Diseño de la tarjeta de control del CNC
La tarjeta o interface electrónica es un dispositivo diseñado y fabricado para permitir la comunicación entre el computador y la fresadora de control numérico CNC a través de un puerto paralelo, por el cual se envían o reciben señales desde un sistema hacia otro. Esta interconexión sólo es posible al utilizar la misma interfaz en origen y destino. Pudiéndose definir como un intérprete de señales, a través de (3) tres microcontroladores internos, que permite traducir los pulsos eléctricos en movimientos controlados de los motores paso a paso, a través de un protocolo común a ambos. Esta interfaz electrónica es una Conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes.
Figura Nº 6 Diagrama de funcionamiento
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| Fuente: Contreras (2014) |
Procedimiento para el diseño de la tarjeta de control CNC
La Interfaz electrónica está diseñada con tres (03) PIC 16f73 de microchip para controlar las salidas de los motores de manera independiente, esto permite un control dinámico de los motores paso a paso en tiempo real. La tarjeta electrónica está dividida en dos etapas, una etapa de control donde se ubican los microcontroladores y el puerto paralelo y una etapa de potencia en donde se encuentran los transistores y las salidas de los motores.
Las dimensiones de la unidad de control se realizaron de forma tal que pueda ser adaptada a cualquier case de computador de escritorio como unidad de CD-DVD, para ello se utilizó como chasis,(02) dos unidades de CD viejas. Esto permite basar todo el diseño de la placa electrónica a estas dimensiones.
Las dimensiones de la unidad de control se realizaron de forma tal que pueda ser adaptada a cualquier case de computador de escritorio como unidad de CD-DVD, para ello se utilizó como chasis,(02) dos unidades de CD viejas. Esto permite basar todo el diseño de la placa electrónica a estas dimensiones.
Figura 7 Diseño de la unidad
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| Fuente: Contreras (2014) |
Teniendo definido el tamaño de la unidad de control se diseña la placa electrónica en PROTEUS. Se comienza por el diseño de la etapa de control, la disposición de puerto paralelo, conectores para la etapa de potencia y todos los demás componentes de esta, como se muestra en la figura.
Etapa de Control
Figura Nº 8 Diseño en PROTEUS del circuito etapa de control
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| Fuente: Contreras (2014) |
Figura Nº 9 Diseño en PROTEUS de circuito para imprimir  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Figura Nº 10 Diseño 3D PROTEUS Etapa de control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Después de las pruebas de funcionamiento se comprobó que los ULN2803 no soportaban el amperaje de funcionamiento de los motores por lo cual fue necesario eliminarlos y cambiarlos por una etapa de potencia con transistores IRFZ44N, se eliminaron los ULN2803 de la placa de control haciendo unos puentes en los pines de estos para no tener que volver a fabricar la tarjeta de control. A continuación se muestran las conexiones realizadas en los pies del ULN 2803 en amarillo, desde las salidas de los microcontroladores hasta los conectores de los motores paso a paso.
Figura Nº 11 Correcciones a la Etapa de Control
Figura Nº 12 Correcciones a la Etapa de Control
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| Fuente: Contreras (2014) |
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| Fuente: Contreras (2014) |
Etapa de Potencia
Foto Nº 13 Diseño en PROTEUS del circuito etapa de potencia |
| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 14 Diseño en 3D y PROTEUS para imprimir de la etapa de potencia  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Fase de construcción
A continuación se presentan cada uno de los pasos a seguir para la elaboración de la tarjeta de control, a continuación se describen los componentes que se emplearon para la elaboración de la placa electrónica (interprete) de la fresadora de control numérico CNC.
Tabla Nº 1 Materiales para la elaboración de la placa electrónica (Unidad de Control) |
| Fuente: Contreras (2014) |
A continuación se describe el proceso de elaboración de cada parte que constituye la Tarjeta electrónica
Pasos 1
Impresión del circuito en PROTEUS
Una vez elaborado el diseño de circuito en PROTEUS y estando listo para imprimir, se introduce el papel transfer en la impresora láser y se imprime con la máxima resolución que permite y con el ahorro de tóner desactivado. El resultado de los circuitos de la etapa de potencia y control se muestra en la imagen Nº 1.
Foto Nº 1 Impresión del circuito en el papel transfer |
| Fuente: Contreras (2014) |
El papel fue impreso por el lado brillante. Se seleccionó en las opciones de impresión el tamaño del papel Carta. En este caso no se utilizó el modo espejo para la impresión. Se realizaron varias pruebas con papel normal antes de hacer la definitiva.
