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• Yonatan Cristian Pacho Alvarez

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INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA IV CICLO ELECTROTECNIA INDUSTRIAL

INFORME: CNC DE MADERA PRESENTADO POR: CALLOAPAZA TORRES, Cristhian David PACHO ALVAREZ, Jhonatan QUIROZ MAMANI, César QUISOCALA QUISPE, Raúl VALVIDIA SALAZAR, José Fabricio

DOCENTE: CERRON SALCEDO, Juan Diego

AREQUIPA, 25 de Abril

1. INTRODUCCIÓN

El torno de control numérico , también conocido como CNC de madera es un tipo de máquina herramienta de la familia de los tornos que actúa guiado por una computadora que ejecuta programas controlados por medio de datos alfa-numéricos teniendo en cuenta los ejes cartesianos X,Y, Z. Se caracteriza por ser una maquina muy eficaz para mecanizar piezas de revolución. Ofrece una gran capacidad de producción y precisión en el mecanizado por su estructura funcional y porque los valores tecnológicos del mecanizado están guiados por el ordenador que lleva incorporado, el cual procesa las órdenes de ejecución contenidas con un software que previamente ha confeccionado un programador conocedor de la tecnología de mecanizado en torno. El control numérico (CN) es una forma de automatización programable en el cual el equipo de procesado se controla a través de números, letras y otros símbolos.

2. RESUMEN El mecanizado es un proceso mediante el cual se fabrican mecanizado de piezas con la ayuda de computadoras que controlan las maquinas herramienta. Gracias al Control Numérico por Computadora (CNC) se ha automatizado el proceso de fabricación de las piezas ya que permite utilizar un conjunto de instrucciones para controlar el mecanizado mediante un programa contando con la mínima intervención humana. Esta tecnología de CNC se puede aplicar a una amplia gama de operaciones como el caso de la elaboración, el montaje, la inspección, así como el trabajo sobre hojas metálicas, etc. A pesar de ello, el control numérico se utiliza de manera más frecuente en los diferentes procesos de mecanizado de metales o aluminio tales como el torneado, el taladrado, o el fresado. Incluso y como consecuencia de la configuración, las operaciones de mecanizado permiten fabricar a ritmo acelerado, dando como resultado una fabricación a granel que además es mucho más económica y mucho más precisa. 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

¿Cómo funciona una máquina CNC? 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 algunas de las funciones específicas que pueden programarse. a) Control de movimiento b) Accesorios programables c) Programa CNC d) Controlador CNC e) Programa CAM f) Sistema DNC

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Fab Lab tecsup 2.0 En el presente trabajo se pretende desarrollar, el uso del control numérico computarizado que día a día se difunde en la industria metalmecánica, al rápido desarrollo de la tecnología y al desarrollo en programación aplicado a nuestra carrera. ¿Existe textos a nivel tecnológico para la enseñanza y orientación de los estudiantes, técnicos y profesionales que se desempeñan, en la industria donde se utiliza esta tecnología.

4. DELIMITACIÓN DE OBJETIVOS Objetivo principal:  Conocer el funcionamiento del equipo CNC y desarrollar la fabricación de esta máquina casera desarrollando la programación con un arduino y con ayuda de motores a paso. Objetivo secundario:  Conocer las partes que conforman el equipo CNC  Conocer la operatividad de la máquina herramienta  Dar a conocer las normas de seguridad que deben tenerse en cuenta al momento de operar dicha máquina herramienta.

5. MARCO TEÓRICO ACOPLE FLEXIBLE DE ALUMINIO DE 5MM A 8MM Descripción: La forma más sencilla de transmitir potencia desde un motor a un eje es utilizando un acople. Siempre existirán problemas de alineamiento entre el eje del motor y el eje a impulsar, por lo que no es recomendable utilizar acoples rígidos para la unión. Es para esto que se utilizan acoples de tipo flexible que permiten solucionar el problema de los defectos de alineamiento. Este acople es de aluminio maquinado, posee un ranurado helicoidal y tornillos hexagonales para su ajuste con los ejes. Son muy utilizados en sistemas CNC, impresoras 3D, fajas transportadoras. Los ejes con diámetro de 5mm son muy comunes en motores paso a paso Nema 23. Los ejes de 8mm de diámetro son el estándar en tornillos de potencia en impresoras 3D y máquinas CNC. El acople se fija a los ejes utilizando tornillos allen prisioneros M4 con una llave Allen #2. ESPECIFICACIONES TECNICAS:

