sábado, 16 de abril de 2011

Fresadora CNC para PCB - V

Este sábado he tenido que madrugar para llevar a sus clases a mi mujer y he aprovechado para seguir investigando el tema de la vibración y calentamiento del motor del eje Z. Eso sí, antes he realizado un contacto en radio ya que estaba pendiente de una actividad que se iba a realizar, al final QSO de media hora y he conseguido unos puntos más para el diploma SOTA... :-)

Después de analizar de nuevo las tensiones de la fuente, he decidido hacer algún cambio, pero ligero, la fuente no ofrece tan malas características y tiene buen filtraje. Adelanto que he solucionado el problema y la fuente es 100% válida, entrega una corriente de 4 Amperios continuos sin problemas y tensiones de salida de 30V y 14V. Adios a las baterías que tienen desventajas para alimentar una máquina CNC... Así que dispongo de nuevo de una controladora de pequeño tamaño en comparación con lo que he visto por ahí.


El problema estaba en que faltaban unos pequeños condensadores de filtro en las entradas de tensión para los motores, en concreto uno por cada IMT-901. En el diseño no lo implementé porque el datasheet del IMT no lo especifica... vaya M!


El IMT-901, lo fabrica Toshiba, cuando seleccione el dispositivo por características y precio en Farnell me basé en el datasheet "pelao" de Nanotec, quien lo distribuye bajo su marca.


Después de realizar la controladora descubrí que se trataba del Toshiba TA8435H, en el datasheet del fabricante (23 páginas) dice lo siguiente:


"Note 3: A capacitor for noise suppression should be connected between the power supply (VCC, VM) and GND to stabilize operation"

Aquí estaba la clave, el condensador hay que ponerlo lo más próximo a los terminales del IMT, en concreto no especifica el valor, pero he realizado unas pruebas y 10 nF es perfecto!.



Los motores de los ejes X e Y no estaban muy afectados, quizás porque la línea de alimentación en la placa entraba próxima al eje X, de éste al Y y finaliza en el Z por lo que la pista de alimentación realizaba un recorrido de algo más de 15 cm por la placa y los transformadores están muy próximos...


He tenido una hora los motores activos aplicando el par de detención y no hay calentamiento, el normal, pocos ºC más de la temperatura ambiente. El consumo a un ciclo de trabajo del 100% en la fuente ha pasado a 750 mA y la tensión con dicha carga es de 31V. Es evidente que según demandemos corriente nos caerá algo la tensión, pero no reperesenta un problema.


Respecto a la fuente, es sencilla y económica, los transformadores se pueden encontrar por menos de 10€. La toma de 14 voltios se usa para alimentar la electrónica a través de un regulador 7805, como el consumo demandado es bajo no es necesario gran filtraje y además los reguladores disminuyen considerablemente el rizado. En esta toma de 14V conecto directamente el ventilador de 12 voltios para refrigerar los IMT, realmente he puesto una pequeña resistencia en serie para que le caigan unos 10V y así le bajo un poco la velocidad.

Detalle del condensador de 10 nF entre las entradas de la alimentación del motor VMA y VMB del eje Z, las alimentación del motor utiliza dos patitas ya que existen dos fases (A y B) por motor.







No ha quedado muy mal, como hay algún puente ha coincidido que una línea es de alimentación VM y la otra es masa, he soldado un extremo a cada línea...


...a esperar a que me llegue el NEMA-23 para empezar con las pruebas...


Ahora que doy por terminada la controladora y los siguientes pasos serán la pruebas con los motores definitivos y la construcción de la fresadora CNC, dejo un vídeo donde muestro la suavidad de funcionamiento que se consigue con 8 micropasos, es decir 1600 pasos por revolución del motor...



Pulsa AQUI



Saludos...


viernes, 15 de abril de 2011

Fresadora CNC para PCB - IV

He comprado unos motores PAP a un colega radioaficonado, en concreto 4 motores tipo NEMA-17, son pequeños y entregan un par muy bueno para pequeñas aplicaciones.

Las características son las siguientes:

Nema 17 (35ST36-1004A) 35x35x36 mm y 180g. de peso

Bipolar híbrido de 4 hilos 1,8º (200 pasos/vuelta)

2.7V 1A/fase 1,4 Kg*cm (aprox. 0,1 Nm)

Resistencia/fase 2,7 Ohm e Inductancia 4,3 mH

El envío ha tardado casi 10 días, paquete nacional certificado en Correos. Es sorprendente, y todavía no me ha llegado un envío del día 6 de abril, éste sin certificar por lo que me temo lo peor... comentaré al respecto. Espero equivocarme!


