CONSTRUCCIÓN DE UNA CNC CASERA DE 3 EJES CON ARDUINO, SHIELD CNC 3D Y A4988 Tte. Barrientos Romero Juan Gabriel Est. Villca Foronda Daniel Iván Est. Jessica Lizeth Paredes Torrez ING. MARCELO SAAVEDRA ALCOBA
R esumen.- E n el pres ente proyecto s e obs obs ervará la ela elaboración de de una maquina maquina C NC casera con sus 3 ejes ejes de movimiento, como su nombre lo dice su objetivo es el de realizar imágenes o placas PCB en madera, placa o s implemente en en este es te cas o es el de dibujar dibuj ar fig uras ur as o imág enes con un bolíg bolí g rafo en un papel, aplic aplicando ando as as í un buen us o de en lo que es la mecatrónic mecatrónica. a. Índice de Términos —maquina maquina CNC casera con 3 ejes ejes . 1. Objetivo General
Realizar la construcción de un maquina cnc casera con sus 3 ejes de movimientos para la elaboración de figuras, imágenes o diseño de placas con un bolígrafo sobre un papel. 1.1.
Objetivos Específicos
Realizar el diseño mecánico para la construcción de la maquina CNC. Controlar la velocidad y el funcionamiento de una CNC.
2. Fundamento Teórico
El llevado a cabo e este proyecto cumple con el siguiente:
Figura 1. Esquema CNC
2.1.
¿Qué es un CNC?
Esta es otra de aquellas famosas siglas que aparecen en innumerables tecnologías, y de la que no todo el mundo sabe de qué se trata, ni para qué sirve. El control numérico por computadora, de ahora en adelante CNC, es un 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. Si vemos el cubo de la imagen, cada una de las aristas tiene unas coordenadas propias e únicas; así, si quisiéramos dirigir una punta de una herramienta, a tocar cada una de estas coordenadas, sólo tendríamos que introducir las órdenes pertinentes en el programa, y cargarlo en la máquina que se encargará de
ejecutar los diferentes caminos. La primer cifra representa el desplazamiento sobre el eje X, la segunda sobre el Y, y la tercera sobre el Z.
Figura 2. Coordenadas de un objeto en una maquina CNC
Así pues, el CNC controla todos los movimientos de la herramienta cuando estamos fabricando, y no solo controla las coordenadas que hemos visto, sino también, la manera de desplazarse entre ellas, su velocidad, y algunos parámetros más. Un CNC es un equipo totalmente integrado dentro de máquinas-herramienta de todo tipo, de mecanizado, de corte, por láser, cortadoras, etc. La pregunta lógica ¿para qué sirve el CNC? Pues como hemos dicho, nos permite controlar en todo momento cuales son los movimientos de una herramienta, así que nos servirá para obtener piezas con determinadas medidas, para crear programas que nos repitan con gran precisión piezas iguales, también se utiliza, y mucho, para verificar las medidas de algo que ha sido fabricado. Sin ir más lejos, el otro día vi en la televisión imágenes de la factoría de Ferrari, Ferrari, donde todos los chasis de sus vehículos (el chasis es la estructura interior, el esqueleto) eran comprobados mediante robots, para verificar la calidad y seguridad de sus vehículos, ya que Ferrari fabrica sus coches de manera semiartesanal.
¿Cómo hacían esto? Pues colocando el
coche en una bancada, y mediante varios robots que tienen una especie de aguja en la punta (llamada palpador), y que siguen unas órdenes marcadas por un CNC; el robot va a una coordenada, por ejemplo la (432,1450,45) y sabe que cuando pase a la coordenada (432,1450,46) tiene que estar tocando el chasis, si el palpador detecta que ha habido contacto, da el visto bueno, sino detecta contacto, avisa de un posible error. 2.2. ¿Qué paso?
son
motores
paso
a
El motor paso a paso es un dispositivo que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares, lo que significa, que es capaz de avanzar una serie de grados (pasos) dependiendo de la orden que se le dé. El motor paso a paso es un motor altamente preciso ya que su eje gira de 1.8º en 1.8º lo que quiere decir que para hacer 360º debe dar 200 pasos. Esto les confiere una precisión increíble, la cual transferida a la CNC proveerá de una gran capacidad para hacer piezas muy pequeñas y delicadas, aunque también se pueden hacer piezas grandes.
