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OACALCO
CNC
Tesis
Que para obtener el título de
Ingeniero en Mecatrónica
Con la Especialidad
Manufactura
Presenta(n)
Juan Andres Godinez Hernández
Coacalco de Berriozábal,
Mayo
/ 2020
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Diseño de una CNC casera, Resúmenes de Diseño
Posible diseño a su programacion
Tipo: Resúmenes
2022/2023
1 / 77
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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE COACALCO
CNC
Tesis
Que para obtener el título de
Ingeniero en Mecatrónica
Con la Especialidad
Manufactura
Presenta(n)
Juan Andres Godinez Hernández
Coacalco de Berriozábal, Mayo/ 2020
RESUMEN
En esta investigación se describe el diseño de una máquina CNC para circuitos impresos previamente diseñados por los estudiantes. La máquina consta de la coordinación de tres motores a pasos para crear, por medio de un efector final, canales de aislamiento en una tablilla de cobre. El control de la máquina se logra con la tarjeta cnc Shield v3 la cual se comunica con un microprocesador Arduino y una etapa de potencia a través de 3 Drivers para cada Motor a Pasos. Todo este sistema de control de movimiento se fundamenta en el software INKSCAPE el cual descodifica los códigos G y M proveniente del diseño de la PCB guardado en formato de imagen. La investigación procura servir de base para la facilitación de realizar una maquina CNC fundamentando dos posibles opciones para su realización y garantizar un ahorro y eficiencia al construirla al igual bases para la implementación de mejoras con el fin de dar solucionar la problemática planteada tomando en consideración la altura de las placas de manera más rápida, con menos defectos de fabricación y sin la necesidad de poner en peligro la salud de los usuarios y de contaminar el medioambiente por el uso de ácidos nocivos.
- GENERALIDADES DEL PROYECTO
- INTRODUCCIÓN
- PROBLEMA A RESOLVER
- OBJETIVOS
- Objetivo general
- Objetivos específicos.....................................................................................................
- JUSTIFICACIÓN
- CAPÍTULO II
- MARCO TEÓRICO - Circuitos impresos elaborados con la técnica de planchado. - CNC............................................................................................................................... - Cómo se realiza el mecanizado computarizado - Máquina fresadora CNC para circuitos impresos. - Software: - Hardware electrónico: - Estructura mecánica: - Parámetros de diseño de la máquina cnc de tres ejes
- CAPÍTULO III
- DESARROLLO - Cronograma. - impresos y costos. Cotejo de componentes necesarios para la realización de una cnc de placas de circuitos - Boceto y medidas de la base. - Medida de los acoplamientos de los ejes de 8mm de diámetro. - Medida de la camisa para tuerca 8mm de diámetro. - Boceto y medidas de la cama de la fresadora................................................................ - Boceto y medidas de la base de los ejes de x. - Boceto y medidas de la torre del eje y. - Boceto y medidas de la base del mototool. - Boceto y medidas de la base para el motor eje y. - Boceto 3D. - Diseño en SolidWorks. - Especificaciones de los materiales previstos para el diseño. - Programación del Arduino - Conexión de la tarjeta CNC Shield v3, Arduino y Driver A4988................................. - Calibración del Driver A4988 - Conexión de la tarjeta CNC Shield v3 y Driver A4988 a los motores.......................... - Fresar el circuito en la placa.
- CAPÍTULO IV
- RESULTADOS - Diseño en SolidWorks. - Conexión de la tarjeta CNC Shield v3 y Driver A4988 a los motores.......................... - Verificación de la programación del Arduino. - Fresar el circuito en la placa.
- CONCLUSIONES
- FUENTES DE INFORMACIÓN
- Tabla 1. Cronograma de la elaboración del diseño de la cnc. Lista de tablas
- Tabla 2. Presupuesto de los componentes electronicos de la cnc.
- Tabla 3. Presupuesto de los materiales para la cnc...............................................................
