INTRODUCCIÓN
En la actualidad una máquina CNC es muy importante en las industrias ya que esta máquina se puede utilizar para cualquier proceso pr oceso de manufactura, el principal objetivo ob jetivo de la maquina CNC es el hacer la operaciones de manufactura en menor tiempo y tener más producción ya que los trabajadores están limitados para hacer una mayor producción, además estas máquinas hacen el trabajo con calidad, precisión y pueden tener una cierta repetibilidad del proceso de trabajo. Nuestro proyecto es básicamente una mini maquina CNC, la cual tiene la capacidad de poder realizar cualquier tipo de dibujo en 2d que es básicamente la impresión de un dibujo en calidad, esta máquina se forma de las siguientes partes: motores paso p aso a paso, arduino, una CNC shield, s hield, step driver, un lápiz, etc. Una de las ventajas de tener una u na mini CNC que realice dibujos es, que ya no hay que preocuparnos de la calidad del dibujo y la precisión m anual, ya que teniendo esta máquina podrá realizar sin ningún problema lo que se busca en el proceso de trabajo, porque la mini CNC estará programada para que pueda realizar cada una de las ordenes que le dará la computadora, como por ejemplo las coordenadas donde debe de trabajar el lápiz. La mini CNC trae muchos beneficios para el usuario como lo que hemos mencionado antes que es la calidad, el tiempo y una mejor producción. Durante el desarrollo de este trabajo se dará a conocer los puntos importantes de este proyecto como lo es el planteamiento del problema, nuestras hipótesis del trabajo, el marco teórico y nuestras conclusiones. Ya teniendo una pequeña información de una mini maquina CNC proseguiremos a lo siguiente.
MARCO TEÓRICO CNC (CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO) En la actualidad, encontramos máquinas CNC en casi todas partes, que ya no solo abarcan los grandes establecimientos industriales, sino también talleres de todo tipo, tanto de pequeña como mediana envergadura. Prácticamente no existe ámbito alguno de un proceso de fabricación que no dependa de estas poderosas y versátiles máquinas. Sin embargo, a pesar de su amplia aplicación, pocos fuera del entorno industrial están familiarizados con el fundamento de la tecnología CNC y desconocen su funcionamiento y utilidad. Antes y después del control numérico (CNC) La explosiva expansión industrial desde comienzos del siglo XX y el empleo masivo de maquinaria impulsada por energía motriz demandó una búsqueda constante de procesos cada vez más eficientes. Hasta hace unos 60-65 años, la mano de obra requerida en las tareas industriales era densa, lo cual no sólo exigía enormes dotaciones de obreros, sino que además afectaba la calidad, precisión y repetibilidad, encarecía los costos y disminuía la producción. Pero ¿En qué medida? Podemos verlo con un ejemplo simple. Muchos de los que trabajan en un taller mecánico, conocen una de las operaciones más sencillas de manufactura, es decir, perforar orificios en una chapa metálica con un taladro un taladro manual de columna. Para columna. Para ello, el operario debe realizar una multiplicidad de tareas: ubicar la chapa en la mesa del taladro, colocar una broca una broca en el mandril y asegurarla al husillo, seleccionar la velocidad de rotación mediante un cambio de poleas, activar el e l husillo y accionar la palanca, o el volante de avance, para dirigir la broca hacia la chapa a mecanizar. Ahora imaginemos la viabilidad de un proceso como este en un entorno industrial donde deben realizarse cientos de orificios en cientos de chapas, en el menor tiempo posible, al menor costo y con la máxima calidad de producción. Ese fue precisamente el desafío que enfrentaron las industrias durante la primera mitad del siglo XX y, por lo tanto, los avances tecnológicos cobraron impulso hacia la automatización de los
procesos de manufactura, es decir, hacia el diseño de máquinas capaces de programarse para realizar automáticamente todas las tareas manuales de un operar io. Es así como ya entrada la década de los ‘50 se introdujo en Estados Unidos el concepto de control numérico (CN) en una fresadora, que usaba tecnología de válvulas de vacío y la carga de datos se realizaba mediante tarjetas perforadas. Ya en los años ‘60 las válvulas de vacío eran reemplazadas por transistores, hasta que la introducción
de las computadoras en la década del ‘ 70 sentó las bases definitivas de lo que hoy conocemos como tecnología del control numérico computarizado (CNC). Los microprocesadores revolucionaron el mundo del control numérico, permitiendo integrar prestaciones tales como, entre otras, ayudas avanzadas de la programación, presentación gráfica de la trayectoria de la herramienta, subprogramas y ciclos fijos, y comunicaciones e integración en redes. A comienzos de los ’90 se introdujo la
tecnología de control numérico abierto, que posibilita su personalización y la incorporación
de
conocimientos
propios,
programación
gráfica
interactiva,
comunicación digital con los accionamientos y otro nutrido e tcétera que nos ofrece las notables ventajas actuales de la maquinaria CNC. ¿Qué es el CNC y cómo está compuesta una máquina CNC? En pocas palabras, el control numérico computarizado es el uso de una computadora para controlar y monitorear los movimientos de una máquina herramienta. Entre esas máquinas herramienta, tanto estáticas como portátiles, podemos mencionar: fresadora, torno, rectificadora, máquina de corte por láser, por chorro de agua o por electroerosión, estampadora, prensa, brazo robotizado, etc. Las máquinas de gran porte cuentan con una computadora dedicada que forma parte del equipo, y la mayoría dispone de un sofisticado sistema de realimentación que monitorea y ajusta constantemente la velocidad y posición de la herramienta de corte. Las máquinas menos exigentes usadas en talleres admiten el uso de una computadora personal externa. El controlador CNC trabaja en conjunto con una serie de motores (servomotores y/o motores paso a paso), así como componentes de accionamiento para desplazar los ejes de la máquina de manera controlada y ejecutar los movimientos programados.
