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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Alternativas de Solución de Proyecto deTitulación

“Implementación de una CNC parala fabricación de placas PCB,

basado en software libre”

Presentado por: Constanza Zapata FloresROL USM: 2704572-3

Profesor guía: Sr. Alejandro Suárez Sotomayor

Fecha: 27/12/2015


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Proyecto de Titulación

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INTRODUCCIÓN

En el presente documento se darán a conocer las alternativas de solución considerada para desarrollar elProyecto “ Implementación de una CNC para la fabricación de placas PCB, basado en software libre”, exponiendo los módulos y las opciones que existen para cada uno deéstos. El trabajo está definido por una serie sucesiva de etapas, siendo los principales la estructufísica, el hardware y el software.

Figura 1. Etapas del proyecto CNC.

Estructurafísica

Manejo y control

de motores

Integración motoresy estructura física

Hardware

Software

Pruebas deresultado completo


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ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

1. ESTRUCTURA FÍSICA

1.1 MOTORES

La microfresadora manual Proxxon MF70 debe ser reacondicionada para seautomatizada. Para ello, se deben instalar unos motores paso a paso para reemplazar cada una las manivelas que mueven los ejes X, Y y Z. La elección de los motores se basa en laespecificaciones de características como voltaje nominal, corriente, torque y ángulo de fase.

Figura 2. Microfresadora Proxxon MF 70.

Existen tres tipos de motores: unipolar, bipolar serie y bipolar paralelo. Un motor unipoltiene un torque menor que uno bipolar (>40%) y son de 4 fases. Los motores bipolares ser

requieren un consumo medio y son de 2 fases. Los motores bipolares paralelos requieren ddoble de consumo.

El torque del motor debe soportar el esfuerzo del trabajo que se requiere. El ángulo dfase define la precisión, junto a la cantidad de pasos. A menor ángulo de fase y a mayor cantidde pasos, un trabajo más preciso se obtendrá. Existe una estandarización para los motores paso


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paso, que define su tamaño y parámetros físicos como la distancia entre agujeros de montajdiámetro del eje, entre otros. El mencionado corresponde al estándar NEMA, que se refiere a sigla de National Electrical Manufacturers Association. El tamaño de los motores debe s

proporcionado a la microfresadora. En la Tabla 1 se presentan tres motores que tienen un tamaacorde al tamaño de la máquina y las características más importantes a considerar pardeterminar el motor a usar [1].

NEMA 17 NEMA 23 NEMA 34

Torque hasta 4 [kg/cm] hasta 30 [kg/cm] hasta 120 [kg/cm]

Voltajes > 12 [V] 12-48 [V] 48-96 [V]Tabla 1.

Para la elección de un motor primero se debe definir el torque se necesita y con ello sdeduce el tamaño del motor. Luego, a partir del ángulo de fase especificado se calcula el númede pasos, parámetro que se determina con la siguiente relación:

360°x pasos= ángulo de fase

1.1.1. NEMA 17

Hay variedades con ángulo de fase de 0.9° y de 1.8°. El número de pasoscorresponde a 400 y 200 pasos respectivamente. Si bien su torque es moderado, esuficiente para lo que se busca.

Figura 3. Motor paso a paso NEMA 17.


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1.1.2. NEMA 23

También hay variedades con ángulo de fase de 0.9° y de 1.8°. Su tamaño essuperior que uno NEMA 17. El torque de hasta 30 [kg/cm] le da una holgura más qusuficiente como para realizar diversos trabajos.


1.1.3. NEMA 34

Sólo hay motores con ángulo de fase de 1.8°, lo que corresponde a 200 pasos. E

tamaño del motor resulta en que el peso que ejercería sobre el eje es demasiado. L precisión es menor que la que se podría obtener con motores de 0.9°.



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1.2. MONTAJE

Ya que el tamaño de los motores está estandarizado existen dos principales alternativa para realizar el montaje de los motores a la máquina. La primera opción corresponde a la compde algún kit completo de los diversos que se venden en el mercado, hecho a medida dependiendel motor que se escoja.