- Tabla 4. A) Materiales de la CNC
- Tabla 5. B) Materiales CNC
- Tabla 6 C) Materiales CNC
- Tabla 7. Tornillo sin fin
- Tabla 8 Varilla de los ejes
- Tabla 9Dremel
- Tabla 10 Soporte para el dremel
- Tabla 11 Soporte...................................................................................................................
- Tabla 12 Acoplamientos
- Tabla 13, Camisa para tuerca
- Tabla 14 Rodamiento lineal
- Tabla 15 Cople para motor
- Tabla 16. Caracteristicas de motor de pasos.........................................................................
- Tabla 17 Características de tornillo trapezoidal
- Ilustración 1.Pasos de la elaboración del diseño de la CNC Lista de figuras
- Ilustración 2. Boceto acotado de la base de la cnc.
- Ilustración 3. Acotación de los acoples para los ejes de la cnc
- Ilustración 4. Acotación de la camisa para los ejes de la cnc
- Ilustración 5. Boceto y acotaciones de la cama de la cnc.
- Ilustración 6. Boceto y acotaciones de la base del eje x.
- Ilustración 7. Boceto y acotaciones de las torres del eje Y.
- Ilustración 8. Boceto y acotaciones de los soportes para el eje x.
- Ilustración 9. Boceto y acotación de la base del mototool de la cnc.
- Ilustración 10. Boceto y acotación de las bases del eje x.
- Ilustración 11. Boceto en 3D.
- Ilustración 12. Base de la CNC en SolidWorks.
- Ilustración 13. Plano de la base CNC.
- Ilustración 14. Cama de la CNC
- Ilustración 15.Planos de la cama de la CNC
- Ilustración 16. Base del eje x
- Ilustración 17. Plano de la base del Eje x
- Ilustración 18. Torre del eje y.
- Ilustración 19. Plano de la base del eje Y
- Ilustración 21. Base del mototool
- Ilustración 20. Plano de la base del mototool.
- Ilustración 23. Base para el motor eje y
- Ilustración 22. Plano de la base para el motor eje y
- Ilustración 24. Despiece de la CNC......................................................................................
- Ilustración 25. Tornillo sin fin
- Ilustración 26. Varillas de los ejes
- Ilustración 27 Dremel
- Ilustración 28Soporte para el dremel
- Ilustración 29.Soportes
- Ilustración 30 Acoplamientos
- Ilustración 31. Camisa para tuerca
- Ilustración 32 Rodamiento lineal..........................................................................................
- Ilustración 33 Cople para motor
- Ilustración 34. A) Materiales de la CNC
- Ilustración 35. B) Materiales CNC
- Ilustración 36. C) Materiales CNC
- Ilustración 37 Pantalla de arduino
- Ilustración 38 Inclusión de librerías en arduino
- Ilustración 39 Ejemplo de GRBL
- Ilustración 40 Pantalla del ejemplo GRBL
- Ilustración 41.Aciones principales
- Ilustración 42Estado del programa
- Ilustración 43 pestañas para monitor serie
- Ilustración 44. Pantalla de comunicacion con elArduino y PC
- Ilustración 45. Pantalla de opciones para configurar............................................................
- Ilustración 46. Pantalla de parámetros establecidos
- Ilustración 47 Parámetros de velocidad de avance
- Ilustración 48. Cambio de parámetros de velocidad de avance
- Ilustración 49 Motor de pasos
- Ilustración 50 Tornillo trapezoidal
- Ilustración 51 Cambio de parámetros de velocidad de avance
- Ilustración 52 Parámetros de velocidad de avance
- Ilustración 53. A) Parámetros programados.
- Ilustración 54. B) Parámetros programados
- Ilustración 55 C) Parámetros programados.
- Ilustración 56 Pestaña Arduino
- Ilustración 57. Comprobación de datos
- Ilustración 58 Pantalla del programa UniversalGcode
- Ilustración 59 Configuración de la conexión
- Ilustración 60. Consola de los parámetros de la programacion
- Ilustración 61. Control de movimiento manual de los motores............................................
