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 :-)
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.
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