Paso 2
Cortar la placa PCB
Se midió la placa con respecto al diseño impreso, se marcó y recortó la placa de cobre virgen a medida, dejando unos milímetros de más de los lados.
Foto Nº 2 Toma de las medidas del la placa PCB para cortar |
| Fuente: Contreras (2014) |
Para cortar la placa se utilizó un DREMEL con un disco de corte de carburo, siguiendo la línea guía trazada previamente, como se muestra a continuación
Foto Nº 3 Corte del la Placa de cobre |
| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 4 Lijado de la rebabas producto del corte |
| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 3
Preparación de la
placa de cobre
Se frotó la superficie de cobre con una esponja de acero con jabón, haciendo presión y movimientos en círculos, hasta eliminar cualquier residuo de grasa y polvo. Como se muestra en la figura. Luego se limpio con una servilleta humedecida con tiner la superficie de cobre, hasta que el papel quedo completamente limpio A partir de este punto se evito a tocar la placa con los dedos para no llenarla de grasa. Igual cuidado se tuvo con la cara impresa del papel.
Foto Nº 5 Lavado de la placa PCB con agua y jabón |
| Fuente: Contreras (2014) |
Se a recorto el papel dejando unas pestañas a cada lado más grande que la placa tal como se muestra en la imagen, se colocó la parte impresa sobre la superficie de cobre y fijándose el papel por la parte de atrás con adhesivo.
Foto Nº 6 Preparación de la placa PCB para la termo transferencia |
| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 4
Termo-transferencia
Para la termo-trasferencia del diseño del circuito impreso del papel a la placa de cobre fue necesario contar con una superficie donde planchar la placa teniendo cuidado de no dañar la superficie,para esto se trabajó utilizando un paño debajo de la placa.
Se utilizó una plancha de ropa convencional (sin vapor) para transferir la imagen del papel a la placa PCB, en ningún caso es aconsejable aplicar vapor a este proceso, ya que la humedad dañaría el papel.
Se utilizó una plancha de ropa convencional (sin vapor) para transferir la imagen del papel a la placa PCB, en ningún caso es aconsejable aplicar vapor a este proceso, ya que la humedad dañaría el papel.
La plancha se calentó al nivel alto de temperatura (entre 150º y 165º). Se realizó el planchado colocando la placa sobre el paño con papel de transferencia hacia arriba. Se realiza el planchado como se muestra en la imagen Nº 7
Foto Nº 7 Planchado de la Placa de Cobre  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Durante 5 minutos se estuvo aplicando calor, con algo de presión y haciendo movimientos en círculo, sobre toda la superficie de la placa, haciendo énfasis en los bordes, trascurridos estos 5 minutos, se revisaron las esquinas levantando levemente el papel en las puntas, al observar que el tóner del papel se encontraba bien adherido la superficie de la placa de cobre, se retiró la plancha, teniendo el cuidado necesario al manipularla por lo caliente que se encontraba, en este punto del proceso fue necesario la utilización de guantes.
Enfriamiento
Foto Nº 8 Enfriado de la placa  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Se dejaron trascurrir 10 minutos sumergida la placa en el agua fría, para que poco a poco desprenda el papel de la placa, para terminar de eliminar el resto del papel fue necesario, colocarla debajo del grifo y con un chorro de agua se fue quitando papel con cuidado.
Foto Nº 9 Retiro del papel transfer de la placa de cobre |
| Fuente: Contreras (2014) |
Se fue frotando suavemente la superficie con la yema de los dedos húmedos para quitar los restos de papel sobrante.
Se retiró del agua y se dejó secar la placa, revisando cuidadosamente, en busca de alguna imperfección. Con la ayuda de un marcador permanente punta fina se repasaron las imperfecciones con un en los lugares donde las pistas no se marcaron bien. Importante es eliminar todos los restos de papel. En la imagen Nº 10 se observa como todavía quedaban restos de papel.
Se retiró del agua y se dejó secar la placa, revisando cuidadosamente, en busca de alguna imperfección. Con la ayuda de un marcador permanente punta fina se repasaron las imperfecciones con un en los lugares donde las pistas no se marcaron bien. Importante es eliminar todos los restos de papel. En la imagen Nº 10 se observa como todavía quedaban restos de papel.
