnología ha tomado un papel muy importante hoy en día para el
crecimiento de las empresas en el sector de la industria, para ello se tienden a tomar
procesos de manufactura rápidos y precisos a la hora de realizar un proceso, por ello las
herramientas deben ser cada día mejores y en constante actualización.
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Estamos en un mundo donde la mecanización de piezas es necesaria, con ello se necesitan
operaciones como fresado, mandrinado y perforado, todo esto para realizar un óptimo uso de
herramientas que se van automatizando. Esta necesidad sumada a numerosos y nuevos
requerimientos que día a día forzaron la utilización de nuevas técnicas que reemplazaran a
largo tiempo al operador humano[1] .
Actualmente las grandes industrias de la electrónica han alcanzado una alta automatización
en la fabricación de circuitos impresos, usando las variadas técnicas de producción
disponible; sin embargo para las pequeñas y medianas empresas (pymes) de la electrónica,
estas máquinas automatizadas son muy costosas y se vuelven una opción no muy viable, por
lo que generalmente necesitan recurrir a unos pocos proveedores nacionales como
Colcircuitos [http://www.colcircuitos.com] y Microensamble
[http://www.microensamble.com/site/], para su fabricación [2].
Colombia está cerca llegar a un proceso de transformación para pymes dedicadas a la
fabricación de circuitos electrónicos, el uso de técnicas como manipulación de elementos
químicos los cuales se encargan de atacar el cobre superficial sobrante, después de la
impresión del circuito en la placa, algunos de dichos químicos son el ácido clorhídrico y el
cloruro férrico. [2]
Para la realización de circuitos impresos se deben mencionar cuales son las formas en las
que se realizan dichas piezas.
En la tabla 1 se describen los métodos más utilizados a la hora de la fabricación de circuitos
impresos y se describe el método que se utilizará para la fabricación de este proyecto.
Método Costos de equipo Volumen de
producción
Nivel de
automatización
Exactitud
Transferencia
de imágenes
Alto Alto Alto Alta
Impresión por
serigrafía
Medio Alto Medio Alta
Fotograbado Alto Medio Alto Alta
Fresado CNC Bajo Bajo Medio Media
Transferencia
térmica de
tóner
Bajo Bajo Bajo Baja
Tabla 1.Tabla de ventajas y desventajas de métodos de fabricación de PCB [Fuente:[2]]
Se describe a continuación el método de fabricación de circuitos impresos mediante Fresado
CNC.
2.1 Fresado CNC:
Se utiliza una fresadora de control numérico de 3 ejes para quitar el cobre del sustrato. La
fresadora de control numérico CNC funciona en forma similar a un plotter, recibiendo
comandos desde un programa que controla el cabezal de los ejes x, y, z. Los datos para
controlar la máquina son generados por el programa de diseño, y son almacenados en un
archivo en formato HPGL o Gerber.[2]
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Figura 1: Resultado de la fabricación de un circuito impreso por CNC.
Se toma esto como referencia debido a las técnicas antiguas que, aunque aún se practican,
se han estado renovado con el paso del tiempo gracias a la tecnología que tenemos hoy en
día y seguirá evolucionando, no solo en cuestión de seguridad sino por precisión, exactitud y
optimización a la hora de la fabricación de piezas de circuitos impresos y prototipado 2D
Como ya se mencionó existen varias técnicas para la realización de circuitos impresos y a
continuación mencionaremos la que vamos a tomar para la realización del prototipo, de bajo
costo y gran alcance.
Control Numérico Computarizado (CNC)
Es un sistema de automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante
comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando
manual mediante volantes o palancas.