Una máquina CNC, por lo tanto, consiste en seis elementos principales:
Dispositivo de entrada
Unidad de control o controlador
Máquina herramienta
Sistema de accionamiento
Dispositivos de realimentación (sólo en sistemas con servomotores)
Monitor
La siguiente figura muestra un diagrama de bloques de una máquina CNC típica, provista de servomotores.
Figura 1: Diagrama de bloques de una maquina CNC ¿Cómo funciona una máquina CNC? Como observamos en la figura anterior, básicamente, el controlador de las máquinas CNC recibe instrucciones de la computadora (en forma de códigos G y códigos M) y mediante su propio software convierte esas instrucciones en señales eléctricas
destinadas a activar los motores que, a su vez, pondrán en marcha el sistema de accionamiento. Para comprender en términos generales cómo funciona una máquina CNC vamos ahora a examinar dos de las funciones específicas que pueden programarse. Control de movimiento Todas las máquinas CNC comparten una característica en común: tienen dos o más direcciones programables de movimiento llamadas ejes. Un eje de movimiento puede ser lineal (en línea recta) o rotatorio (en una trayectoria circular). Una de las primeras especificaciones que implica la complejidad de una máquina CNC es la cantidad de ejes que tiene. En términos generales, a mayor cantidad de ejes, mayor complejidad. Los ejes de una máquina CNC son un requisito para generar los movimientos necesarios para el proceso de fabricación. Si seguimos con el ejemplo de un taladro industrial, los ejes ubicarían la herramienta sobre el orificio a mecanizar (en dos ejes) y efectuarían la operación (con el tercer eje). Los ejes se denominan con letras. Los nombres más comunes de los ejes lineales son X, Y y Z, mientras que los más comunes de los ejes giratorios son A, B y C. El control de movimiento puede realizarse mediante dos sistemas, que pueden funcionar individualmente o combinados entre sí:
Valores absolutos (código G90), donde las coordenadas del punto de destino son referidas al punto de origen de coordenadas. Se usan las variables X (medida del diámetro final) y Z (medida en dirección paralela al eje de giro del husillo).
Valores incrementales (código G91), donde las coordenadas del punto de destino son referidas al punto actual. Se usan las variables U (distancia radial) y W (medida en dirección paralela al eje de giro del husillo).
Programa CNC Este es un listado secuencial de instrucciones que ejecutará la máquina. Esas instrucciones se conocen como programa CNC, el cual debe contener toda la información requerida para el mecanizado de la pieza. El programa CNC está escrito en un lenguaje de bajo nivel denominado G y M, estandarizado por las normas 6983 de ISO (Organización Internacional de Normalización) y RS274 de EIA (Alianza de Industrias Electrónicas) y compuesto por instrucciones Generales (código G) y Misceláneas (código M). El programa presenta un formato de frases conformadas por bloques, encabezados por la letra N, tal como vemos en la figura de abajo, donde cada movimiento o acción se realiza secuencialmente y donde cada bloque está numerado y generalmente contiene un solo comando.
Figura 2: Programa Maquina CNC El código G describe las funciones de movimiento de la máquina (por ejemplo, movimientos rápidos, avances, avances radiales, pausas, ciclos), mientras que el código M describe las funciones misceláneas que se requieren para el mecan izado de la pieza, pero que no corresponden a los movimientos de la máquina (por ejemplo, arranque y detención del husillo, cambio de herramienta, refrigerante, detención del programa).