- Ilustración 62. Arduino y CNC Shield
- Ilustración 63. Tarjeta CNC Shield conectada al Arduino
- Ilustración 64. Orientación para la colección del driver A4988
- Ilustración 65. Conexión de la CNC Shield al Arduino y los drivers
- Ilustración 66. Características del Driver A4988
- Ilustración 67. Identificación de RS
- Ilustración 68. Resistencia SMD
- Ilustración 69. Conexión de multímetro para la calibración
- Ilustración 70. Ubicación del capacitor variable
- Ilustración 71. Calibración del Driver A4988
- Ilustración 72. Motor a pasos Bipolar
- Ilustración 73. Tarjeta CNC Shield
- Ilustración 74. Detección de bobinas a un motor bipolar.
- Ilustración 75. Detección de bobinas de un motor bipolar
- Ilustración 76. SHIELD y su conexión con los motores
- Ilustración 77. CNC Armada.
- Ilustración 78. Conexión de la planta de comando con la panta de control
- motores Ilustración 79 EJEMPLO de la CNC con la tarjeta SHIELD montada y conectada a los
- Ilustración 80. Circuito de Arduino y CNC
- Ilustración 81. Simulación CNC Proteus..............................................................................
- Ilustración 82. Conexion UniversalGcode Sender con simulación CNC ROTEUS
- Ilustración 83.Posición de los motores
- Ilustración 84. Posición de los motores1.1
- Ilustración 85. Comunicación con Universal Gcode con Proteus
- Ilustración 86. Simulación de la placa
- Ilustración 87. Acabado de la placa
- Ilustración 88.Universal Gcode Sender
- Ilustración 89. Cargar archivos en Gcode sender
- Ilustración 90. Ventana de estatus del programa cargado
- Ilustración 91. Control de Gcode Sender..............................................................................
- Ilustración 92. Comandos ejecutándose en Gcode Sender
- Ilustración 93. Simulación del avance de corte
- Ilustración 94.Simulacion en proteos del avance del corte
INTRODUCCIÓN
La presente investigación se refiere al tema de una CNC de tres ejes, el significado de CNC es control numérico computarizado. Es un sistema que permite controlar en todo momento la posición de un elemento físico. Normalmente una herramienta, que está montada en una máquina. El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador. Hay dos principales tipos de cnc por sus ejes. Torno cnc controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X y Z, para objetos tubulares. Fresadoras cnc se controlan también los desplazamientos verticales, que corresponden al eje Y. Nosotros ocuparemos el tipo fresa ya que es la que cumple nuestras necesidades ya que nuestro objeto es plano. La característica principal que se busca en este trabajo es el diseño para manufacturar tu propia cnc para circuitos impresos sabiendo lo que conlleva con sus partes y a su vez analizar que tan viable es realizarla de esa manera o conseguir las pizas físicamente solo para ensamblar para dar facilidad y solución a la problemática de los inconvenientes y deficiencias que conlleva la realización de placas de la manera de planchado utilizando ácidos nocivos y dañinos al medio ambiente. Se realizará el método sintético ya que los temas manejados serán temas que un ingeniero mecatrónico como manejo de CNC, softwares para la realización de circuitos y PBC, programación en Arduino. Al recopilar esos conocimientos para la realización del diseño dará pauta para tener una base para su realización y pasos a seguir. En la investigación se apoyará en los componentes electrónicos como Arduino, tarjeta cnc Shield v3, Motor Dremel 300 y de pasos para la realización del diseño de la cnc. La investigación constara en buscar los presupuestos de esos componentes mas aparte de los componentes necesarios para al final comparar la viabilidad de que método realizar la máquina. La base se diseñará con el software SolidWorks para su simulación y correctas medidas al igual que realizar la programación y su simulación en proteus para su validación y al final generar el código G y M en Mastercam para su posible manufacturación.