He realizado una prueba con los motores y la controladora. Estos motores tienen más consumo que el de la impresora, en concreto 300 mA más por bobina y entregan un par algo mayor, el motor es similar...

He observado con estos motores un zumbido, pero el del eje Z en concreto es algo exagerado y vibra ligeramente. La oscilación se produce cuando activo el ENABLE sin señal de paso, es decir parados y alimentados ("enclavados"). Esta oscilación no produce moviento de los motores y no afecta a su par de detención, si que produce un calentamiento excesivo, en concreto he apagado el controlador porque el motor del eje Z empezaba a calaentarse en exceso. He colocado el amperímetro en una de las fases y he visto oscilaciones de corriente que sobrepasan el amperio, el driver no es capaz de mantener la intensidad constante.

He realizado varias comprobaciones, ver la estabilidad y filtraje de las señales que vienen de los optoacopladores, e incluso he soltado la línea de control de pasos. Las señales son buenas y la alimentación de la electrónica a 5V es perfecta, no hay ruido. Las resistencias para el control de la corriente son inductivas y he pensado que podrían afectar de alguna manera aunque no he leído nada al respecto en el datasheet de los integrados IMT...


He hecho una prueba y conectado un condensador electrolítico a mano haciendo contacto entre la resistencia y masa intentando estabilizar la tensión sin resultado. Me he puesto a releer el datasheet del IMT-901, en concreto del Toshiba TA8435H (es el mismo integrado) ya que trae más literatura; he encontrado una reseña al final que dice literalmente: "Use a stable power supply with ICs with built-in protection functions. If the power supply is unstable, the protection function may not operate, causing IC breakdown."

He pensado entonces en la fuente , si elimino provisionalmente la de la controladora (los dos transformadores) y uso mi fuente de alimentación regulable de 40A, es una fuente pensada para alimentar equipos de radio y la tensión máxima son 15 voltios. He caído en que tengo dos baterías de 12V de electrolito de gel para mi walkie de V/U y podría obtener los 24V necesarios poniéndolas en serie.

Una foto de los motores con unos mandos de potenciómetro para ver su posición y giro:



He realizado la prueba y lo que me temía, con los 24V de la batería perfecto, los motores no hacen ruido y el eje Z que era el más afectado, perfecto y no se calienta. He dejado los motores con el par de detención activo durante 10 minutos y no se calientan casi trabajando al 100% de ciclo de trabajo (función configurable en el IMT). El consumo de los 3 motores es de 870 mA a 24 voltios...


Me encuentro con un problema de poca envergadura, el controlador funciona a las mil maravillas, no hay errores de diseño y llevo muchas horas de pruebas. De hecho, trabajo a 8 micropasos y los motores se mueven con una suavidad excepcional, envío por cada revolución 1600 pulsos desde el software CNC a la controladora. He aprovechado para ver los límites de la controladora y he puesto a trabajar a los motores a 10 KHz, es decir a 6,25 vuletas por segundo y sin problemas.


Tengo dos alternativas: una rediseñar la fuente y otra utilizar las baterías como fuente; las baterías de gel en serie suministran 24V y 7A, esta corriente es más que suficiente para la máquina utilizando los NEMA-23 de 1,5 Amperios/fase, ya que a 24V como hemos visto tenemos un consumo próximo al Amperio alimentando los 3 motores cuyas tensiones nominales están próximas a 3V. Tiene el inconveniente de tener que implementar un sistema de carga que garantice la operación...


Primero voy a intentar solucionar el problema modificando la fuente de alimentación aunque no lo veo muy factible, tampoco dispongo de mucho espacio por lo que es posible que la elimine y la coloque externa...


Seguiré contando...




martes, 5 de abril de 2011

Fresadora CNC para PCB - III

Hola de nuevo...

voy a continuar con la siguiente placa de la Controladora, esta placa es la que tiene los circuitos integrados IMT-901 (Toshiba TA8435H), el esquema electrónico está sacado del Datasheet directamente. Este integrado de 25 pìnes con encapsulado HZIP25−P−1.27 necesita muy pocos componentes para realizar sus funciones, con unos diodos, unas resistencias y algún condensador queda ya operativo.