La segunda opción corresponde a la impresión de las piezas en plástico ABS, en unimpresora 3D. Dichas piezas deben ser hechas a la medida en algún programa CAD previamenSegún lo detallado en el Estado del Arte, existe un kit de piezas imprimibles [2] para motor NEMA 17, aunque se podrían adaptar para otros motores.

1.3. HERRAMIENTA DE FRESADO

El motor de la microfesadora Proxxon MF70 se encuentra dañado. Éste es un motoespecial de 24 polos. La herramienta de fresado se encuentra en el eje Z,llamándose “spindle” aeste conjunto. Funciona debido a este motor, por lo tanto, se debe reparar o encontrar unsolución para sustituir este mecanismo.

1.3.1. MOTOR DE REPUESTO

Se podría reemplazar el motor dañado por uno nuevo. Se cotiza el motor condistintos distribuidores en Chile y en el extranjero. En promedio, el precio del motor má

envío supera los $70.000.

Figura 6. Cotización con distribuidor oficial en Chile.

1.3.2. MOTOR BRUSHLESS

Corresponde a un motor eléctrico sin escobillas [3], con el que se puede obtenemejor rendimiento y potencia, a cambio de mayor consumo. Parámetros importantes sola cantidad de revoluciones y los valores de par, obteniendo a mayor número drevoluciones, un menor valor de par, por lo que hay que encontrar una relaciónrevoluciones/par adecuada para el trabajo a realizar. Se valor aproximado es de $13.500.


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Figura 9. Regulador de voltaje o ESC.

1.3.3. DREMEL.Se analiza montar un taladro Dremel, de modo que éste posee motor y herramient

de fresado propia. Para ello se necesitaría adaptar el eje Z.

Figura 10. Posible montaje de un taladro.

La idea es que máquina original reciba la menor cantidad de modificaciones posibles por lo que montar un eje flexible [5] podría ser otra opción, ya que debido a smenor tamaño sería más fácil adaptarlo.


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Figura 11. Eje flexible.

Antes de analizar las alternativas de hardware y software cabe mencionar que existealgunos software que limitan el hardware a usar, y viceversa, por lo tanto, la elección deb potenciar el conjunto.

2. HARDWARE

2.1 CONTROLADOR Y SHIELD

2.1.1. EasyDriver

Este controlador [6] resulta ser una opción bastante razonable, en cuanto a larelación precio/calidad y que viene en formato individual, basado en el chip A3967 dAllegro, el cual funciona para motores bipolares. El control se realiza mediante señales d paso y dirección, las cuales son enviadas al motor para que genere los movimientoincluidos en el código G entregado.

Para alimentar el motor de 4 hilos, el controlador EasyDriver requiere unaalimentación de 6 a 30 [V]. Posee dos pines de ‘microstep’ (MS1 y MS2), los cuales permiten ajustar la resolución de los micropasos del motor a paso completo, medio pas¼ de paso y ⁄ de paso, obteniendo más o menos precisión según se prefiera. Su valoraproximado es de $15.000.


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Figura 12. Controlador EasyDriver.

2.1.2. A4988

Este controlador [7] sirve para motores bipolares y también realiza el control demotor a través de señales de paso y dirección. La alimentación que requiere es de 8 a 3[V]. Posee tres pines de ‘microstep’ (MS1, MS2 y MS3), dando cinco diferentesresoluciones de micropasos, siendo éstas de paso completo, medio paso, ¼ de paso,⁄ de paso y ⁄ de paso. Su valor aproximado es de $13.000.

Figura 13. Controlador A4988.


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3. SOFTWARE

Esta etapa contempla tres módulos, los cuales definen el proceso, respecto del softwarEl objetivo principal es utilizar sólo software libre.

Figura 14. Módulos del proceso.

3.1. MÓDULO 1. DISEÑO

El uso primordial que se le dará a la CNC es la fabricación de placas PCB. El diseño de placa se realiza en un denominado software CAD. Existen algunos para usos particulares, comdiseñar las pistas y la circuitería.