PROBLEMA A RESOLVER
En el tecnológico de estudios superiores de Coacalco en las materias donde se emplea uso de electrónica o en la época de competiciones de robots o para crear un proyectos y trabajos donde su funcionamiento necesite placas de circuito impreso, la escuela no tiene como facilitar esta tarea y los estudiantes no tienen la facilidad de realizar los proyectos ya que algunos carecen de material para la fabricación de placas de circuito impreso como el taladro mototool (taladro para brocas milimétricas) y el correcto uso del ácido férrico así como la deficiente cooperación e integración de los equipos ya que el punto en común es la escuela y resulta tedioso y deficiente conseguir y portar los elementos de la fabricación de placas de circuito ya que conlleva a errores y repeticiones del proceso, lo cual conlleva a más gasto y tiempo. Sin contar que quienes realicen placas necesitan crearlas con ácido férrico siendo este la reacción química con el metal genera gases tóxicos y quemaduras en la piel y tampoco hay un protocolo específico para deshacerse del residuo liquido dañino al medio ambiente con su mal manejo desechándolo al drenaje o a la tierra.
JUSTIFICACIÓN
Las máquinas para la realización de placas de circuito impreso son fáciles de realizar, económicamente viables y su mantenimiento no es extenso ni costoso. Es un incentivo de que la escuela aporta más herramientas accesibles para la ayuda de las actividades escolares disminuyendo en una fracción los costos y significativamente el tiempo de la fabricación del circuito en hojas especiales, así como su impresión en impresoras toner, su planchado y la perforación con una herramienta poco accesible que no todos los estudiantes poseen y la compra y uso del ácido férrico y evitar cualquier accidente asociado a este al igual que su desecho que contamina. Se vuelve más eficiente la realización de proyectos en equipos porque el punto en común para la organización y realización de los proyectos es la escuela ya que los lugares de obtención de esos materiales esta retirado para la casa de cada integrante y entre el equipo se apoyarían en el camino de la escuela para la obtención de los componentes y dentro de la escuela para efectuar y terminar los proyectos. A si como la implementación de mejoras de este diseño de cnc para la oportunidad de contribuir y optar por titulación.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Las sales de hierro son moderadamente tóxicas por inhalación. NIOSH REL: TWA 1 mg/m como Fe.^9 cuando trabaja con sales de hierro en polvo use la campana del laboratorio o use mascara con filtro para polvos. Después de que el cloruro férrico haya consumido todo el cobre sobrante, procedemos a sacar la placa del recipiente y a retirar la tinta con thinner y un trapo, quedando las pistas de cobre. Como paso final se lava la placa nuevamente con esponjilla y jabón desengrasante de lavaplatos, para dar mayor presentación al circuito impreso final. Perfore todos los orificios por los cuales entraran las patas de los componentes que irán en la tarjeta. Utilice un mototool o un taladro pequeño con brocas de 1/16, 1/32 (en milímetros son de 0.9 y 1 mm) o las que sean requeridas, dependiendo del componente a colocar. CNC Significa control numérico por computadora. Esto se debe a que el proceso de mecanizado real es controlado por una computadora. El mecanizado es la técnica utilizada para convertir una pieza de material, ya sea metal, madera o plástico, en un producto terminado. Los productos pueden ser tan simples como herramientas manuales o como dispositivos de maquinado de equipos pesados y complejos. El mecanizado de energía implica la fabricación de productos utilizados en las industrias petrolera y química. El mecanizado CNC se realiza con tres tipos básicos de herramientas: -Dispositivos convencionales: consisten en taladros, tornos y fresadoras -Dispositivos eléctricos y químicos: estas herramientas especializadas incluyen haces de electrones, máquinas fotoquímicas y equipos de ultrasonido -Otras tecnologías: algunos de estos dispositivos más nuevos emplean tecnologías como rayos láser y chorros de agua Desarrolladas en la década de 1940, las primeras máquinas CNC podrían describirse como primitivas para los estándares actuales. El medio de cinta perforada que proporcionaba las instrucciones de mecanizado se reemplazaría posteriormente por programación analógica y digital. Cómo se realiza el mecanizado computarizado A través de su interpretación de las instrucciones, la máquina CNC corta automáticamente el componente deseado de la pieza original de material. Las instrucciones dadas a la computadora incluyen la velocidad de avance y la velocidad de corte. Algunas de las máquinas más básicas funcionan solo en dos direcciones, pero los dispositivos avanzados pueden moverse lateralmente, longitudinalmente e incluso de manera rotatoria, lo que hace posible girar las piezas y eliminar el material en el lado opuesto de la pieza.
