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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Estado del Arte de Proyecto de Titulación “Implementación “Implementación de una CNC para la fabricación de placas PCB,  basado en software libre libre”

Presentado por:

Constanza Zapata Flores

ROL USM:

2704572-3

Profesor guía:

Sr. Alejandro Suárez Sotomayor

Fecha:

27/11/2015

 Proyecto de Titulación

TÓPICOS A TRATAR El Control Numérico por Computador (CNC) es un sistema de automatización para controlar máquinas herramientas, como tornos, fresadoras, impresoras 3D, entre otros. Desde los inicios del Control Numérico variados eran los lenguajes de programación usados en dichas máquinas, hasta que todos fueron normalizados al código G o G-code, el cual es la dirección correspondiente a las funciones preparatorias. Una máquina CNC elabora una pieza a partir de un bloque sólido de cierto material, dándole la forma que fue diseñada previamente en un software de diseño CAD. Los movimientos que la CNC realiza para lograr esto se le entregan como órdenes mediante un G-code. Estos movimientos se entregan por cada uno de los ejes que posea la CNC, con la ayuda de cada uno de los motores paso a paso respectivamente, siendo éstos últimos los que se encargan de dejar el material en la posición necesaria para ser intervenida. La forma que se le da al bloque sólido se logra a partir de la herramienta de fresado. Dependiendo del resultado y la precisión que se desea obtener se selecciona el tipo de broca de fresado. La implementación de este proyecto busca el uso de hardware de bajo costo y software libre de código fuente abierto. El inicio de este proyecto consiste en el estudio de los motores  paso a paso, de las máquinas CNC y anteriores implementaciones. La segunda etapa será desarmar, modificar y reemsamblar la microfresadora Proxxon MF 70, máquina que se usará como base para la construcción de la CNC. Ya realizada la adaptación física, se seguirá con el hardware, es decir, los controladores de los motores, los posibles sensores y toda la electrónica necesaria. Luego, el software que se manejará para controlar la máquina, programa que interpreta el G-code, programado y configurado para decirle a la máquina las operaciones que debe realizar, y se lo entrega a la máquina mediante comunicación por puerto serial USB. A continuación se contempla la fabricación de una placa PCB a modo de prueba, que sirva para probar el funcionamiento de la máquina y hacer mejoras, lo que corresponde a la etapa de pruebas de resultado completo. Finalmente, está prevista la confección de una guía de uso rápido, especificando los puntos críticos para lograr un buen trabajo de la CNC.

TRABAJOS RELACIONADOS CON LOS TEMAS A TRATAR  Para interiorizarse en el tema del Control Numérico y tener de referencia algunas implementaciones se averigua sobre otras implementaciones de máquinas CNC. Existen bastantes trabajos presentados en foros en la web, con diferentes estructuras físicas, hardware y software; en [1] también se usa la Microfresadora Proxxon MF 70 como base de una CNC. Para la adaptación física y montaje de los motores utiliza un kit comprado en internet, para unos motores  NEMA23. Las siglas NEMA corresponden a una norma de la National Electrical Manufacturers