Algunos de estos componentes los trasladé a la placa de los optoacopladores para realizar la placa con menos dificultades ya que de los 25 pines del IMT son necesarios 21. La separación entre pines es de 1,27 mm (0.05") distribuidos en dos filas separadas 2 mm. Por esta razón, he realizado la placa con mi insoladora que llevaba más de 10 años parada ya que me había pasado al lado artístico (manual).

Para ello, compré unas placas positivas ya preparadas para insolar y la sosa para el revelado, la placa salió bien y eso que algunas líneas eran finísimas (<1 mm) ya que pasaban entre dos terminales del IMT.

En la placa se pueden ver los conectores de cada uno de los motores bipolares y sus respectivos diodos. También están los jumpers de configuración de los pasos y cada una de sus resistencias de polarización de 1/4W.




Las resistencias necesarias para los sensores son 2 de 0,8 Ohm por cada IMT-901 y como no localicé este valor en 2W decidí montar 0,5 + 0,33 Ohm, es decir un valor de 0,83, de ahí las parejas de resistencias, en concreto 12 de 5W (no había otra cosa). Por cuestiones de espacio he colocado alguna en posición casi vertical.

Destacar el relé de 230V 10A, su circuito de control está también en la placa de los optoacopladores, realmente en esta placa hay lo justo ya que en número de líneas es elevado y decidí usar puentes para realizar la placa en una sola cara y simplificar.

El motor es de una vieja impresora, una Epson Stylus Photo con bastantes añitos; el motor es bipolar de 4 hilos, es pequeño (40x40x25 mm) tipo NEMA 17, unos 180 g. de peso, un consumo de 700 mA por bobina y un par de unos 3Kg*cm. La referencia es 17PM-K212-P1T.
Este motor lo he utilizado para las pruebas de la controladora, estoy esperando un nuevo motor mucho más potente para evaluarlo...

Desde otro punto de vista:



Con el motor de la Epson a 0,7 A por bobina no se calientan los integrados lo más mínimo, tendré que probar con corrientes de 1,5A. Además la caja lleva ventilación forzada en un lateral ayudando bastante junto con los disipadores caseros de reducido tamaño, están plegados para reducir el tamaño, cada uno tiene una superficie aproximada de 30 cm2.

La caja del controlador completo tiene unas dimensiones de 200x170x60 mm.

Indicar que hay otros Jumpers para variar el ciclo de trabajo, en definitiva la corriente, las opciones son un 65% y un 100%. La línea de conectores posteriores reciben las señales desde la placa de los optoacopladores, básicamente es el control del relé y los motores junto con las alimentaciones y masas.

hasta la siguiente entrada...

Saludos!

lunes, 4 de abril de 2011

Fresadora CNC para PCB - II

Después de explicar por encima de qué va esto del CNC, por lo menos de intentarlo con mis conocimientos básicos, voy a describir algunas características de mi controladora.

La primera placa está en la parte inferior de la caja, es la placa donde están los optoacopladores e incorpora muchas líneas debido a que se manejan muchos pines del conector del puerto paralelo; concretamente 15 pines para señales y 8 para masas, un total de 23 de los 25 del conector DB.

Cada motor (eje) utiliza 3 señales de salida del puerto hacia la controladora:
  • Una de pulsos para mover el motor, el moviemiento depende de la configuración del driver IMT-901, si está en 4 micropasos el motor de 200 pasos (1,8º) necesitará 800 pulsos para dar una vuelta completa. Por lo tanto un pulso moverá el motor un micripaso.
  • Una señal de Dirección que es un pin del puerto que se pone a 0 ó 1 para indicar al controlador que gire el motor en un sentido o en otro.
  • La señal Enable hacia el controlador que activa o desactiva el motor, cuando se activa dicha señal el motor se activa y se queda enclavado en ausencia de pulsos e iniciando el movimiento cuando los recibe. Evidentemente si no está activa, el motor está sin alimentación.
Destacar que la señal Enable se activa cuando el software está listo para empezar a fresar y hemos desconectado el "modo emergencia". Los programas CNC así como las máquinas están diseñados teniendo en cuenta la seguridad ya que son máquinas que podrían causar lesiones, por lo tanto en el DB25 se utiliza una entrada del puerto de forma exclusiva para el pulsador de emergencia que toda máquina tiene o debería tener, el típico botón rojo que parece una seta y que pararía la máquina de forma inmediata.