Este sistema que permite controlar en todo momento la posición de un elemento físico,
normalmente una herramienta que está montada en una máquina. Esto quiere decir que
mediante un software y un conjunto de órdenes, controlaremos las coordenadas de posición
de un punto (la herramienta) respecto a un origen (0,0,0 de máquina), o sea, una especie de
GPS pero aplicado a la mecanización, y muchísimo más preciso
El desarrollo de la fabricación de circuitos impresos mediante el control numérico (CNC) es
solo un método para la realización de circuitos impresos, para la realización de agujeros y
pistas, para ello nos dimos a la tarea de investigar y comprender su funcionamiento para
diseñarla, fabricarla y ser de fácil acceso a pymes e instituciones que lo requieran. [3]
Cabe resaltar que no hay mucha información que nos haya servido de base para partir de la
realización del prototipo debido a que si es bien cierto que hay muchas formas de realizar el
prototipo todas se basan en la parte de programación, en la cual es nuestra innovación y de
igual forma no hay muchos planos para la fabricación del proyecto.
3. PROTOTIPO
3.1 Perfil en Aluminio
Los perfiles de aluminio que se utilizaron para la realización del proyecto son perfiles
reciclados que fueron utilizados anteriormente en otros procesos, se recolectaron en un buen
estado para la realización del prototipo
En la figura número 3 se observa cómo se encuentran ubicados tres perfiles de aluminio,
siendo esta la base no solo del eje ‘Y’ y ‘Z’ sino brindando estabilidad al prototipo por tan
robusto sistema que tiene con él y dando seguridad a la hora de realizar la tarea prevista sin
temor a que pueda ocurrir algún imprevisto, debido a las vibraciones de la máquina.
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Figura 2: Utilización de perfiles de aluminio para la base del prototipo
3.2 Tornillo sin fin
Para el movimiento de cada uno de los ejes después de la realización de algunas pruebas
con varios tornillos, se optó por la utilización de un tornillo sin fin de 3 hilos con las siguientes
características para cada uno de sus ejes, 50 cm para el eje ‘X’, 57cm para el eje ‘Y’ y 30cm
para el eje ‘Z’ quien cuenta con 8cm de espesor. Es un tornillo de fácil acceso en el mundo
de la mecánica y la electrónica e ideal para la realización del movimiento y desplazamiento
de piezas.
En la figura 5 se observa el mecanizado del tornillo sin fin el cual tiene un soporte para el
desplazamiento y movimiento de la base del proyecto en el cual se ejecutarán los prototipado
en 2D.
Figura 3: Implementación del tornillo sin fin en el prototipo
3.3 Motores paso a paso Unipolar
Como se menciona al inicio del documento una de las investigaciones y estudios que se
realizaron fue la búsqueda del motor ideal para el movimiento en conjunto de los tornillos sin
fin al prototipo, esta tarea fue un poco difícil debido a la cantidad de motores que existen en
el mercado, su diferente rango de operación y configuración que posee cada uno, la opción
que más se acomoda a nuestro campo y que cumple con su trabajo fue el motor paso a paso
unipolar.
En la figura 4 se observa el acondicionamiento realizado para la unión y trabajo en conjunto
del motor paso a paso con el tornillo sin fin para efectuar un movimiento efectivo, preciso y
de fácil movimiento para realizar el prototipado.
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Figura 4: Acople del motor paso a paso al tornillo sin fin para su desplazamiento.
3.4 Mecanizado de piezas eje z
En esta parte del proyecto se realizó un diseño especial para el eje ‘Z’ debido a que la
máquina CNC es multipropósito y por ende se puede cambiar el cabezal sin ningún
problema, utilizando bien sea Mototool (en el cual se realizaron la mayoría de pruebas) o
laser sin ningún tipo de dificultad, es un diseño dinámico y eficaz para realizar el cambio
cuando se requiera sin algún tipo de complejidad, para ello se utilizó láminas de aluminio
recicladas en buen estado y con medidas especiales (que estarán en la sección de planos)
para el trabajo adecuado de la máquina.
Figura 5: Mecanizado del eje z del prototipo
3.5 Sensor final de carrera
Esta parte es importante porque se da la parada de cada uno de los ejes cuando está en su
inicio o en su final, fue importante escoger un final de carrera con escobilla, ya que brindó
más sensibilidad que los sensores convencionales y que no lo posee, facilitando la llegada
de cada uno de los ejes al extremo y garantizando un margen de error mínimo, sin colocar en
riesgo el prototipo que se está realizando en el momento.