-

Diámetros interiores: 5mm a 8mm Dimensiones: Largo 25mm y Diámetro exterior 18mm Tornillo de fijación(DIN913): M4 (llave Allen #2) Peso: 15 gramos Material: Aluminio

RODAMIENTO LINEAL - LM8UU Descripción: Este rodamiento es ideal para ser usado en plataformas deslizantes impulsadas por motores paso a paso. Se deslizan sobre ejes del mismo diámetro. Muy común en sistemas CNC como impresoras 3D. Este rodamiento por dentro tiene unas hileras donde unas pequeñas bolas de acero recirculan. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS -

Diámetro interior: 8mm Diámetro exterior: 15mm Largo: 24mm Carga dinámica: 260N Carga estática: 400N 2 muescas para sujeción

TORNILLO DE POTENCIA THSL-300-8D Descripción: Este tornillo de potencia o también llamado husillo de tipo trapezoidal métrico es muy utilizado en sistema de transmisión de movimiento rotacional a lineal. Cuando el tornillo gira impulsado por un motor, la tuerca se desplaza linealmente. Este tornillo ha sido fabricado en Acero inoxidable y con una tuerca de bronce para un deslizamiento suave. Recomendado para uso en sistemas CNC, Impresoras 3D, Actuadores lineales. El paso del tornillo es de 2mm, con un hilo de 8mm, por lo que al girar una vuelta la tuerca se desplazará 8mm lineales. ESPECIFICACIONES TECNICAS: -

Tornillo: THSL-300-8D Material: Acero Inoxidable Rosca: Métrica Diámetro: 8mm Paso: 2mm Hilo: 8mm Longitud: 300mm Tuerca de Bronce

MOTOR STEPPER NEMA 17 Descripción: Los motores paso a paso dividen su rotación completa en pasos, en este caso en 200 pasos de 1.8º cada uno. Esto permite que si se dimensiona correctamente se puede lograr tener un control preciso de posición y velocidad sin necesidad de retroalimentación de posición. Los motores paso a paso necesitan energizarse en una secuencia determinada para lograr hacerlos girar, esto se puede hacer con un driver puente H y un micro controlador que haga de máquina de estados o con un driver especializado para motores paso a paso. Este motor paso a paso tiene una baja inductancia de bobina lo que le permite que la corriente pueda llegar a su nivel nominal de manera más rápida, lo que hace que este motor tenga la rapidez para una máquina CNC. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: -

Modelo: SL42STH48-1684ª Corriente de fase: 1.68ª Inductancia de fase: 2.8mH Torque detenido: 5Kg.cm Diámetro del eje: 5mm Largo: 48mm Perfil Nema 17: 42.2mm x42.2mm

FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA 250W 12VDC 20ª Descripción: Todo circuito o equipo electrónico necesita de una fuente de energía para poder trabajar. La fuente de alimentación se encarga de convertir la entrada de voltaje alterno de la red doméstica en una salida de voltaje continuo. Las fuentes de tipo conmutada transforman la energía eléctrica mediante transistores en conmutación, con una alta eficiencia, en un tamaño compacto y a un bajo precio. La Fuente de alimentación conmutada 250W 12VDC 20A es ideal para alimentar equipos como servomotores, motores DC, luces led y más. Fabricada por YUEQING WODE ELECTRICAL CO., LTD con altos estándares de calidad, lo que asegura una larga vida útil y excelente rendimiento. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: -

Voltaje de entrada: 200V - 240V AC (50/60Hz) Voltaje de salida: 12V DC Corriente de salida máx.: 20ª Potencia máx.: 250W Eficiencia de salida: 81% Conectores tipo bornera Dimensiones: 215*113*50mm (L*W*H) Temperatura de operación: -10º hasta +60ºC

-

Modelo: S-250-12 Fabricante: WODE (YUEQING WODE ELECTRICAL CO., LTD)