Deducimos que con 3 ejes necesitaremos 9 pines de salida del puerto paralelo en total. Comentar que el puerto paralelo del PC tiene 12 líneas de salida, 5 líneas de entrada y 8 líneas GND.
Como me sobran líneas de salida puedo usar las que sobran para otras funciones, en mi caso he usado otra para colocar un relé que active el motor de la fresa por ejemplo, así desde el software CNC puedo parar o arracar la fresadora, por lo que al final he dejado dos salidas libres que no utilizo. Cuando los recursos no son suficientes es posible colocar otra tarjeta de puerto y configurarla en el software de CNC.

Respecto a las 5 entradas del puerto paralelo, se utilizan para enviar señales 0 ó 1 ya que son entradas digitales, en el software CNC se configura qué es cada línea del puerto pudiendo en todos los casos indicar si están activas a nivel alto o bajo de manera que es posible casar cualquier controladora y realizar cualquier tipo de configuración.

Teniendo en cuenta la entrada de Emergencia me quedan cuatro entradas que se utilizan normalmente para que la máquina indique las posiciones finales de los ejes, de esta forma se evita dañar la máquina si por un error mandamos fuera de un tope físico cualquier eje. El sistema es sencillo y está basado en pulsadores que cierran o abren el circuito mandando un 0 ó un 1 como comentaba.
Si tengo 3 ejes necesito al menos 6 hilos (pulsadores) para los extremos de cada eje y tengo 4!!, pensaríamos... el truco está en montar bien en serie o en paralelo los interruptores en un eje utilizando un solo hilo (respecto a masa) de forma que reciba el software una única señal cuando se llega a cualquier extremo. El software sabrá que si mueve un eje hacia la derecha y recibe la señal de fin de carrera ha llegado al extremo y ya no nos dejará moverlo más en ese sentido, en caso contrario, es decir hacia la izquierda se aplica la misma lógica...

Aclarado un poco el funcionamiento del puerto y de las líneas, pongo una fotografía de la placa de los optoacopladores.




Esta placa está realizada a mano, es un trabajo de chinos con rotulador fino indeleble y ayudado por una lupa en algún momento, la placa está taladrada. El diseño estaba previamente hecho en el Eagle y lo realice en una sola cara de la PCB por no complicarme aunque me obligó a tirar algunos puentes.

Cuando recibí lo componentes ( los optoacopladores de lo más barato de Farnell), los ISP521 de 16 patitas y 4 optos, observé que me había equivocado y había pedido la versión de montaje superficial (SM) y ya había realizado el diseño con zócalos y lo componentes en la parte superior de la placa... Vaya leche! Me tocó rediseñar la placa (menos mal que no la había hecho de momento) para soldar los ISP521 como se ve en la foto.

El funcionamiento es correcto, los optoacopladores no son especialmente rápidos pero funcionan bien más allá de los límites del IMT-901 que son unos 5 KHz, tengamos en cuenta que estamos hablando de 5000 pulsos por segundo (5 KHz) y en caso de trabajar con 8 micropasos el motor de 1,8º necesitaría 1600 pulsos para dar una vuelta completa, por lo tanto a 5KHz el motor gira a unas 3,1 vueltas por segundo.

La conclusión es que a mayor número de micropasos menor velocidad del motor por lo que necesitaremos que el paso del husillo que mueve el eje se desplace bastante por vuelta para que la máquina no sea muy lenta, en algunos casos es posible utilizar transmisión por correa utilizando poleas que multipliquen el movimiento...

La placa colocada en su posición, quedó estéticamente algo mal ya que los optoacopladores están debajo:


En la foto se observa el conector de 3 líneas (12V, GND y 24V) que está cableado a la fuente, el cableado del puerto a la placa (izquierda) y el cableado para los detectores de final de carrera al DB9 (derecha). Por otro lado tenemos el regulador 7805 para alimentar la electrónica, el transistor para la activación del relé y un condensador de filtro. Los separadores de las placas son de 15mm.