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En la figura 6 se observa cómo se encuentra ubicado especialmente un sensor final de
carrera con escobilla en el eje ‘X’ listo para ser accionado y dar el pulso por el cual indica que
ha llegado a ese extremo de las coordenadas.
Figura 6: Mecanizado de un sensor final de carrera ubicado en uno de los extremos de un eje.
3.6 Raspberry pi 3
Figura 7 : Raspberry pi 3 [4]
Se utilizó la Raspberry pi 3 como forma de innovación del proyecto, independizando la
máquina CNC del cableado y comunicación tradicional a un PC que se usan para la
realización de máquinas con el mismo fin, de igual forma permite manejar dos sitios de
trabajo en sistemas operativos diferentes sin notar cambio alguno y garantizando al usuario
una forma confiable, precisa y exacta la fabricación del prototipado de piezas, en el sistema
operativo que más este a su alcance y necesidad.
3.7 Módulo CNC Shield
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Figura 8: Módulo CNC Shield [5]
Los módulos CNC son los que administran el movimiento de cada eje y da las órdenes a los
motores para que puedan funcionar y de esta forma hacer girar los tornillos sin fin
previamente mecanizados, para así poder realizar su desplazamiento correspondiente, se
utilizaron estos módulos por la seguridad y exactitud que brindan, de igual forma son de fácil
acceso en el ámbito de la electrónica debido a su amplio campo en movimiento de motores.
Estos módulos son operados a través de un Arduino Uno que es el microcontrolador al
mando del proyecto y ejecutan las órdenes en un tiempo ideal para el diseño correcto de
cada pieza que se realiza.
3.8 Arduino Uno
Figura 9: Imagen del microcontrolador Arduino Uno[5]
Se estudiaron varios microcontroladores para la realización del proyecto ( Freescale kl25,PIC
y Arduino Uno) y se llegó a la conclusión que es la manera más didáctica y más sencilla para
que las pymes e instituciones tuvieran acceso a la programación de la máquina CNC sería
por medio de la programación del microcontrolador Arduino Uno, debido a que es fácil de
entender, usar y manejar en caso de que se necesitase un soporte técnico si en dado caso
pueda llegase a tener algún inconveniente el proyecto. De igual forma es de código libre lo
que hace que sea de gran utilidad y sin limitaciones.
3.9 Interfaz
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La interfaz optada para este proyecto es de Open Source (UniversalGcodeSender) y
cualquier persona es libre de acceder a ella para la realización de algún prototipo, se escogió
por las facilidades a la hora de ser acoplada con el Arduino Uno y demás herramientas
utilizadas para la realización de cada prototipado, esta aplicación es dinámica y es sencilla a
la hora de poder subir un archivo y convertirlo en cogido Gerber. El código Gerber es un
código especial en el cual convierte archivos y los decodifica en coordenadas para cada uno
de los ejes y así dar las ordenes a cada motor para que ejecuten su función.
Figura 10: Interfaz ejecutada mediante el sistema operativo Microsoft Windows.
3.9.2 Diseño de piezas
3.9.2.1 Grabado de piezas
Se utilizó una plataforma virtual para el diseño, selección y realización de pruebas en la cual
nos permitió verificar el funcionamiento del prototipo, esta plataforma es gratuita y de fácil
acceso a la hora de realizar cualquier modelo, este programa realiza un sin número de
diseños para convertirlos en código Gerber y ser asimilado en la interfaz de nuestro prototipo.
La plataforma se llama Easel [http://easel.inventables.com] y cualquier persona puede
ingresar, como se menciona antes es la encargada de un sin número de diseños con varios
aspectos como profundidad a la hora de la realización de alguna pieza, ubicación en el W
space de nuestra área de trabajo y con el número de la broca para la fabricación de la pieza
en el caso que se utilice el Mototool como cabezal, lo cual nos garantiza una optimización en
el diseño a la hora de la realización de pruebas.