Foto Nº 10 Resultado del proceso de termo transferencia |
| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 5
Quemado de las pistas
Para la utilización del cloruro férrico se tomaron las precauciones de manipulación de productos químicos. Aunque este producto no representa mayor peligro para la piel, siempre es necesario tener precaución.
(El cloruro férrico se puede conseguir en polvo como liquido)
Para este caso se utilizó tanto en líquido para la tarjeta de control y en polvo la tarjeta de potencia, para el segundo caso se realizó el siguiente procedimiento.
En un recipiente de vidrio o plástico (nunca en envase metálicos) se procedió a mezclar en agua tibia tantas partes de cloruro férrico, se mezclaron con una paleta de vidrio hasta disolver completamente el cloruro férrico.
Se vertió el cloruro férrico disuelto en un envase lo suficientemente grade en el que se pueda sumergir completamente la placa de cobre como se muestra a continuación
(El cloruro férrico se puede conseguir en polvo como liquido)
Para este caso se utilizó tanto en líquido para la tarjeta de control y en polvo la tarjeta de potencia, para el segundo caso se realizó el siguiente procedimiento.
En un recipiente de vidrio o plástico (nunca en envase metálicos) se procedió a mezclar en agua tibia tantas partes de cloruro férrico, se mezclaron con una paleta de vidrio hasta disolver completamente el cloruro férrico.
Se vertió el cloruro férrico disuelto en un envase lo suficientemente grade en el que se pueda sumergir completamente la placa de cobre como se muestra a continuación
Foto Nº 11 Cloruro férrico líquido para la Etapa de Control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 12 Cloruro férrico en polvo para la Etapa de Potencia |
| Fuente: Contreras (2014) |
Este procedimiento se llevó a cabo en un sitio ventilado, al sumergir la placa de cobre con movimientos suaves, el proceso tarda varios minutos dependiendo del tamaño y la cantidad de cobre que se va a eliminar de la placa. Este proceso fue de observación, cada cierto tiempo la se saco y observo a contraluz el proceso que quemado de las pistas, cuando las pistas estuvieron bien definidas y el cobre se eliminó por completo de las zonas deseadas, la placa se retiró y lavo con agua.
A continuación se muestra el proceso de quemado de la placa de cobre sumergida en ácido durante 5 minutos.
Paso 6
A continuación se muestra el proceso de quemado de la placa de cobre sumergida en ácido durante 5 minutos.
Foto Nº 13 Proceso de quemado en ácido de las placas PCB |
| Fuente: Contreras (2014)
Transcurridos 7 minutos podemos observar en la imagen continuación que la placa de cobre se encuentra bien definidas las pistas observándose a contra luz, esto significa que el proceso de quemado ha culminado
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Foto Nº 14 Vista a contraluz del grabado de las pistas  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Lavado y secado final
Una vez fue sacada la placa del ácido se enjuagó con abundante agua para que el ácido no siguiera el proceso de quemado.
Fue necesaria la utilización de un cepillo y jabón para retirar el excedente de tóner de las pistas, y utilizar un papel lija de grano fino (500)
Fue necesaria la utilización de un cepillo y jabón para retirar el excedente de tóner de las pistas, y utilizar un papel lija de grano fino (500)
Foto Nº 15 Aclarado de la placa PCB con lija fina |
| Fuente: Contreras (2014)
El resultado final del quemado de la placa de PCB se puede observar en la siguiente imagen
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Foto Nº 16 Resultado final del Grabado las pistas en la placa PCB |
| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 7
Programacion de los PIC 16F73
Para la elaboración de la tarjeta electrónica se utilizó un PIC 16F73deMicrochip, el cual cuenta con 28 pines, y una capacidad de ejecución de instrucción de 200 nanosegundos,es un microcontrolador de 8-bit,con 5 canales de 8 bits (A / D) analógico a digital con 2 temporizadores adicionales, 2 Capturas / Comparación / PWM entre otras funciones, Todas estas características hacen del PIC16F73 ideal para las aplicaciones más avanzadas de nivel A / D en los aparatos de automoción, industriales y de control.
Entre características principales por la cual se eligió este microcontrolador fue su costo, y su funcionalidad a la hora de trabajar.
Foto Nº 22 PIC 16F73
Las entradas y salidas de datos se aginaron a cada PIN del PIC 16F73 siguiendo el proceso que se muestra a continuación:
Programación del PIC 16F73
Siguiendo la configuración de los Pines de microcontrolador se procede a programar el PIC 16F73 en lenguaje Assembler esta programación se aplica a los tres microcontroladores de la etapa de control
Se midió y se cortó una cubierta plástica frontal, donde se colocaron las respectivas entradas para las conexiones, una regleta para la alimentación (5V 12V) el conector para los finales de carrera, el puerto paralelo, y un interruptor de corriente para toda la unidad.