3.1.1. Eagle CAD

Este software se usaría en su versión freeware [8]. EAGLE es la sigla de EasyApplicable Graphical Layout Editor y es un software de diseño de PCB, disponible parWindows, Linux y Mac OS X.


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Figura 15. EagleCAD.

3.1.2. Fritzing

Es un programa Open Source [9], que sirve para realizar placas PCB y dispone dopciones para exportar un fichero CAD para enviar a un fabricante de placas. Estdisponible para Windows, Linux y Mac OS X.

Figura 16. Fritzing.


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3.2. MÓDULO 2. G-CODE

3.2.1. Universal Gcode Sender

Es una plataforma [10] para enviar código G, desarrollada en Java, compatible coGrbl [15]. Abre el puerto serial, establece conexión y muestra las órdenes que se envíaPara abrir el programa se debe entrar en la carpeta donde se encuentra, abrir el terminal escribir el comando:

java -jar -Xmx256m UniversalGcodeSender-all32.jar

Figura 17. Universal Gcode Sender.

3.2.2. PCB-Gcode

Es un software compatible con Eagle CAD [11], con el cual se puede configurar ecódigo G


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Figura 18. PCB-Gcode.

3.2.3. G-code sender

Aplicación de Chrome Web Store [12], para enviar archivos de código G a unamáquina CNC.

Figura 19. Gcode Sender.


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3.3. MÓDULO 3. MÁQUINA

3.3.1. LinuxCNC

Es un software libre [13], con el cual se puede controlar una máquina CNC entiempo real, debido a que se comunica con el computador mediante puerto paralelo.

LinuxCNC es tiene bastantes limitaciones de hardware. El primer filtro se supercon la “Prueba de Latencia” o “Latency Test”. La latencia corresponde a cuánto le tomaráal computador detenerse en lo que está haciendo y responder a una solicitud externa. Eeste caso es el latido periódico el que sirve como referencia de tiempo para la generacióde los pulsos de paso. A menor latencia, más rápido se generan los latidos y más rápidos

suaves serán los pulsos de paso. La latencia se mide llevando al computador a un máximde esfuerzo, abriendo muchas ventanas del explorador de internet, reproduciendo músicabriendo editores de texto, entre otros.

Figura 20. Prueba de Latencia.

Los valores que se deben obtener en la Prueba de Latencia para “Max Jitter” debenser menores a 15-20 microsegundos (ó 15000-20000 nanosegundos) y con ello ecomputador debería responder bastante bien. Si los valores están entre 30-50microsegundos aún se pueden obtener buenos resultados, pero es posible que el velocidamáxima del paso sea deficiente y existan problemas con los micropasos. Si los númeroson 100 microsegundos o más (100000 nanosegundos) el computador no sirve para susado en tiempo real. Esto último es lo que sucede con un computador portátil.


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Si se cambia a un computador de escritorio, los valores deberían, inmediatamenty sin ninguna modificación, mejorar notablemente.

Para comenzar se estudia el software LinuxCNC. Funciona por medio de IRC(Internet Relay Chat) que es un protocolo de comunicaciones en tiempo real basado etexto. Se supone que en el software se ve en tiempo real lo que la CNC está ejecutandoPara configurar el sistema se debe usar Stepconf, programa que genera archivos dconfiguración para LinuxCNC para aquellas máquinas controladas por un puerto paraleestándar, usando las señales de paso y dirección. Existen algunos controladores para lomotores que vienen por defecto en el software.

Además se deben configurar los pines del puerto paralelo y cada uno de los ejesindicando parámetros como desplazamiento del eje, medida del hilo del husillo, entrotros.

Figura 21. Stepconf de LinuxCNC.


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Figura 22. Asignación de pines del puerto paralelo.

Figura 23. Configuración de eje X.