SHIELD CNC – GRBL Descripción: Este Shield te permite construir tu CNC de la manera más rápida y sencilla, solo necesitas agregar un Arduino Uno y unos cuantos Drivers A4988 o DRV8825. Posee un diseño modular y Open Source. Este shield puede ser usado con los drivers Pololu A4988 (Allegro) o los DRV8825 (Texas Inst.), el A4988 puede manejar motores Paso a paso de hasta 2A por bobina y microstepping de 1/16, el driver DRV8825 es más versátil pues ofrece hasta 2.5A por bobina y microstepping de hasta 1/32. Con este shield podrás desarrollar proyectos como Routers CNC, Cortadoras Laser y hasta una Máquina Pick & Place. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: -

Voltaje de Potencia: 12- 36V DC Compatible con GRBL 0.9j (Firmware Open Source para Arduino UNO que convierte código-G en comandos para motores Paso a Paso) Soporta 4 Ejes (X, Y, Z y duplicar uno de los anteriores o crear un eje a medida con los pines D12 y D13) 2 Fin de carrera por cada eje (6 en Total) Habilitador y dirección de Spindle

-

Habilitador de refrigerante (coolant) Diseñador para drivers Pololu A4988 o DRV8825. Jumpers para elegir el micro-stepping de los drivers. Diseño Compacto Los motores se pueden conectar usando header o Molex hembra de 4 pines

DRIVER PAP POLOLU A4988 Descripción: Esta placa utiliza el driver Allegro A4988 para motores paso a paso bipolares y es ampliamente utilizada con las distintas placas de control de impresoras 3D como RAMPS, SBOT o similares. Es conocido con el nombre de "Pololus" o "controlador Pololu". Este driver tiene limitación de corriente ajustable, protección contra sobre corriente y cinco resoluciones diferentes de microstepping. Funciona desde 8V a 35V y puede suministrar 1A por bobina sin usar ventilación forzada o un disipador. Para manejar este driver solo necesitas 2 pines, uno para la dirección de giro y otro para dar el paso. El pin Enable debe estar conectado a Tierra (GND) para que el motor funcione. El microstepping se configura con los pines MS1, MS2 y MS3 de acuerdo a la tabla del fabricante. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: -

Voltaje Lógico: 3.3V - 5V DC Voltaje potencia: 8V - 35V DC Corriente: 1A por bobina (máx. 2A) Salidas: Low RDS (ON) Detección de caída de corriente automático

-

Rectificación síncrona para una baja disipación de potencia UVLO Interno Protección de corriente-crossover Circuito de protección térmica interno Circuito de Falla de Tierra Protección de cortocircuito 5 modos de trabajo: full, 1/2, 1/4, 1/8 y 1/16

ARDUINO UNO R3 Descripción: Arduino es la plataforma de desarrollo de proyectos en electrónica y robótica más utilizada a nivel mundial, esto debido a su facilidad de aprendizaje y uso, abundante documentación y múltiples aplicaciones. Arduino Uno R3 es una tarjeta de desarrollo que utiliza el microcontrolador ATmega328P (Atmel), es la versión más recomendada para iniciarse en esta plataforma. Arduino Uno R3 posee 14 entradas/salidas digitales (6 pueden usarse como PWM), 6 entradas analógicas, un resonador cerámico de 16 MHz, conexión USB, conector de alimentación, conector ICSP y un botón de Reset. La tarjeta contiene todo lo necesario para el funcionamiento del microcontrolador; basta conectarlo al puerto USB o alimentarlo con una fuente de voltaje continuo o una batería para empezar a usarlo. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS: -

Microcontrolador: ATmega328P Chip USB: ATmega16U2 Voltaje de Operación: 5V Voltaje de alimentación: 6-20V (7-12V recomendado) Pines digitales I/O: 14 (6 salidas PWM) Entradas analógicas: 6

-

Corriente máxima entrada/salida: 40mA Memoria flash: 32K Memoria SRAM: 2K Memoria EEPROM: 1K Velocidad de reloj: 16Mhz

6. Descomposición funcional del producto de la maquina CNC Definiremos parte por parte la producción y el rol de cada una de las partes de nuestra CNC, así como también las funciones que darán a cumplir y el tipo de material que se usará. Producto

Sistema

Función

Subsistema

Máquina cnc

Estructura

Proteger los componentes electrónicos que se encuentran soportados en su interior y dar soporte a la máquina en sí.