Instalación de los FC (Finales de Carrera)
Para la instalación de los FC fue necesario la perforación de la maquina CNC para colocar interruptores N/A que servirán como interruptor de límite de cada eje, se instalan de forma tal que sirvan de paro o interrupción del movimiento de los motores cuando este próximo a los límites físicos de la máquina.
En la figura que se muestra a continuación se puede observar como quedaron instalados los FC en el eje Z.
Prueba del circuito
Con un probador de continuidad o tester, se probó la continuidad de las pistas del circuito, en busca de algún corto entre pistas o la falta de continuidad en alguna de ellas, que a simple vista no se puede detectar.
Paso 8
Taladrado de la placa
Una vez seca y limpia la placa de cobre, se procedió a taladrar la placa, para lo cual se utilizó un taladro de banco que aceptara brocas de 1 mm. Para esto se fijó en una tabla evitando que se moviera al momento de taladrar.
Foto Nº 17 Perforación de la placa PCB  |
| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 9
Eliminar rebabas
Con un papel de lija de grano fino, (500) se eliminaron las rebabas de los agujeros. Luego se limpió de nuevo con alcohol y un trapo limpio.
Paso 10
Soldadura de componentes
Utilizando como guía el diseño de PROTEUS, se seleccionaron y ubicaron los componentes electrónicos que se iban a utilizar.
Foto Nº 18 Soldadura de los componentes en la placa de cobre |
| Fuente: Contreras (2014) |
Con un cautín (soldador de estaño) de 40W se realizaron las respectivas soldaduras de cada uno de los componentes directamente a la placa de cobre como se muestra en la imagen
Foto Nº 19 Soldadura de los conectores de los motores |
| Fuente: Contreras (2014) |
En el caso de los PIC 16F73 no se soldaron directamente a la placa de cobre, en este caso se utilizaron zócalos para este tipo de componentes, ya que en caso de ser necesario su remplazo no se tendrá que desoldar nada.
Foto Nº 20 Resultados de la placa PCB |
| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 21 Resultado final de la Etapa de Control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Para la elaboración de la tarjeta electrónica se utilizó un PIC 16F73deMicrochip, el cual cuenta con 28 pines, y una capacidad de ejecución de instrucción de 200 nanosegundos,es un microcontrolador de 8-bit,con 5 canales de 8 bits (A / D) analógico a digital con 2 temporizadores adicionales, 2 Capturas / Comparación / PWM entre otras funciones, Todas estas características hacen del PIC16F73 ideal para las aplicaciones más avanzadas de nivel A / D en los aparatos de automoción, industriales y de control.
Entre características principales por la cual se eligió este microcontrolador fue su costo, y su funcionalidad a la hora de trabajar.
Foto Nº 22 PIC 16F73
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| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 23 Diagrama de funcionamiento
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| Fuente: Contreras (2014) |
Siguiendo la configuración de los Pines de microcontrolador se procede a programar el PIC 16F73 en lenguaje Assembler esta programación se aplica a los tres microcontroladores de la etapa de control
Foto Nº 24 Programación en Assembler
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| Fuente: Contreras (2014) |
Paso 11
Fabricación Chasis
Para la fabricación de la cubierta se utilizó las viejas unidades de CD de PC, con la que previamente se tomaron como media para realizar los circuitos en la placas de cobre, con el fin de que se alojen dentro esta, todos los componentes electrónicos que conforman la unidad de control.
Foto Nº 25 Perforación de las entradas de aire forzada
Foto Nº 25 Perforación de las entradas de aire forzada
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| Fuente: Contreras (2014) |
Se perforó la cubierta superior donde se colocaron los ventiladores que permitirá la circulación de aire dentro de la unidad, para que disipe el calor dentro de esta y mantener la temperatura de los componentes cuando está en funcionamiento.
Foto Nº 26 Puntos de fijación de los fan cooler
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| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 27 Fabricación de la tapa frontal de la unidad de control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Foto Nº 28 Rotulado de la unidad de control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Se rotulan las entradas y salidas y los conectores en la unidad de control utilizando un plotter de corte, se procede a pintar el chasis con una pistola de aerografía como se muestra en la figura Nº 29.
