Figura 1. Diagrama que describe el sistema
Se propone un prototipo de control numérico computarizado (CNC) con tres grados de libertad para perforación de placas de circuitos electrónicos impresos, este tiene la característica de tener una interface que permita la comunicación USB a diferencia de otros prototipos que utilizan el puerto serial. Se creó un programa el cual lee las coordenadas de un archivo en código G y controla los movimientos del prototipo en tres dimensiones.
Palabras clave: CNC (Computer Numeric Control / Control Numérico Computarizado), PCB (Printed Circuit Board / Placas de Circuito Impreso), USB (Universal Serial Bus / Bus Universal en Serie)
A prototype computer numerical control (CNC) with three degrees of freedom for drilling of printed electronic circuits is proposed, this has the characteristic of having an interface allowing USB communication unlike other prototypes using the serial port. A program which reads the coordinates of a file G code and controls movement of the three-dimensional prototype.
Keywords: CNC (Computer Numeric Control), PCB (Printed Circuit Board), USB (Universal Serial Bus / Bus Universal en Serie)
En el ámbito educativo y de investigación dentro de áreas relacionadas con la electrónica es muy común realizar el diseño y la fabricación de placas para circuitos eléctricos, la fabricación de estas debe ser precisa y rápida. Para obtener placas con estas características es necesario utilizar herramientas como el control numérico computarizado.
Los primeros intentos de automatizar la construcción de placas para circuitos electrónicos utilizaban solo el control numérico, esto significa que no había intervención de computadoras, este control podía ser logrado, por ejemplo, con cintas perforadas y máquinas que operaban de forma hidráulica, lo cual permitía una automatización parcial, por lo tanto se requería la presencia de un operador en la máquina. Actualmente este control se realiza por medio de computadoras, lo cual permite construir piezas idénticas, de forma eficiente, veloz y sin el auxilio de un operador (Bollinger, 1989).
Antes de realizar la fabricación de una placa para circuito electrónico en una máquina CNC son necesarias varias etapas, las cuales implican; la creación del diseño a fabricar (diseño asistido por computadora, CAD por sus siglas en inglés), la segunda etapa contempla la creación de las rutas a seguir por la máquina CNC y la elección de las herramientas (fabricación asistida por computadora, CAM por sus siglas en ingles), y la última consta de un intérprete que lee los comandos creados por el software CAM para poder controlar la máquina CNC (Sepore, 2002).
Dentro de la etapa CAM se crea un código en lenguaje G, el cual incluye las herramientas a utilizar, las coordenadas de principales de la pieza, las rutas que deben seguir las herramientas, las velocidades a la que debe operar, las coordenadas de los orificios en las piezas, entre otras. Los intérpretes tienen la función de leer los comandos en código G y con base en estos mover los motores a las posiciones y velocidades requeridas para producir los movimientos deseados (Sepore, 2002).
En la actualidad existe una gran variedad de máquinas industriales que realizan CNC y su costo es significativo, sin embargo, es posible fabricar una máquina CNC para uso escolar la cual produzca placas con características satisfactorias.
En este trabajo se presenta la creación de un intérprete de código G, el cual lee coordenadas de un archivo extensión drill, y de un prototipo de máquina CNC la cual tiene como objetivo realizar los orificios en placas fenólicas. El prototipo fue construido para operar con los tamaños de placas fenólicas más comerciales, estos contemplan dimensiones de 10 x 10 cm hasta el tamaño A4 (21 x 29.7 cm).
El prototipo consta de una interfaz y un intérprete que fueron implementados en una computadora, esta está conectada vía USB a un microcontrolador que controla por medio de “drivers” los movimientos de los motores a pasos según lo indique el intérprete (Figura 1).
Figura 1. Diagrama que describe el sistema
Para la creación del intérprete se creó una aplicación en Visual Studio en lenguaje C, en la Figura 2 se puede observar la interface que lee las coordenadas de los orificios de un archivo seleccionado con extensión drill, cabe mencionar que este archivo drill puede ser generado por cualquier aplicación CAM, en este caso se utilizó el software Ares para crear dicho archivo. Una vez que la interfaz obtiene las coordenadas se las transfiere al intérprete para realizar algunos ajustes a estas para que las dimensiones utilizadas en el diseño correspondan a las reales, después de realizar los ajustes se manda información vía USB a un microcontrolador para controlar los motores a pasos que forman parte del prototipo.
Figura 2. Interfaz gráfica del Intérprete
El microcontrolador utilizado fue el PIC18F4550, la información que recibe indica la cantidad de secuencias que debe repetir para hacer avanzar o retroceder cada motor a pasos el taladro en los ejes X, Y y Z, en la Figura 3 se puede observar la simulación del control de los movimientos de los motores al ejecutar el código programado en el microcontrolador de la misma manera podemos observar la comunicación entre la computadora y el microcontrolador la cual se realizó por medio del protocolo USB 2.0.
Figura 3. Simulación de la operación de los motores a pasos.
Después de haber corroborado la simulación de los motores a pasos se procedió a simular el funcionamiento entre el intérprete y los motores a pasos por medio del microcontrolador, en la Figura 4 se puede observar la simulación y parte del código utilizado para el movimiento de los motores.