Diseño

Dar movimientos de retroceso, avance, giro derecha, giro izquierda, al carro el cual conlleva el mini taladro.

Motores de Paso

transmisión

Electrónica y Control

Procesar las órdenes provenientes del teclado y convertirlos en desplazamientos: Avance

Función

Dar una presentación agradable y dar soporte a la máquina en sí. Material

Componente

Estudiantes

Durabilidad ante las vibraciones de los servomotores y soporte para los usillos.

MDF

Transmitir movimiento cada 1.8 Grados por cada desplazamiento: Avance, retroceso, giro derecha, giro izquierda.

Motor de paso unipolar nema 17

Acople Flexible

Unir el motor de paso con las ruedas de jebe.

Husillo

Dar movilidad al carro que sostiene el taladro.

Cojinetes

Dar más facilidad de movimiento a los husillos.

Driver CNC Shield

Enviar pulsos a Motores de paso.

CNC shield

Representar los desplazamientos de avance, retroceso, giro derecha y giro izquierda.

Teclado

Procesar las órdenes de provenientes del teclado y enviar pulsos PWM a través de los Drivers del Motor de Paso.

Arduino

pulsadores

Microcontrolador

7. Lista de componentes por cada etapa del proyecto En el siguiente cuadro se definirá cada herramienta a utilizar, definiendo su uso y descripción, así como también la cantidad a usar. Producto

Etapa

Componentes

Descripción

Cantidad

Unidad

Técnica Máquina cnc

Estructura

Transmisión

Electrónica y Control

Diseño

Estudiante

01

Chasis

Material

MDF

11

PIEZAS

Motores de Paso

Motores de Paso Unipolar Nema 17

3

Unidades

Acople Flexible

8mm - 5mm

3

Unidades

Husillo

30 cm, D8mm

3

Unidades

Cojinete

d8mm, D22mm,

12

Unidades

Modulo para la cnc

Grosor 7mm cnc shield a4988

1

Unidades

Jumper

Cables

60

Unidades

Arduino

UNO

1

Unidad

8. Materiales

ITEM

PRODUCTO

PROVEDOR

COSTO

CANTIDAD

1

Motor stepper nema 17

Naylamp

S/.70.00

3

2

Acople flexible de aluminio de 5mm a 8mm

Naylamp

S/.12.00

3

3

Rodamiento circular linealLM8UU

Naylamp

S/.5.00

6

4

1m de Varilla liza

Ferretería Misti

S/.8.00

1

5

1m de Varilla enroscada

Ferretería Misti

s/.6.50

3

6

Tuercas de bronce M8

Naylamp

S/. 10.00

3

7

Fuente de alimentación conmutada 520w-12VDC20A Arduiono Shield CNC GRBL

Naylamp

s/.100.00

1

Naylamp

S/.25.00

1

Driver PAP polulo A4988

Naylamp

S/.15.00

3

8

9

IMAGEN

9. Diagramad actual de análisis del proceso DOP Cortes de plancha de madera Simbolo

Nombre

ALMACEN

Almacén de las planchas de madera ubicada en el Fab lab.

Tiempo

----------------

Traer la plancha de madera hacía la CNC TRANSPORTE de madera.

1min

Posicionar y ajustar la plancha de madera en la máquina.

1min

OPERACION

INSPECCION

Medir los cortes que se realizaran en plancha de madera y verificar dichos cortes en el software Rinhos.

1min

Realizar los cortes en la plancha de madera con la CNC.

2min

Esperar que la maquina realice los cortes.

20min

OPERACION

Retirar las piezas cortadas de la plancha de madera.

1min

OPERACION

Retirar la plancha de madera cortada de la CNC.

1min

OPERACION

Limpieza de la máquina y el donde se realizó el corte.

3min

INSPECCION

Verificación de las piezas de madera cortadas.

2min

OPERACION

D

Operación

DEMORA

Traslado de las piezas de madera hacia el TRANSPORTE área de trabajo.