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Association para estandarizar características de, en este caso, motores paso a paso como límite de torque soportado, voltajes, dimensiones, entre otros. En [2] se realiza una evaluación técnica y económica para la conversión de un taladro fresador DM40-N a una máquina fresadora operada por control numérico computarizado. Se analizan varias opciones para elementos mecánicos, como son rodamientos, husillos, motores, entre otros. El control de la CNC se propone realizase con un PLC. Se propone una solución  basada en la evaluación realizada, exponiendo ventajas y desventajas. En [3] se diseña, construye y controla un prototipo de fresadora CNC para Madera. Se repasa cada una de las etapas del diseño, definiendo las características y requerimientos de la máquina. Si bien las dimensiones y los fines de uso son diferentes, este trabajo presenta una metodología bastante útil. En [4] se diseña y fabrica una máquina CNC para una mueblería, enfatizando el bajo costo al que se desea implementar, por lo que se ciñe en parte al objetivo del proyecto. Para la adaptación física se encuentra el kit de piezas imprimibles [5] que podría ser una opción, apto para motores NEMA17. Dependiendo del motor escogido se podría utilizar o modificar. Además se debe especificar una lista de materiales, como tornillos, tuercas, rodamientos y acoples, para saber qué comprar o buscar alternativas imprimibles como las que están en [6]. Debido a que la microfresadora tiene su motor dañado se considera como posible solución el montaje de un Dremel para reemplazar la herramienta de fresado. En [3] y [4] el Dremel usado está soportado por unas piezas, las cuales podrían ser diseñadas en el software CAD Inventor Fusion, a medida para la herramienta Dremel modelo 3000 o similar. La microfresadora Proxxon MF 70 posee tres ejes, por lo que serán tres motores paso a  paso los que se usen para mover los ejes. Para cada motor se necesita un controlador. Se deberá seleccionar un motor que cumpla con los requerimientos para fabricar placas PCB, con un buen nivel de precisión y pulcritud. En [1], [2], [3] y [4] se utilizan diferentes controladores, por lo que se podría analizar alguna de estas soluciones u optar por otra distinta. El hardware a usar está determinado por el software escogido para el control de la CNC; dentro de las opciones se encuentra el programa Grbl [7], el cual es de código fuente abierto y  puede ser configurado según lo que se requiera, habilitando o deshabilitando características. Para poder realizar la comunicación entre los mo tores y sus controladores, y el software se necesita una breakboard, placa para conectar los controladores de los motores y comunicarse con

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el computador; al igual que en el caso de los controladores, [1], [2], [3] y [4] usan diferentes  placas, además de muchas otras alternativas que se pueden encontrar en la web a la venta. Sin embargo, en esta implementación se pretende que un Arduino haga esta labor. Al usar un Arduino, se busca que éste sea la breakboard y que sea el encargado de la comunicación serial USB. Para finalizar el trabajo de esta memoria se debe crear una guía de uso rápido para el usuario futuro, que considere los puntos críticos de configuración y funcionamiento de la máquina. Si bien el objetivo principal es la fabricación de placas PCB, usando la CNC para trazar los caminos de circuitería, no se descarta que pueda ser usada para crear otro tipo de objetos. Para la máquina CNC a implementar se pretende robustez, de modo que sólo sea suficiente cambiar el G-code para obtener lo que se desee.

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BIBLIOGRAFÍA [1] Tema: Mi Proxxon MF70 CNC, http://foro.metalaficion.com/index.php?topic=16188.0

Foro

Metal

Afición,

enlace

[2] Trabajo de titulación para optar al Título de Ingeniero de Ejecución Mecánica de Procesos y Mantenimiento Industrial, Felipe Alberto Crisóstomo Vergara, “Evaluación técnica y económica  para la conversión de un taladro fresador convencional a una máquina fresadora operada por Control Numérico (CNC)”, Universidad Técnica Federico Santa María, Sede Concepción. [3] Memoria de Titulación para optar al Título de Ingeniero Civil Electrónico, Benjamín Irarrázaval Bozzolo, “Diseño, construcción y control de una máquina numérica ruteadora”, Universidad Técnica Federico Santa María, año 2001, Valparaíso. [4] Trabajo de Titulación para optar al título de Técnico Universitario en Proyecto y Diseño Mecánico, Enzo Antonio Araya Bugueño, “Diseño y fabricación de un prototipo de máquina fresadora CNC”, Universidad Técnica Federico Santa María, Sede Viña del Mar, año 2004. [5] Bubblegum CNC Proxxon http://www.thingiverse.com/thing:33799

MF70

CNC

[6] MakerBot Thingiverse, enlace http://www.thingiverse.com/ [7] Grbl, enlace https://github.com/grbl/grbl.

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Conversion

Kit,

enlace