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3.3.2. Mach3

Éste es un software [14] bastante popular para el control de máquinas CNC, ya qulleva bastante tiempo en el mercado y funciona en Windows. Sin embargo, no es softwalibre, aunque es gratis si se ingresa un código de menos de 500 líneas, lo cual edemasiado limitante para el trabajo que se realizará. Lo ventajoso de esta alternativa eque su interfaz es bastante completa.

Figura 24. Mach3.

3.3.3. Grbl

Grbl es un software libre [15] que funciona como alternativa al puerto paralelousando Arduino. Grbl se encarga de interpretar el código G y da las órdenes al controladque controla el motor paso a paso.

Al establecer comunicación con el puerto serial (115200 baudios) se abre el‘Monitor serie’ y se visualiza el menú de Grbl. Los parámetros a configurar se pueden veren el menú, como desplazamiento de cada uno de los ejes, cantidad de pasos de cada unde los motores, entre otros.

La limitación de este software es que sólo puede ser cargado en un Arduino conmicroprocesador ATMega 328p.


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Figura 25. Pines de Arduino para Grbl.

CONCLUSIONES

Se han presentado variadas alternativas de solución para cada etapa, las cuales puedecombinarse entre ellas para realizar la implementación de una CNC de bajo costo, que permifabricar placas PCB. Se debe mencionar que en el mercado existen una cantidad innumerable opciones, sin embargo, se han mostrado aquellas sobre las que se ha profundizado con maydetalle. En el próximo documento a presentar se evaluarán cada una por separado y en sconjunto, para así determinar la solución final más conveniente.


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REFERENCIAS

[1] http://tallerdedalo.es/web/mundocnc/motores

[2] http://www.thingiverse.com/thing:33799

[3] http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1424

[4] http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1465&product__name=Controlador_pa_motores_Brushless_(ESC)

[5] http://www.easy.cl/easy/ProductDisplay?mundo=1&id_prod=22875&id_cat=0&tpCa=4&ca

0=4176&caN1=4230&caN2=2789&caN3=0[6] http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=328&product__name=EasyDriver_Drer_para_motores_Paso_a_paso

[7] http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1120

[8] http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/

[9] http://fritzing.org/download/

[10] https://github.com/winder/Universal-G-Code-Sender[11] http://www.pcbgcode.com/

[12] https://chrome.google.com/webstore/detail/gcodesender/ngncibnakmabjlfpadjagnbdjbhoelom

[13] http://www.linuxcnc.org/

[14] http://www.machsupport.com/software/mach3/

[15] https://github.com/grbl/grbl
http://www.thingiverse.com/thing:33799http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1424http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1465&product__name=Controlador_parhttp://www.easy.cl/easy/ProductDisplay?mundo=1&id_prod=22875&id_cat=0&tpCa=4&caNhttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=328&product__name=EasyDriver_Driv%20er_para_motores_Paso_a_pasohttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=328&product__name=EasyDriver_Driv%20er_para_motores_Paso_a_pasohttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1120http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1120http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/http://fritzing.org/download/https://chrome.google.com/webstore/detail/gcodesender/ngncibnakmabjlfpadjagnbdjbhoelo%20mhttps://chrome.google.com/webstore/detail/gcodesender/ngncibnakmabjlfpadjagnbdjbhoelo%20mhttp://www.linuxcnc.org/http://www.linuxcnc.org/https://chrome.google.com/webstore/detail/gcodesender/ngncibnakmabjlfpadjagnbdjbhoelo%20mhttps://chrome.google.com/webstore/detail/gcodesender/ngncibnakmabjlfpadjagnbdjbhoelo%20mhttp://fritzing.org/download/http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1120http://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=328&product__name=EasyDriver_Driv%20er_para_motores_Paso_a_pasohttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=328&product__name=EasyDriver_Driv%20er_para_motores_Paso_a_pasohttp://www.easy.cl/easy/ProductDisplay?mundo=1&id_prod=22875&id_cat=0&tpCa=4&caNhttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1465&product__name=Controlador_parhttp://www.olimex.cl/product_info.php?products_id=1424http://www.thingiverse.com/thing:33799

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