El resto de cables son las salidas optoacopladas, masas y tensiones de alimentación hacia la placa de control que va en la parte superior. Hay tres grupos de cables, en la parte izquierda el número de líneas es mayor porque están los cables hacia el relé, las alimentación de 5V, de 24V y las líneas del eje X, el otro grupo hacia la derecha son el eje Y y el eje Z.

La fuente en plan económico como comenté, transformadores de 11,5V y 4A configurados en serie a través de sus puentes rectificadores de 5A, el grupo de condensadores electrolíticos de filtro (dos grupos de 4400 uF), tensiones de salida de 16V y 34V aproximadamente con sus respectivos fusibles.

Para terminar, pongo una captura en el osciloscopio donde se ven los pulsos del eje X (en todos los ejes son iguales) en la salida del optoacoplador, esta señal entra en el IMT-901. La frecuencia es de 5 KHz, es decir 5000 pulsos por segundo. En 800 pasos por vuelta (4 micropasos) el motor giraría a 6,25 vueltas por segundo...





continuará...
saludos!

domingo, 3 de abril de 2011

Nuevo Proyecto. Fresadora CNC para PCB - I

Hace poco más de 1 mes consultando un foro de electrónica vi publicidad de una máquina para realizar placas de circuito impreso (PCB), me pareció muy interesante porque la fresadora la anunciaban para tiradas cortas, es decir prototipado y orientada a particulares y centros educativos...

Una alta precisión, formato A4 (pequeña) aunque algo pesada (unos 15 Kg). Pensé que el precio podría estar entre 500 y 1000 euros, una inversión interesante ya que me permitiría realizar placas más rapidamente ( mis procedimientos son totalmente manuales) y además te quitas el engorro de los productos químicos que hay que estar llevando a un punto límpio después de su uso...

Decidí hacer la inversión y me puse en contacto con el distribuidor en España de aquella pequeña maravilla, muy amablemente me mandaron la oferta que les solicité y cuando vi que la máquina superaba ligeramente los 6000 euros casi me caigo de la silla. El coste evidentemente era muy alto, ¡claro!, yo que no entendía del tema como ahora y me pareció una verdadera barbaridad.
Realmente el coste está muy por encima de valor real, es mi opinión, pero es cierto que estos equipos llevan partes mecánicas que son caras como por ejemplo los mecanismos de guiado y transmisión.

Después del chasco con la fresadora, me dediqué a buscar otros fabricantes más baratos, se ve que soy muy optimista... :-)

Al final, era cuestión de tiempo, encontré páginas sobre la construcción de fresadoras caseras, primero encontré una página americana muy interesante (http://buildyourcnc.com) y más tarde encontré una muy buena de un colega argentino (http://www.esteca55.com.ar) donde hay mucha info en castellano (tutoriales, vídeos, etc...).

Con lo que llevaba investigado vi claro el poder realizar una fresadora por un coste muy bajo en comparación con lo que había en el mercado.

Antes de continuar, comentaré un poco en qué se basan estos equipos a grandes rasgos. Para empezar podría mencionar el CAD del que todos hemos oído hablar sobre todo por determinado software de diseño CAD como el AutoCAD por ejemplo. Las siglas vienen del inglés, Diseño Asistido por Computador. Hoy en día muy utilizado en la industria debido a la evolución del software y hardaware. Estos diseños CAD no valdrían para nada si no son llevados a la práctica de alguna forma, por ejemplo si diseño una PCB con un programa tipo Eagle, Proteus, OrCAD, etc., necesitaré un proceso para realizar la placa, uno de ellos sería imprimir el diseño y uilizarlo como fotolito por ejemplo.

Aparece un nuevo concepto ligado al CAD que es el CAM, es decir la Fabricación Asistida por Ordenador, el CAM me va a permitir realizar la placa ya no manualmente sino con un equipo que en este caso será la fresadora CNC. Explicar que el término CNC es Control Numérico por Ordenador, y son las ordenes que tiene que enviar el ordenador a la Máquina a través de un interfaz , dichas ordenes fueron generadas por los programas CAM mencionados.