Figura 11: Plataforma web Easel con un diseño predeterminado
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Figura 12: GCode Sender con diseño realizado en la plataforma Web Easel
3.9.1.2 Grabado de circuitos en PCB
Para la realización de circuitos en PCB se utilizó un programa libre (FlatCAM) el cual lee los
archivos “.txt” del simulador que se utiliza para el diseño de circuitos en PCB
(Proteus,Ultiboard,Eagle) y es el encargado de convertir dichos archivos en una extensión
“.ngc” el cual es el formato que interpreta GCode Sender para la realización de diseños en
nuestro prototipo.
Figura 13: Circuito diseñado en Proteus
Figura 14: Selección de archivos a extraer del circuito en el simulador Proteus
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Figura 15: Implementación del programa FlatCAM de un circuito diseñado en Proteus
Figura 16: Diseño de la PCB lista para realizar el grabado en GCode Sender
3.10 Comunicación
En busca de que la máquina fuese más práctica, se implementó una Raspberry pi 3 con
Ubuntu Mate, en el cual se instalaron los diferentes programas y controladores necesarios,
para que esta pudiese trabajar con la maquina perfectamente. Aparte de esto se acoplo una
pantalla para poder visualizar todo lo de la Raspberry, con el fin de que no se necesiten
equipos externos (computador, Tablet, entre otros) para poder operar la máquina, aunque
esto no quiere decir que esta funcione solo con la Raspberry.
3.11 Comunicación interfaz-Raspberry
Se realizaron las pruebas mediante dos sistemas operativos (Ubuntu Mate y Windows)
utilizando la Raspberry pi 3 obteniendo el mismo resultado.
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3.11.1 Comunicación obtenida mediante Ubuntu Mate:
Figura 17: Código de inicialización de interfaz por medio de Ubuntu Mate
3.11.2 Comunicación obtenida mediante Microsoft Windows
En la figura 13 se observa cómo se ha seleccionado de forma aleatoria una imagen para ser
realizada por medio de la prototipadora y el camino o secuencia a seguir para la realización
de la figura
Figura 18: Imagen cargada mediante interfaz ejecutada por Windows
3.12 Planos
La parte inicial de todo el proyecto se basa en el diseño e implementación de planos
diseñados en el programa AutoCAD por parte de los proponentes, se siguieron al pie de la
letra para poder garantizar su fabricación y así garantizar que se pueden seguir realizando
más modelos del prototipo.
Por temas de estética del documento los planos que se realizaron en AutoCAD irán en la
parte de anexos para ver en detalle el diseño de la máquina CNC.
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4. Resultados
La implementación de los planos diseñados es la base fundamental para partir de una
estructura confiable, segura y óptima para la fabricación de prototipado en 2D, luego de
realizar varios ajustes necesarios para la adecuación de la plataforma en la cual se van a
realizar los diseños, se mecanizaron varias piezas y adaptaron piezas que también fueron
diseñadas para tener el punto de partida y acoplar desde la pantalla de la Raspberry pi3 con
el monitor hasta los sensores finales de carrera con escobilla.
El cambio constante de interfaz Open Source utilizada para la realización del proyecto nos
permitió acondicionar los motores, sensores y demás factores para que fuera eficaz el trabajo
en conjunto que se está realizando para la fabricación de diseños en 2D. En este caso se
trabajó con la interfaz UniversalGcodeSender la cual además de ser la que mejor se adaptó a
las necesidades, es una plataforma dinámica y de fácil control para la realización de diseños.
Esta plataforma trabaja de la mano con el Arduino Uno para garantizar que la comunicación
sea la mejor posible evitando que se pierdan datos y con ello generar un error de fabricación
de las piezas.
Figura 19: Interfaz Universal Gcode Sender utilizada en Microsoft Windows
Al tener las partes anteriores funcionando perfectamente con los sensores, actuadores y
otros factores correctos se realizaron pruebas con un cabezal mototool para que realizara el
diseño del prototipo 2D previamente definido por el usuario.