A su vez, cada código contiene variables (direcciones), identificadas con otras letras y definidas por el programador para cada función específica. Por ejemplo, F define la velocidad de avance, S la velocidad del husillo, T la herramienta seleccionada, X, Y y Z el movimiento de los ejes, I, J y K la localización del centro de un arco, etc. Debemos tener en cuenta que, dado que todas son diferentes, cada máquina tendrá su propio programa CNC, ya que, por ejemplo, una plegadora de chapas no tiene husillo ni requiere de refrigerante. A tal efecto, la tabla ilustrativa que sigue muestra los códigos G y M más usados para un torno CNC.
Códigos G y M para torno CNC
CNC SHIELD El CNC Shield para Arduino, hace que sus proyectos CNC sean fáciles de montar haciéndolos que funcionen en unas pocas horas. Utiliza el firmware de código abierto en Arduino para controlar 4 motores paso a paso (PAP o Stepper), donde cuenta con 4 zócalos, para insertar 4 controladores A4988. Con este Shield y un Arduino usted puede construir todo tipo de proyectos de robótica o proyectos CNC incluyendo enrutadores CNC, cortadoras laser e incluso maquinas pick & place´s (P&Ps), para el montaje de componentes SMD en circuitos electrónicos.
Características:
GRBL 0.8c compatible. (Firmware de código abierto que se ejecuta en un Arduino, que convierte los comandos de código G en señales de 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 cada eje (6 en total).
Opciones de "Habilitar Husillo", "Dirección de Husillo" y "Habilitar/Deshabilitar Refrigerante”.
4 Zócalos compatibles para el uso de controladores de motores paso a paso (PAP) A4988, DRV8825 u otros compatibles.
Puentes para ajustar el micro-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 DRV8825, soportan hasta 36V, así que por favor tener en cuenta el voltaje de trabajo de tus controladores antes de alimentar su CNC Shield).
ARDUINO UNO Arduino - Distribución de pines: Todos los pines de distribución desde el Arduino al CNC Shield, con su respectiva función, se muestra a continuación:
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 microcontrolador 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 un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP ,
etc.).
Las placas se pueden ensamblar a mano o encargarlas preensambladas; el software se puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades. ¿Por qué Arduino? Hay muchos otros microcontroladores y plataformas microcontroladoras disponibles para computación física. Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX -24, Phidgets, MIT’s
Handyboard, y muchas otras ofertas de funcionalidad similar. Todas estas herramientas
toman
los
desordenados
detalles de
la
programación
de
microcontrolador y la encierran en un paquete fácil de usar. Arduino también simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, pero ofrece algunas ventajas para profesores, estudiantes y aaficionados interesados sobre otros sistemas:
Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas con otras plataformas microcontroladoras. La versión menos cara del módulo Arduino puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino preensamblados cuestan menos de 50$.
Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores están limitados a Windows.
Entorno de programación simple y clara: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero suficientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores, está convenientemente basado en el entorno de programación Processing, de
manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino.
Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto, disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerías C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres.
Código
abierto
y
hardware
extensible: El
Arduino
está
basado
en
microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo,
extendiéndolo
y
mejorándolo.
Incluso
usuarios
relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo para entender cómo funciona y ahorrar dinero. Arduino (Genuino a nivel internacional hasta octubre 2016), es una compañía de hardware libre y una comunidad tecnológica que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware, compuestas por Microcontroladores, elementos pasivos y activos. Por otro lado las placas son programadas a través de un entorno de desarrollo (IDE), el cual compila el código al modelo seleccionado de placa. Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios. Toda la plataforma, incluyendo sus componentes de hardware (esquemáticos) y Software, son liberados con licencia de código abierto que permite libertad de acceso a ellos. El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida, los cuales pueden conectarse a placas de expansión (shields), que amplían los funcionamientos
de la placa Arduino. Asimismo, posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación con el computador. Por otro lado, el software consiste en un entorno de desarrollo (IDE) basado en el entorno de processing y lenguaje de programación basado en Wiring, así como en el cargador de arranque (bootloader) que es ejecutado en la placa. El microcontrolador de la placa se programa mediante un computador, usando una comunicación serie mediante un convertidor de niveles RS-232 a TTL. La primera placa Arduino fue introducida en 2005, ofreciendo un bajo costo y facilidad de uso para novatos y profesionales. Buscaba desarrollar proyectos interactivos con su entorno mediante el uso de actuadores y sensores. A partir de octubre de 2012, se incorporaron nuevos modelos de placas de desarrollo que usan microcontroladores Cortex M3, ARM de 32 bits, que coexisten con los originales modelos que integran microcontroladores AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles en cuanto a su arquitectura, por lo cual tampoco lo es su set de instrucciones, pero se pueden programar y compilar bajo el IDE predeterminado de Arduino sin ningún cambio. Aplicaciones La plataforma Arduino ha sido usada como base en diversas aplicaciones electrónicas:
Arduinome: Un dispositivo controlador MIDI. OBDuino: un económetro que usa una interfaz de diagnóstico a bordo que se halla en los automóviles modernos.