En resumen para realizar una PCB a través de una fresadora CNC es necesario:

  • Diseñar la placa en un software CAD
  • Convertir el diseño a un fichero de salida a través de un software CAM, este fichero (programa) es un lenguaje de programación "CNC" como por ejemplo G-Code muy extendido.
  • Por último, cargar en el ordenador el programa y ejecutarlo sobre el software CNC que tiene conexión con la fresadora, esta conexión suele ser por uno o varios puertos paralelos dependiendo de la complejidad de la máquina o bien por USB (actualmente menos extendido). El software CNC envía señales digitales a la fresadora (en este caso) en función de sus características que previamente fueron configuradas.
  • La fresadora CNC, muy importante :-)
El Controlador forma parte de la máquina realmente y convierte las señales del puerto PC en movimientos de la máquina. El objetivo es llegar a obtener el diseño CAD "materializado" realizando los moviemientos de los ejes de la máquina y sus herramientas, como dije el programa CNC necesita configurarse en función de la máquina para alcanzar la máxima precisión que permita la máquina.

Respecto al software CNC existen programas de Dominio Público, para PCB el Eagle nos permite ejecutar ULP (programas de usuario) existiendo uno que genera el G-Code a partir de nuestro diseño CAD (http://pcbgcode.org). El fichero generado podemos cargarlo por ejemplo en el Mach3, que es un software CNC muy extendido para Windows.

Continuando... he realizado diferentes pruebas con software de diseño de PCB, en concreto con el Proteus y el Eagle, el que más he utilizado es este último ya que es el que más domino. El primer punto, segundo y tercero podríamos decir que los tengo controlados y que me faltaría el cuarto, es decir la fresadora!

La fresadora es 80% mecánica y 20% electrónica, más o menos, respecto a la parte electrónica me refiero al Controlador antes mencionado, cables, motores, interruptores, etc., en mi caso es el tema que más domino.

Los motores están en función del par que necesitemos, básicamente del peso que tengan que mover y que viene condicionado en buena medida por el tamaño y materiales de construcción de la máquina, sin olvidar tener en cuenta que vamos a fresar, no es lo mismo fresar madera que un bloque de aluminio. La controladora tendrá que soportar la corriente de los motores que utilicemos así como disponer del control de tantos ejes como tenga nuestra máquina, en nuestro caso 3 ejes (X,Y,Z).

Lo motores que más se utilizan suelen ser del tipo "paso a paso" (PaP o stepper motors), estos motores son buena alternativa a los de continua ya que simplifica el controlador, con motores de continua hay que trabajar con reductoras y encoder que indiquen la posición del motor.

El motor suele ser bipolar porque entrega más par a igualdad de características que un unipolar, la forma de manejarlos es diferente. El unipolar tiene una toma central en cada bobina que permite polarizarlo de forma fija, por ejemplo a +Vcc y variar el campo en función del extremo de la bobina que se conecte a masa haciendo que con diferentes secuencias gire en un sentido o en otro. Este motor es fácil de manejar, por lo menos electrónicamente.

El bipolar entrega más par, algo muy importante para nuestro caso, dispone generalmente de dos bobinas y para su funcionamiento es neceario cambiar la polaridad de las bobinas por lo que es necesario el llamado puente en H. Este tipo de motor no puede usarse como unipolar ya que no tiene toma central en las bobinas. Sin embargo, los unipolares pueden utilizarse como bipolares simplemente no utilizando la toma central de las bobinas.

El giro en los motores PaP se consigue aplicando secuencias de activación en el orden adecuado por lo que es necesario electrónica para su control, bien mediante integrados especializados o a través de microcontroladores programados junto con drivers de potencia para manejar las corrientes que pueden ser de pocos miliamperios hasta varios amperios en motores de alto par.

Basicamente existen tres formas: paso simple, paso doble y medio paso, el paso simple se consigue activando una bobina y luego otra, también es posible realizando la activación de dos en dos (aumentando el par), denominado paso doble. Por último, el medio paso se realiza enviando un paso simple y uno doble de forma alternativa, en el medio paso se multiplica por 2 el número de pasos del motor. Todos estas polarizaciones de bobinas llevan un orden, existiendo dos secuencias para girar en un sentido u en otro.

Otra característica de los motores PaP es que se pueden "enclavar" en un punto, esto se hace manteniendo las bobinas alimentadas, el único inconveniente es que en tiempo prolongados puede sobrecalentar el motor, existen circuitos que son capaces de disminuir la corriente en estos casos. Esta característica es importante en la máquina CNC ya que en operación podrían moverse los ejes que no están en acción.