Figura 3. Motor pasó a paso
DRV8825, soportan hasta 36V, así que por favor tener en cuenta el voltaje de trabajo de tus controladores antes de alimentar su CNC Shield)
Tabla 1. Características de un motor pasó 2.3.
3D CNC shield
2.3.1. Descripción del Producto
GRBL 0.8c y 0.9i compatible. (Firmware de código abierto que se ejecuta en un Arduino, que convierte los comandos de código G en señales eléctricas para mover en pasos los motores). 4 ejes de soporte X, Y, Z, A (el eje A, puede duplicar los ejes X, Y, Z o por defecto, hacer un cuarto eje completo con firmware personalizado utilizando los pines D12 y D13) 2 finales de carrera para para cada eje (6 en total) Opciones de “Habilitar Husillo”, “Dirección de Husillo” y “Habilitar/Deshabilitar Refrigerante”
4 Zócalos Zócalos compatibles compatibles para el uso de controladores de motores paso a paso (PAP) A4988, DRV8825 u otros compatibles. Puentes para ajustar el micromicro escalonamiento de los pasos, permitiendo controlar de forma más precisa sus motores (Algunos controladores como el DRV8825 pueden hacer hasta 1/32 pasos) Diseño compacto Molex de 4 pines, para conectar tus motores PAP Regleta para el voltaje de entrada que puede variar entre 12-36 VDC (Por el momento solo los controladores
Figura 4. Shild CNC 3D para arduino nano
2.4.
Chips A4988
Los A4988 de Pololu son unos drivers electrónicos que se usan para controlar motores paso a paso, permiten decidir la dirección de giro y velocidad de estos. Los motores, irán conectados a Arduino, que imagino, ya sabéis perfectamente que es, si no, en Ikkaro podéis encontrar información sobre esta placa. No es necesario que sepamos mucho más sobre estos chips, pero si queréis profundizar podéis informaros de todo en la web del fabricante, fabricante, y este otro enlace podéis descargar el datasheet del
A4988. Figura 5. Chip A4988 o más conocido con ocido como pololu
2.4.1. Especificaciones
2.5.
Voltaje de funcionamiento: 8-35 V Corriente de salida: 1A continuo (2 A con disipador) Dimensiones: 20,3x15,2mm Arduino nano
2.5.1. Especificaciones Características
Microcontrolador: Atmel ATmega328 (ATmega168 versiones anteriores) Tensión de Operación (nivel lógico): 5 V Tensión de Entrada (recomendado): 712 V Tensión de Entrada (límites): 6-20 V Pines E/S Digitales: 14 (de los los cuales cuales 6 proveen de salida PWM Entradas Analógicas: 8 Corriente máx por cada PIN de E/S: 40 mA Memoria Flash: 32 KB (ATmega328) de los cuales 2KB son usados por el bootloader (16 KB – ATmega168) SRAM: 2 KB (ATmega328) (1 KB ATmega168) EEPROM: 1 KB (ATmega328) (512 bytes – ATmega168) Frecuencia de reloj: 16 MHz Dimensiones: 18,5mm x 43,2mm Energía El Arduino Nano posee selección automática de la fuente de alimentación y puede ser alimentado a través de: Una conexión Mini-B USB. Una fuente de alimentación no regulada de 6-20V (pin 30). Una fuente de alimentación regulada de 5V (pin 27).
Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El micro controlador de la placa se programa usando el Arduino Programming Language (basado en Wiring) y el Arduino Development Environment (basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser autonomos o se pueden comunicar con software en ejecución en e n un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.).
2.6.
Interfaz máquina – ordenador
Se trata del programa encargado de mostrar información sobre el estado de la máquina en una pantalla, así como permitir una comunicación bidireccional entre ambos. Existen multitud de soluciones. La más famosa es sin duda Mach3 (Mach4 actualmente en desarrollo) totalmente compatible con cualquier versión desde Windows 2000. Para usuarios de Linux la más recomendable es Figura 6. Arduino nano y sus especificaciones
EMC2, proyecto totalmente “Open Source”,
aunque existen otras muchas como KCAM,
solución perfecta para usuarios de Windows 98. La solución optada en este proyecto es GRBL, otro trabajo totalmente Open Source optimizado para trabajar sobre Arduino, soportado por una comunidad muy preparada que lo mejora día a día. Los autores de este software lo define como: “Grbl is an opensource software that turns your Arduino development board into a full f ull blown G-Code interpreter.”
Para comunicar el controlador con el ordenador se ha optado por GRBL Controller Su interfaz es la siguiente:
Figura 10. X loader V1.0
Figura 9. Interfaz de GRBL controller 2.7. Instalación del Sketch de GRBL para Windows
Hex file: directorio donde se encuentra el archivo de código fuente de GRBL en hexadecimal. Device: GRBL solamente es compatible con el microcontrolador ATmega 328. Se recomienda flashear únicamente Arduino UNO, que obviamente dispone de este microcontrolador. COM port: puerto donde está conectada la tarjeta de Arduino. Baud rate: se recomienda una velocidad de 115200, de forma que la transferencia sea lo más rápida posible.
Una vez configurada la ventana, se hace clicken
El programa, o sketch de GRBL se encuentra dentro de un fichero hexadecimal, por lo que no se puede introducir directamente desde el IDE de Arduino al micro controlador. Para realizarlo correctamente, se debe de utilizar un programa específico para flashear sobre el micro controlador el firmware. En este proyecto, se ha empleado XLoader v1.00. No obstante, hay que tener presente que antes de flashear Arduino, los drivers de Arduino nano tienen que estar instalados. Cuando se ejecuta XLoader, la pantalla se debe de configurar de la siguiente forma:
“Upload”.
Si
el
puerto
está
correctamente seleccionado GRBL comenzará a volcarse en la tarjeta y comenzará a parpadear. Una vez finalizado este proceso, XLoader no volverá a hacer falta. Es importante destacar que si el shield de GRBL se encuentra conectado a la tarjeta Arduino este proceso no se puede llevar a cabo, ya que los pines 0 y 1 (Tx y Rx) se deben de encontrar libres cuando se programa la tarjeta desde el ordenador.
2.8.
Archivos .g
1 Shield CNC + (3) A4988 1 Fuente 12V 2A 1 Soporte MotoTool Dremel 3000 4 Sujetador Cama Fresado 1 Arduino nano 3 Rodamiento 8mm 15 Cables Jumper Hembra-Macho 20 Tornillo madera 40mm 24 Tornillos M4 x 25mm 12 Tornillos M3 x 30mm 1 Dremmel 3000 Mototool 6 Tabla MDF 30cm x 7 cm / 18mm 1 Tabla MDF 20cm x 20cm / 18mm 1 Tabla MDF 20cm x 10cm / 15mm 1 Tabla MDF 10cm x 5,5cm / 18mm 1 Tabla MDF 13cm x 10cm / 15mm 1 Tabla MDF 10cm x 7 cm / 18mm
4.
Procedimiento
Para el dibujado de las figuras con la maquina CNC sobre una hoja se usa archivos .ngc que se realiza con el software inskcape.
Figura 11. Archivo .jpg a .ngc
2.9.