2min

10.Diagramad actual de análisis del proceso DAP Cortes de plancha de madera N°

Simbología

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

D

Operación Almacén de las planchas de madera ubicada en el Fab lab. Traer la plancha de madera hacía la CNC de madera. Posicionar y ajustar la plancha de madera en la máquina. Medir los cortes que se realizaran en plancha de madera y verificar dichos cortes en el software Rinhos. Realizar los cortes en la plancha de madera con la CNC. Esperar que la maquina realice los cortes.

Retirar las piezas cortadas de la plancha de madera. Retirar la plancha de madera cortada de la CNC. Limpieza de la máquina y el donde se realizó el corte. Verificación de las piezas de madera cortadas. Traslado de las piezas de madera hacia el área de trabajo.

Tiempo

Riesgo presente

---------

Tropiezos y caídas.

Usos zapatos de seguridad.

1min

Tropiezos y caídas.

Usos zapatos de seguridad.

1min

Caídas y golpes en las manos.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

1min

Golpes y cortes en las manos.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

1min

Saber utilizar correctamente la CNC Observar que la CNC realice correctamente los cortes Caídas y golpes en las manos.

Uso de lentes, protectores auditivos y mascarilla de seguridad Uso de lentes, protectores auditivos y mascarilla de seguridad. Usos de guantes y zapatos de seguridad.

1min

Caídas y golpes en las manos.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

Caídas y golpes en las manos y pies. Golpes en las manos.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

Caídas y golpes en las manos y pies.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

2min 20min

3min

2min

2min

Control de riesgo

Usos de guantes seguridad.

11.Diagramad actual de análisis del proceso DOP Armado de la CNC Simbolo

Nombre

Operación

Tiempo

ALMACEN

Compra de los materiales para realizar el proyecto.

----------------

Traer los materiales y piezas de madera TRANSPORTE hacia el área de trabajo

1min

Ensamblar las piezas de madera. OPERACION

30min

INSPECCION

Verificar que el armado este correcto según los planos.

1min

OPERACION

Colocación de los motores, varillas, fuente DC, etc al armado de la CNC.

30min

OPERACION

Programación del arduino y los demás componentes electrónicos.

30min

Unir el arduino con la CNC armada. OPERACION

INSPECCION

15min

Verificación del funcionamiento de la CNC armada.

10min

Limpieza del área de trabajo. OPERACION

3min

12.Diagramad actual de análisis del proceso DAP Armado de la CNC N° 1

2

3 4

5

6

7 8

9

Simbología

Operación Compra de los materiales para realizar el proyecto. Traer los materiales y piezas de madera hacia el área de trabajo Ensamblar las piezas de madera. Verificar que el armado este correcto según los planos. Colocación de los motores, varillas, fuente DC, etc al armado de la CNC. Programación del arduino y los demás componentes electrónicos. Unir el arduino con la CNC armada. Verificación del funcionamiento de la CNC armada. Limpieza del área de trabajo.

Tiempo

Riesgo presente Estafa.

Control de riesgo

1min

Tropiezos y caídas.

Comprar los materiales en locales de venta seguros Usos zapatos de seguridad.

30min

Caídas y cortes en las manos

Usos de guantes seguridad.

Alguna pieza este mal ensamblada.

Verificar los planos de armado de la CNC.

Equivocarse de material.

Verificar los planos de armado de la CNC.

Revisar los diagramas de flujo y programación.

15min

Equivocarse al momento de hacer la programación Caídas y golpes en las manos.

10min

Caídas y golpes en las manos.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

Caídas y golpes en las manos y pies.

Usos de guantes y zapatos de seguridad.

---------

1min

30min

30min

3min

Usos de guantes seguridad.

13.Procedimiento a) Diseño de la CNC de las mediciones en el software AutoCAD

b) Diseño de la CNC en el Rhinoceros 3D

c) Diseño de las piezas de madera en el software Rhinoceros 3D

d) Impresión de las piezas en la maquina CNC

e) Esperar que la maquina CNC corte las piezas

f)

Limpiezas de las piezas de madera

g) Diseño de los acoples en AutoCAD para la impresión 3D

h) Armado de la CNC

14.Diseño de las piezas y materiales en el software AutoCAD y Rhinoceros 

Diseño 2D y 3D. (RHINOCEROS)