Existen motores PaP con distintas configuraciones de bobinas y por tanto de hilos, veremos normalmente de 4, 6 u 8. Los motores PaP híbridos (una configuración constructiva) son los más comunes y tienen alto par, son los que se utilizan generalmente para las máquinas CNC.

Un detalle más, un motor de 8 hilos con cuatro bobinas podría trabajar como unipolar o bipolar; si lo hace en bipolar de 4 hilos es necesario poner las bobinas en paralelo dos a dos o bien asociar las bobinas en serie dos a dos. Estas configuraciones se conocen como bipolar paralelo o bipolar serie respectivamente. Las corrientes son diferentes en cada caso, en el paralelo la corriente es el doble que en caso del serie e igual pasa con las inductancias, siendo mayor en el bipolar serie.

Los motores PaP no son motores de RPM muy elevadas (el controlador también suele tener limitaciones) a mayor inductancia menor velocidad de giro. Otra característica de los motores PaP son los pasos, es decir el número de paso por vuelta que suele expresarse en grados, es decir motores de 0,9º, de 1,8º, etc., los más comunes (híbridos) son de 1,8º y por lo tanto 200 pasos por vuelta (1,8 * 200 = 360 grados). También indicar que el par cae de forma drástica en velocidades altas.


Como hemos visto, la ventaja del motor PaP es que tiene alto par y puede moverse por pasos a derecha e izquierda siendo relativamente fácil realizar la fresadora. Teniendo un control de pasos el software puede llevar un control total de la máquina, puede mover el brazo x centímetros y llevarlo a su posición inicial por ejemplo. La única problemática que existe es la pérdida de pasos ya que si esto ocurre acumularemos errores, en principio un paso puede estar dentro de tolerancia de nuestro tarabajo.

Si un motor PaP de 200 pasos tiene conectado un husillo para desplazar un eje y dicho usillo hace que el eje se desplace 5 mm por vuelta, podemos afirmar que por cada paso el eje se desplaza 25 um (micrómetros) realmente tenemos una precisón sorprendente y si pierdo varios pasos no lo notaré en la PCB, evidentemente pérdidas sucesivas acumularán un error que puede llegar a ser importante. En la práctica los 25 um no se van a dar porque el juego de la máquina será mayor y depende del "cuidado" constructivo pero podría llegar a ser menor de 1mm.

La pérdida de pasos se minimiza con un buen ajuste del software CNC ya que en él se configura los pasos por milímetro de avance, la velocidad del motor y aceleraciones, etc.

Mi controladora CNC

Hace unos días terminé de construir mi controladora CNC, un diseño propio y cuyas prestaciones intentan estar a la altura de controladoras comerciales mucho más caras. Hasta hace poco tiempo no conocía nada de hardware de este tipo, tenía algún concepto sobre control numérico y tuve la ocasión de ver una máquina hace muchos años en la feria del SIMO...

Las controladoras comerciales están optoacopladas, es decir existe aislamiento electríco entre el puerto paralelo y el resto de la electrónica. Protegen el puerto ya que existe electrónica de potencia e inductancias que podrían generar algún tensión elevada.

Existen diferentes configuraciones, normalmente hay un módulo controlador que se conecta al puerto y tiene salidas para conectar los drivers de potencia de los motores. Se necesita una controladora y tres drivers para los motores, el precio depende de la corriente que maneje cada driver y el de la controladora (entre otros) si está optoacoplada o no.
Otras configuraciones existentes son: módulos completos, es decir un controlador más driver para gestionar un motor, éstos son más profesionales y llevan micropasos, están optoacoplados y rondan los 100 euros por lo que para 3 ejes el desembolso ronda los +/- 300 €.

Para el tema DIY (Do it yourself) se comercializan controladoras y drivers para motores PaP, controladoras sin optoacoplar que rondan los 60 €, es la opción más económica pero necesita los drivers a parte. Existen opciones completas en una placa a buen precio, he visto varias en ebaY en torno a 100 €, también están sin optoacoplar.

Respecto a los micropasos, es una técnica en la gestión del motor PaP que permite dividir los pasos del motor de forma que para mover el motor un paso es necesario enviar al controlador x pasos dependiendo de la división seleccionada, evidentemente existe una limitación. La ventaja principal es la disminución de las vibraciones en el motor y la resonancia.