Máquina fresadora CNC para circuitos impresos. El sistema del prototipo se divide en: Software: Incluye el diseño del PCB mediante un programa de diseño como Proteus para exportar el pbc como imagen (en proteus es Bitman) o EasyEDA un software de diseño en la nube para quien no quiera instalar nada y el uso de INKSCAPE para generar códigos G(el código direccional que su utiliza para las maquinas CNC) y controlar tanto su corte de pistas y la perforación de las mismas. Hardware electrónico: Para el sistema de procesar la información Arduino UNO R3 (No usar Arduino Clon CH340, no es compatible) y para el control de los movimientos un Shield CNC + (3) A y Fuente de alimentación de 12V 10A. Estructura mecánica: Corresponde a la estructura soporte, los ejes y el motor de fresado. La estructura mecánica se compone de tres ejes de posicionamiento, tres motores paso a paso encargados de movimiento entre cada uno de los ejes y por último la máquina encargada de realizar el fresado. Parámetros de diseño de la máquina cnc de tres ejes Para el diseño y construcción de la máquina CNC se tiene los siguientes parámetros de diseño considerando las medidas estándar de las placas PCB´s como:
- Recorrido eje X = 300 mm.
- Recorrido eje Y = 400 mm.
- Recorrido eje Z = 50mm.
- Peso del spindle y su base = 2 Kg.
Cronograma. Actividad. Fecha de Inicio. Fecha de Finalizado. Equipos a utilizar. Cotejo de componentes necesarios para la realización de una cnc de placas de circuitos impresos y costos.
Computadora. Bocetaje y medidas de las piezas que conforman la cnc. 18/04/2020 07/05/2020 Hojas blancas e imágenes de los componentes. Generar la programación específica para el control con los componentes electrónicos que se ocuparan. 08/05/2020 15/05/2020 Computadora y software Arduino. Simulación de la programación. 16/05/2020 20/05/2020 Computadora y software Proteus. Realizar piezas en 3D en SolidWorks. 21/05/2020 05/06/2020 Computadora, software SolidWorks y piezas dimensionadas. Ensamble y simulación de los movimientos que realizara la máquina en SolidWorks. 06/06/2020 10/06/2020 Computadora y software SolidWorks Generar código G y M para la manufacturación de los componentes en Mastercam. 10/06/2020 27/06/2020 Computadora y Mastercam. Comparar el presupuesto de componentes en el mercado y el presupuesto para manufacturar el dispositivo. 28/06/2020 30/06/2020 Computadora y páginas web de compra. Concluir el medio para la realización de la cnc. 01/07/2020 03/07/2020 Investigación previa. Tabla 1. Cronograma de la elaboración del diseño de la cnc.
Cotejo de componentes necesarios para la realización de una cnc de placas de circuitos impresos y costos. Componentes electrónicos. Componente. Cantidad. Costo total. Motor Dremel 300 1 $899. Cable Jumpers M-H 20 $21. Arduino Uno R3 1 $98. Driver Motor a Pasos A
Tarjeta cnc Shield v3 1 $54. Motor a pasos 3 $348. Tabla 2. Presupuesto de los componentes electronicos de la cnc. Total: $1492. Componentes para la base. Componente. Cantidad. Costo total. Paquete de tablas. 1 $620. Tornillo Allen 30 mm 25 $55. Tornillo Allen Botón 25 mm 50 $94. Tornillo Spax de madera 40 mm 20 $65. Rodamiento Lineal 8mm 3 $66. Soporte cama fresado 4 $199. Kit soporte Dremel 3000 1 $115. Soporte para eje lineal 8mm 2 $199. Cople 5x8 mm 3 $147. Varilla eje lineal 8mm 1 $75. Tornillo Trapezoidal 8mm de 300mm largo
Rodamientos lineales. 12 $299. Tabla 3. Presupuesto de los materiales para la cnc. Total: $2714. Total: $4206.