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| Fuente: Contreras (2014) |
Una vez que se realizaron todas las conexiones internas de la unidad, se procedió a armarla y fijar la cubierta, verificando que todo quedará instalado correctamente.
Foto Nº 30 Ensamble final de la unidad de control |
| Fuente: Contreras (2014) |
Salida para los Motores con conectores (BD9)
Con la finalidad de hacer mucho más práctico la instalación de la tarjeta de control con los motores paso a paso, se realizó una base donde se ubicaron las salidas de los motores paso a paso a través de tres (03) conectores BD9 alineados en la tapa frontal de un segundo chasis, unidos al chasis de la tarjeta de control como una sola unidad, a continuación se muestra el procedimiento.
Se midió y se ubicaron de forma tal que tuvieran el espacio suficiente para la conexión del cable BD9. Se perforo la tapa plástica con un DREMEL para hacer espacio para los conectores de salida BD9 Hembra como se muestra en la figura Nº 31.
Foto Nº 31 Salida de los motores a través de conectores (BD9)
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| Fuente: Contreras (2014) |
Una vez fijados los conectores de salida (BD9 Hembra) en la tapa frontal, se midió y probo que los cables conectores (BD9 Macho) ajustarán correctamente.
Foto Nº 32 Cables conectores BD9 para los motores paso a paso
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| Fuente: Contreras (2014) |
Se soldaron los cables correspondientes a cada conector como se muestra a continuación en la figura Nº 41 utilizando en lo posible la misma configuración de colores para los cables, de esta forma se hizo más fácil conectar los cables a la salida de la Etapa de Potencia.
Foto Nº 33 Cableado de las salidas de motores BD9
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| Fuente: Contreras (2014) |
Realizada la soldadura de los cables se fijó al segundo chasis el cual una vez armada, se acoplo a la base de la tarjeta de control a través de tornillos, como se puede ver en la siguiente figura.
Foto Nº 34 Ensamble e instalación de la unidad de control en la PC
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| Fuente: Contreras (2014) |
Después de que la unidad de control está completa se introduce en el case del computador para verificar que esta ajuste correctamente. Fue necesario retirar una unidad de CD para tener el espacio suficiente al instalarla.
Fase de Instalación
Para esta etapa la unidad de control había sido ensamblada y probada, antes de instalarla a la computadora.
Todos los diagramas de conexión e instalación que se describen a continuación se realizaron con el fin de que el computador y la tarjeta de control con su fuente de alimentación quedaran todos como una misma unidad de control.
Para esto es necesario tener el espacio suficiente dentro del case de la computadora que permita alojar la fuente de 12V para los motores, así mismo es necesario tener libres dos espacios contiguos para unidades de CD-DVD en la parte frontal del case, donde será instalado la unidad de control del CNC
La instalación eléctrica interna se realizó con conectores tipo regleta, que permiten el fácil ensamble y desarme de todos los componentes que forman parte de la unidad de control.
Para la instalación de todos estos componentes fue necesario realizar algunas modificaciones en el case de la computadora
Foto Nº 35 Diagrama de conexión de la unidad de control  |
| Fuente: Contreras (2014) |
El esquema de conexión general se observa la conexión de todos los componentes necesarios para óptimo funcionamiento de CNC.
La ubicación de todos los componentes dentro del case se muestran continuación.
Foto Nº 36 Instalación de la unidad de control dentro de la PC |
| Fuente: Contreras (2014) |
En la figura que se muestra a continuación se puede observar como quedo instalada la unidad de control en el case del computador.
Foto Nº 37 Unidad de control instalada
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| Fuente: Contreras (2014) |
Para la instalación de los FC fue necesario la perforación de la maquina CNC para colocar interruptores N/A que servirán como interruptor de límite de cada eje, se instalan de forma tal que sirvan de paro o interrupción del movimiento de los motores cuando este próximo a los límites físicos de la máquina.
En la figura que se muestra a continuación se puede observar como quedaron instalados los FC en el eje Z.
Foto Nº 38 Instalación de Finales de Carrera en el eje Z
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| Fuente: Contreras (2014) |
Del mismo modo se realizó para los ejes X, Y, en la figura se observa la instalación FC del eje Y.
Foto Nº 39 Instalación de Finales de Carrera en el eje Y
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| Fuente: Contreras (2014) |
lo felicito por este aporte que ayuda al conocimiento y al desarrollo
ResponderEliminarde personas que quieren qprendes grqsias y que dios lo bendiga