Figura 4. Simulación de la operación de los motores a pasos con el intérprete
Al obtener una respuesta satisfactoria en las simulaciones realizadas se montó el circuito en una tablilla de pruebas (protoboard) como se puede observar en la Figura 5, para lograr la etapa de potencia se utilizaron puentes H L298N en cada motor.
Figura 5. Puente H utilizado para la etapa de potencia en cada motor a paso
Para la fabricación del prototipo se utilizó madera, el diseño se realizó con unas dimensiones de 40 x 30 x 40 cm. aproximadamente dividiéndose en dos secciones, la primera de ellas será una base fija, como se observa en la Figura 6 la cual es el soporte de la segunda parte, en la base se encuentran dos rieles o guías que ayudan al movimiento.
Figura 6. Base el prototipo
La segunda sección del prototipo es la que lleva los ejes como se muestra en la Figura 7, esta parte es la que realiza los movimientos, para facilitar el movimiento se utilizaron rieles. En esta misma sección del prototipo para poder tener los ejes Y y Z se implementaron dos cajones, de los cuales uno permite el realizar el movimiento de manera horizontal para el eje Y, y el otro subir y bajar la herramienta que realiza las perforaciones en el eje Z.
Figura 7. Herramienta para realizar las perforaciones en la placa fenólica
Para probar el funcionamiento del intérprete se realizaron tres diseños de placas perforadas de las cuales se obtuvieron sus códigos en lenguaje G, específicamente los archivos de extensión drill, estas fueron obtenidas de manera correcta por el intérprete. Posteriormente se enviaron con el intérprete vía USB al microcontrolador para que este hiciera girar los motores y poder observar la correspondencia entre las distancias indicadas por el archivo drill y las recorridas en la máquina CNC, con los datos obtenidos se obtuvo una relación para ajustar la distancia a recorrer con la cantidad de veces que se debe ejecutar la secuencia en cada motor a pasos, de esta manera se logró que las medidas tanto en el diseño como las recorridas por la máquina coincidieran.
Al realizar las medidas de los desplazamientos en la máquina CNC se observó que los puentes H L298N se calentaban, y después de algunos segundos de operación el movimiento en los motores se volvía errático, para corregir este problema se decidió disminuir el voltaje de alimentación de 12 V a 9V, con esto se logró disminuir el movimiento errático pero aun así el calentamiento fue significativo provocando que uno de los tres puentes H se dañara, posteriormente se bajó el voltaje a 5 V, pero a este voltaje los motores no tenían el torque suficiente para mover el mecanismo, por tal motivo en esa etapa de este proyecto no fue posible realizar la perforación. Sin embargo antes de que ocurriera el calentamiento se pudo verificar que las distancias recorridas por los ejes corresponden a las utilizadas en los diseños.
Tanto la fabricación del prototipo como la creación del intérprete se culminaron de forma satisfactoria, con una estructura completa y firme, con los motores a pasos, el microcontrolador y los puentes H, de la misma manera se terminó la interfaz que nos permite la comunicación mediante USB logrando el objetivo de realizar las perforaciones de la placas fenólicas de circuitos electrónicos, desafortunadamente se tiene un problema de potencia que resolver, ya que los puentes H utilizados en esta etapa no satisfacen la demanda de corriente de los motores a pasos, por tal motivo como trabajos futuros para este proyecto se plantea; fabricar puentes H con MOSFET de potencia los cuales soportan una mayor demanda de corriente y tienen altas velocidades de conmutación, o utilizar drivers comerciales como el TIDA-00867 de Texas Instruments. Un aspecto no tomado en cuenta en este trabajo es la calibración, después de realizar varias perforaciones el dispositivo podría desplazarse con cierto error, por tal motivo se debe incluir un sistema con tres interruptores colocados en el origen de referencia para que la herramienta se desplace a este origen después cierta cantidad de movimientos. Otro aspecto a mejorar es la colocación de los rieles, ya que ya que estos presentan cierto juego.
López, B. A. (2013). Diseño y manufactura de Prototipo de Fresadora Vertical CNC. Méxco: IPN Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Corona, V. (2010). Manual de prácticas para el maquinado de piezas mecánicas del ajedrez en el laboratorio LPAIC en CNC. Mexico.
Reyes. C. A. (2008). Microcontroladores Pic Programación en Basic. Ecuador.
Bomm, G. (1991). Automatización Flexible en la Industria. México: Limosa.
Galarza, G. J. (2010). Diseño y construcción de un Taladro XYZ Controlado por Microcontrolador con Interfaz Gráfica. Cuenca.
Bollinger, J. G. (1989). Computer Control of Machines and Processes. Boston: Addison Wesley.
Clavijo, M J. (2011). Diseño y Simulación de Sistemas Microcontrolados en Lenguaje C, Colombia.
Sepore, K. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología. Mexico: Pearson Education.
Annibal, O. B. (2001). Robótica, Manipuladores y Robots Móviles. España: Alfa Omega Marcombo.
[a] Ingeniería en Computación, Escuela Superior de Tizayuca
ca271787@uaeh.edu.mx, ba271785@uaeh.edu.mx
[b] Escuela Superior de Tizayuca, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo
Tizayuca, Hidalgo, 43800, México
israel_acuna4738@uaeh.edu.mx
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