Estructura física de la maquina
CNC
Figura 12. Modelado de la estructura de la maquina CNC en el software autocad 3.
Materiales y equipo.
3 Motor Pasos Bipolar Nema17 / 12V / 0,4A / 1,8*Paso 3 Acoples Flexibles 8mm - 5mm 3 Tornillos D8mm- L30cm/ 8mm*giro + Tuerca+Camisa+M3 12 Rodamiento lineal de bolas 8mm 5 Eje acerado 8mm 40cm 2 Soporte Eje 8mm
Para esta ocasión nosotros solo nos enfocamos directo a la parte electrónica debido a que la parte de la estructura ya estaba realizada, entonces nosotros empezamos con la conexión del arduino nano al shield CNC 3D así mismo se colocó los pololu. Una vez realizada el armado de los componentes procedimos a poner la librería del GRBL al arduino nano para poder utilizar la shield CNC con los software, una vez realizado eso nos enfocamos en la calibración de los ejes X, Y y Z y el tanto de pasos que deben dar los motores, también a la vez se colocó los fines de carrera para que tenga un paro de emergencia si se pasa de los ejes establecidos. Después que se observó que la calibración era casi correcta procedimos a realizar los archivos .g para esto usamos el software INKSCAPE que nos ayuda a llevar las imágenes .jpg a un formato .gnc y este archivo es el que reconoce el software Universal
Gcode Sender para que pueda elaborar las imágenes en la hoja de papel. 5.
Recomendaciones
Revisar las conexiones de todos los componentes y ver sus características de cada componente. Revisar el estado de los motores paso a paso. Cuidar los materiales del laboratorio. Fijar bien todas las piezas de la estructura y revisar que no tenga tornillos sueltos.
6.
Conclusiones
Se logró desarrollar satisfactoriamente la elaboración de una maquina CNC casera. También se pudo hacer el uso de reciclaje debido la mayoría de los materiales que usamos son reciclados. A la vez se pudo comprobar que no todos los modelos de CNC casera están son iguales en cuanto a su estructura debido a que se observó varios modelos aunque el principio de funcionamiento es el mismo, además de que los motores paso tienen una buena precisión, gran fuerza y potencia para poder desplazarse en todo lado, además de tener una buena estabilidad en su infraestructura. 7.
Figura 13b. Acabado de la CNC casera
Figura 14. La CNC en funcionamiento
Anexos 7.1.
https://www.ikkaro.com/como-hacerfresadora-cnc-casera/ https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/ handle/2238/521/Informe%20Proyecto% 20torno%20CNC.pdf?sequence=1 http://www.alselectro.com/stepperdriver-a4988.html https://cadcamcae.wordpress.com/2007/ 06/14/el-control-numerico-porcomputadora-el-cnc/
Figura 13a. Acabado de la CNC casera
Web
http://repositorio.upct.es/bitstream/handl e/10317/4393/tfg491.pdf?sequence=7 http://arduino.cl/que-es-arduino/ https://www.electronicaembajadores.co m/es/Productos/Detalle/LCMM004/mod ulos-electronicos/modulos-driver-y-ocontroladores-de-motores/drivermotores-paso-a-paso-1a-a4988 https://electronilab.co/tienda/arduinonano-v3-atmega328-5v-cable-usb/
7.2.
Software usados (link)
https://github.com/winder/Universal-GCode-Sender https://www.dropbox.com/s/f94e22wbdi wltk0/GRBL_para_Shield_CNC.ino?dl=0 # https://www.dropbox.com/s/e979sbv2gb rno20/SketchUcam-1_4a-7e8d35.rbz?dl=0 https://www.dropbox.com/s/mooikp6kxn od5uq/CNC%20Planos.zip?dl=0# https://inkscape.org/es/release/0.92.2/wi ndows/64-bit/
7.3.
Guías (Web - youtube)
El Profe García (CNC casera) El Profe David Vasquez (inkscape – crear código .g imagen)