Información interesante al respecto, se trata de un tutorial:

http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/


Por donde iba..., la controladora que he realizado está constituída por componentes lo más económico posible, por dificultad en encontrar determinados componentes especializados los adquirí en farnell (http://es.farnell.com/) que es donde llevo años comprando ya que muchos componentes hoy en día son difíciles de localizar en las tiendas.

Después de horas revisando componentes encontré un módulo híbrido bajo la marca IMT-901 de Nanotec, es realmente un Toshiba TA8435 y es un módulo que maneja motores bipolares de 4 hilos, incorpora la lógica de control y el driver y puede manejar corrientes de 1,5 Amperios por bobina. Esta corriente permite manejar motores bipolares de 4 hilos en torno 1,5 Nm y de casi 2 Nm en configuración bipolar serie, la cuestión es elegir el motor adecuado dentro de la variedad que existe. Yo he comprado uno de 1,5 Nm y un consumo por bobina de 1,25 Amperios que me llegará en breve y que le dedicaré unas líneas a las pruebas que realice.

El IMT-901 además trabaja a corriente constante a un ciclo de trabajo (65% ó 100%) seleccionable a través de un pin del integrado y además dispone de micropasos (1/1, 1/2, 1/4 y 1/8) que se seleccionan con dos patitas M1 y M2 las cuales leen los valores de la combinación binaria que seleccionemos. El motor de 200 pasos se convierte en un motor de 1600 pasos trabajando a 1/8 (8 micropasos).

Este integrado permite reducir el tamaño del controlador y el coste aproximado son 12 euros, en total 36 ya que necesitaba 3 unidades, una por motor.

Otro tema importante que no he comentado, es que los controladores y en concreto los drivers, manejan tensiones de motor entre 24V y 40V por lo general ya que éstos ofrecen mejor rendimiento que funcionando a la tensión nominal que suele estar por debajo de 10V. El motivo es que al trabajar con pulsos y a tensiones bajas no se llegaría a la corriente nominal en las bobinas. Esta alimentación superior de los motores es posible al utilizar drivers de corriente constante que limitan la corriente de los bobinados por lo que es habitual trabajar con tensiones superiores a 10 veces la tensión nominal del motor. En concreto el IMT trabaja a una tensión de motor nominal de 24V pero admite una tensión máxima de 40V.

Por lo tanto, es necesario disponer de una fuente de alimentación de 24V al menos y que suministre una corriente adecuada según el consumo, esto supone un coste elevado ya que estas fuentes están en torno a los 90 € (a sumar al precio del controlador). Para no invertir en la fuente reutilicé dos transformadores de 11,5v y 4A de lámparas dicroicas que tenía en un cajón, son realmente baratos, el conjunto me entrega cerca de 34V en vacío.
La configuración de estos transformadores es en serie, entragando 4A, debido a la diferencia de tensión exitente (y cuanto más alta mejor) es posible alimentar motores cuyo consumo total supera los 4A, cuando tenga los motores podré deducir en que porcentaje.

Por hoy está bien, dejo para otra ocasión las fotos del invento...

Saludos.

Artículo sobre mi Tracker APRS

Hola, el artículo del Tracker puede descargarse en el siguiente enlace:

EA4AQM_TRK



Esta primera versión del Tracker no tiene grandes prestaciones pero su funcionamiento es muy bueno, he echado bastantes horas para dejarlo fino, además desarrollé alguna herramienta para ello. Actualmente existen 8 unidades construidas. La programación se puede realizar sobre la propia memoria EEPROM del PIC1 en el momento de la grabación del programa. Mi amigo Ernesto utilizó un GPS TTL y no implementó el MAX232 realizando la configuración directamente en el PIC.

Las características, no sé si las he comentado en alguna ocasión, son las siguientes:


  • Alimentación entre 6V y 15V sin problemas, el consumo depende del GPS, con el GlobalSat el consumo es inferior a 60 mA (el TRK unos 16 mA).

  • LED indicador de GPS y LED de transmisión TX.

  • Altitud máxima 4000 metros, velocidad máx 250 Km/h, rumbo pasos de 10 grados.

  • Mensaje con frecuencia QRV.

  • Cuatro modos de operación y configuración de cualquier icono según Especificación APRS.

Si hay algún colega Radioaficionado que quiera construirlo sólo tiene que ponerse en contacto conmigo y le enviaré los HEX para su programación encantado

Saludos!!