SCA-ino: Sistema de cómputo automotriz capaz de monitorear sensores como el TPS, el MAP y el 02S y controlar actuadores automotrices como la bobina de ignición, la válvula IAC y aceleradores electrónicos.
Ardupilot: software y hardware de aeronaves no tripuladas.
Máquinas de control numérico por computadora (CNC).
Impresoras 3D.
Ambilight, sistema de retroiluminación led imitando el sistema de los televisores Philips.
Características técnicas:
Precio de un arduino:
MOTORES PASO A PASO Los motores paso a paso (P-P) pueden verse como motores eléctricos sin sistema de conmutación. Típicamente, todas las bobinas del motor están en el estator y el rotor es, o un imán permanente o, en el caso de motores de reluctancia var iables, un bloque de algún material magnéticamente blando. Toda la conmutación debe ser manejada externamente por el controlador del motor y, habitualmente, los motores y controladores están diseñados para que el motor pueda ser mantenido en una posición o rotar en uno u otro sentido. La mayoría de estos motores pueden ser manejados a frecuencias de audio permitiendo un giro rápido y, con un controlador apropiado, pueden ser arrancados y parados en posiciones controladas.
Para algunas aplicaciones existe una posibilidad de elección entre el uso de servomotores y de motores P-P. Ambos tipos ofrecen prestaciones similares para posicionamientos precisos, pero difieren en algunos aspectos. Los servomotores requieren sistemas de realimentación analógica. Típicamente, esto involucra un potenciómetro para proporcionar realimentación acerca de la posición del rotor, y alguna circuitería para dirigir corriente a través del motor de forma inversamente proporcional a la diferencia entre la posición actual y la deseada. La elección entre uno u otro tipos de motor dependen fundamentalmente de la aplicación. Por ejemplo, la repetibilidad del posicionado con un motor P-P depende de la geometría del rotor, mientras que en el servomotor generalmente depende de la estabilidad del potenciómetro y de otros componentes del circuito de realimentación.
Los motores P-P pueden ser usados en sistemas simples de control en lazo abierto. Estos son adecuados generalmente en sistemas que operan a bajas aceleraciones con cargas estáticas; el lazo cerrado puede ser esencial para aceleraciones elevadas, particularmente si involucran cargas variables. Si se sobrecara un motor P-P en un sistema de control de lazo abierto todo el conocimiento acerca de la posición del rotor se pierde y el sistema debe ser reiniciado. Lo servomotores no presentan este problema. Los motores P-P son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° (e incluso hasta de 0.72º), es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360° (resolución de un motor P-P). Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición, o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están alimentadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y, por el contrario, quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. Principio de funcionamiento Los motores P-P se presentan en dos variedades, de imán permanente y de reluctancia variable (existen también motores híbridos, que son indistinguibles de los de imán permanente desde el punto de vista del controlador). Si el estator del motor tiene tres bobinas, conectadas típicamente como en la siguiente figura, con un terminal común, C, a todas las bobinas, será probablemente un motor P-P de reluctancia variable. El conductor común se conecta habitualmente al borne positivo y las bobinas son alimentadas siguiendo una secuencia consecutiva.
Estos motores no contienen imanes permanentes. El estator es similar a un motor de c.c. de escobillas, sin embargo, el rotor sólo consta de hierro laminado. El par se produce como resultado de la atracción entre las bobinas y el rotor férrico. El rotor forma un circuito magnético con el polo del estator. La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético a la resistencia de un circuito eléctrico. Cuando el rotor está alineado con el estator el hueco entre ambos es muy pequeño y en este momento la reluctancia está al mínimo. La inductancia del bobinado también varía cuando el rotor gira. Cuando el rotor está fuera de la alineación, la inductancia es muy baja, y la corriente aumentará rápidamente. Cuando el rotor se alinea con el estator, la inductancia será muy grande. Esta es una de las dificultades de manejar un motor de esta clase. Los motores P-P de imán permanente son los más usados en robótica. Básicamente, están constituidos por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes, y por un cierto número de bobinas excitadoras b obinadas en su estator. Así, las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser externamente manejada por un controlador.
Rotor
Estator de 4 bobinas Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente: Bipolar: Estos tienen generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Esto hace que la controladora se vuelva más compleja y costosa. Su uso no es tan común como en el caso de los de tipo unipolar.
Unipolar: Estos motores suelen tener 8, 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
CAPITULO 8: BIBLIOGRAFÍA
Control numerico computarizado. http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/introduccion-a-la-tecnologia-cnc https://cadcamcae.wordpress.com/2007/06/14/el-control-numerico-por-computadora-el-cnc/ https://createc3d.com/shop/es/shields-escudos-arduino/350-comprar-modulo-cnc-shield-paraarduino-compatible-grbl-precio-oferta.html
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