Figura 20: diseño realizado por la máquina CNC de 3 ejes multipropósito
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Podemos concluir diciendo que todo juega y son factores importantes a la hora de la
realización de un diseño mediante la máquina CNC debido a que, si no se encuentran
calibrados y en su rango de operación normal, se verá reflejado en el diseño que se está
realizando, para ello es de suma importancia que cada paso se siga como se indica debido a
las investigaciones y pruebas que realizaron los proponentes en cada una de las etapas,
para así ver reflejado un prototipo en 2D como inicialmente se plantea.
En la creación y diseño de la máquina se crearon dos prototipos de esta misma, en el primer
prototipo toda la parte mecánica se realizó de manera rudimentaria sin mayores cálculos ni
medidas a profundidad, en este primer prototipo no se tuvieron en cuenta planos ni
mediciones a precisión, se utilizó un tornillo sin fin de 12mm con rosca normal, lo cual hacia
que la maquina corriese de manera muy lenta. Al haber ubicado el tornillo sin fin en uno de
los costados de la máquina y un eje guía en el otro costado, la maquina presentaba averías
mecánicas, las cuales no permitían su libre y correcto desplazamiento.
En este primer prototipo se utilizaron inicialmente motores DC con encoder, los cuales no
funcionaron muy bien por la falta de fuerza de estos. Luego fueron remplazados por unos
motorreductores con encoder, pero también presentaron bastantes problemas ya que tenían
buena fuerza para mover la máquina, pero no contaban con la precisión que requerimos para
este tipo de proyectos, finalmente luego de investigar y analizar a cerca de varias máquinas
CNC de este tipo se implementaron motores DC paso a paso, por su alta precisión y fuerza
(estos últimos fueron implementados en el segundo prototipo).
Finalmente, al ver tantos problemas se decide diseñar y crear una nueva máquina, utilizando
la mayor parte de piezas posibles del primer prototipo, de la cual se utilizaron los perfiles de
aluminio, y el patín de arrastre del eje “X”.
En este segundo prototipo se mandaron a fundir y tornear varias piezas de aluminio a
medida, se compraron e implementaron varios tornillos sin fin de 3 hilos, lo cual nos permitió
ganar precisión y un poco de velocidad en el avance de los diferentes ejes. Se acoplaron dos
rieles especiales encargados de llevar el peso de la máquina y facilitar el trabajo de los
motores, para no forzarlos y evitar recalentamiento de los drivers o en los mismos motores
por el esfuerzo mecánico.
En este segundo prototipo se le dedico más tiempo al diseño y planeación de la máquina,
para evitar el derroche de materiales, como se llegó a presentar en el primer prototipo.
También se tuvieron varios problemas como el ruido en los finales de carrera, lo cual
generaba que la maquina detectase su límite involuntariamente, se logró identificar el
problema debido a que el cableado de los motores y los finales de carrera iban por la misma
canaleta, lo cual gracias a las corrientes inducidas por los cables de los motores generaban
un ruido electromagnético y este hacia que los finales de carrera se activaran. Después de
encontrar este error, se prosiguió a mandar los cables de los motores por un camino distinto
al de los cables de los sensores.
Para este segundo prototipo se reutilizaron piezas de otras máquinas como por ejemplo, la
estructura del eje “Z” que se extrajo de una impresora hallada en la chatarra, al igual que la
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base del eje “Y” que fue donada por Anker & Fokker (proyecto de emprendimiento
estudiantes UD).
Al momento de terminar el ensamblaje del segundo prototipo y empezar a hacer las pruebas
se observó que la tabla de trabajo presentaba cierto desnivel, ya que cuando estaba
realizando los grabados, la maquina tenía más profundidad en ciertos puntos, para arreglar
esto se colocaron calzas a la máquina para nivelarla y corregir el margen de error que se
nos presentaba, al final el desnivel era solo de unos cuantos milímetros, pero no se contaba
con las herramientas necesarias para poder nivelarla, por lo que se decide operar la máquina
y que ella misma haga su “W space” y así de esta manera poder tener el nivel por medio de
la misma máquina. Cabe aclarar que el “W space” de la maquina cuenta con un margen de
más o menos con un centímetro por todos los extremos del área de trabajo para evitar
problemas con los finales de carrera (los finales de carrera se utilizan para proteger las
piezas mecánicas de los límites de esta misma).
Se implementó una Raspberry pi 3 con una pantalla acoplada a la máquina para que la
maquina pudiese funcionar sin equipos externos a esta.
La Raspberry cuenta con un sistema operativo el cual es Ubuntu Mate, desde este nos
permite correr el programa que ejecuta los comandos de la máquina, el cual se llama “GCode
Sender”
Se decidió utilizar Ubuntu Mate por su facilidad de instalación en la Raspberry y su buen
desempeño con los programas ejecutados (G code Sender).
Antes de instalar Ubuntu mate se había instalado Raspbian, otro sistema operativo para la
Raspberry el cual genero bastantes conflictos a la hora de instalar los plugins para la
ejecución del programa, por lo que se decide migrar al ya antes mencionado Ubuntu Mate.
5. Conclusiones y trabajos futuros
• Al momento del montaje de la maquina se observó, que los finales de carrera
implementados en esta se accionaban solos, lo cual generaba un error de límite de
posicionamiento y no dejaba que la maquina siguiera con su trabajo, luego de buscar
y analizar se encontró el error, el cual era que los cables de los motores estaban en la
misma canaleta, con lo cables de los motores los cuales hacían que estos presentaran
fallas, luego de esto se tuvo que quitar todos los cables y hacer las conexiones
nuevamente por diferentes canaletas, con lo cual se resolvió este problema.
• Se realizaron pruebas con dos tipos de tornillos sin fin los cuales nos generaron
errores por ser no tornillos especiales para el desplazamiento de objetos a cortas
distancias, generando pérdida del control de pasos y con ello eficacia en el
prototipado, se implementó el tornillo de 3 hilos generando precisión y exactitud a la
hora del movimiento de cada uno de los ejes ya que de ello depende el éxito de la
pieza.
• Después de tener una comunicación mediante PC se optó por realizar una
comunicación con la Raspberry como cabeza principal de la interfaz y de este modo,
independizando el prototipo de la comunicación convencional, fue le adecuada para
poder trabajar sin algún tipo de limitación en cuanto a sistema operativo se refiere, en
ambos casos (Ubuntu Mate y Windows) trabajo de la misma manera garantizando
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seguridad y optimización a la hora del usuario escoger el sistema operativo que más
se adecue a sus necesidades.
• La base del prototipo en parte de sensores, controladores y drivers se refiere tiene que
ver con la parte de la interfaz Open Source que utilizamos para el desarrollo del
proyecto, debido a que al momento de encontrar dicha interfaz los demás actores se
establecieron a partir de las necesidades y variantes que ofrece la interfaz.
• Es de suma importancia la realización de los planos para poder garantizar la
producción del proyecto de manera exitosa, eficaz, confiable y óptima para su
funcionamiento.
5.1 Trabajos a futuro
• La máquina fue diseñada de tal manera que tenga cabezales intercambiables, la idea
es implementar un cabezal con láser, el cual pueda hacer grabados en diferentes tipos
de materiales.
De igual forma el área de control de los drivers permite que se le pueda adaptar el
controlador laser sin ver afectado el diseño que ya está definido para este prototipo.
• La base de madera de la maquina será remplazada por unos perfiles de aluminio
especiales, los cuales permitirán sujetar las piezas que se estén trabajando en ella.
Estos perfiles permitirán a su vez poder organizar de manera más precisa el nivel de
la máquina.
6. Anexos
Como se menciona en el ítem 3.12 (planos), se añaden los planos que se siguieron al pie de
la letra para la realización del prototipo en el programa AutoCAD:
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Anexo 1: Plano No.1 Maquina CNC
Anexo 2: Plano No.2 Máquina CNC
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Anexo 3: Plano No.3 Máquina CNC
Anexo 4: Plano No.4 Máquina CNC
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Anexo 5: Plano No. 5 Máquina CNC
7. Bibliografía
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