2020-11-26

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Electronica Practica Aplicada

                    Cómo empezar.         parte1

INICIO.

Empecemos por decir que una máquina CNC (es un sistema Control Numérico por Computador que utiliza software de computadora y electrónica para su control) es en definitiva una máquina que controla un grupo de motores con el objetivo de ponerle una herramienta para que realice un trabajo de precisión. Estas máquinas existen desde 1950, no han gozado de popularidad hasta estos últimos años además hasta hace muy poco tiempo era imposible tenerlo en casa, su precio era prohibitivo. Gracias al avance de las tecnologías podemos crear modelos más pequeños pero igual de precisos y disponer de una de estas máquinas. Siempre he tenido (no creo ser el único que sienta curiosidad por estas máquinas) interés por tener una CNC ya las venden económicas, sin embargo, pienso construir mi máquina desde cero.

Si esta pensando en construir un enrutador CNC, antes de empezar debe tener en cuenta y responderse unas preguntas que aunque sencillas le van a ser de gran ayuda y posiblemente le ahorren algún que otro desengaño y puede que parte de sus ahorros.

¿O sea, que está interesado y casi decidido a construir su CNC casero o lo quiere considerar? Le han parecido interesantes las posibilidades que le ofrece una máquina de estas, y no sabe ¿por donde empezar? Los CNC caseros tientan a cualquier aficionado al bricolaje, esto le abre muchas puertas, porque pueden cortar y tallar muchas cosas y está la cuestión económica. Usted puede adquirir uno o incluso construirse uno usted mismo por un costo bastante atractivo e incluso sacarle partido.

En efecto, puede construir ese CNC que ha estado pensando o es muy probable que ya tenga un diseño en mente, que sea tan bueno y con tanta precisión como cualquier otro, claro que no es fácil pero con interés puede hacerlo, puede ser una experiencia gratificante. La ventaja de construir su propia máquina es la gran flexibilidad a la hora de diseñar, puede personalizar su máquina para que se adapte mejor a sus necesidades. ¿Porqué tanta gente queremos construir nuestro propio CNC? por hobby o porque simplemente no podemos permitirnos el lujo de comprar uno en ese instante y esa es una razón tan buena como otra cualquiera.

Responda a su primera pregunta ¿Qué tamaño necesita? Piense generalmente que trabajos va ha realizar, añádale unos cuantos centímetros en los ejes X e Y de margen y tendrá parte de la respuesta.

¿Cuánto está dispuesto a invertir? Esta pregunta le hará pensar. Desde mi propia experiencia puedo decir que empecé por diseñar las partes mecánicas básicas utilizando FreeCAD (esta es una herramienta libre muy sencilla y fácil de aprender), para luego llevar a la realidad las piezas o sea, un tiempo a invertir, espacio donde trabajar, los materiales y las piezas y luego está la parte económica que puede estar alrededor de los 250 a 300 € como mínimo y más tiempo.

A la hora de diseñar su CNC cabe decidir que tipo realizar ¿Pórtico móvil o pórtico fijo? Piénselo detenidamente, la respuesta es muy importante. Ya sé, piensa en qué basarse para tomar una decisión sobre que tipo le interesa. Vamos a describir muy superficialmente los pros y los contras de cada tipo un poco más adelante.

Existen numerosas ventajas al diseñar y construir un enrutador CNC para aficionados. Diseñar y construir cualquier máquina tiene el potencial de ser una buena o mala experiencia, en este caso dispone de parte mecánica y parte electrónica, que le hace al sistema algo más complejo.

Y aquí tiene la siguiente pregunta ¿Qué material va a cortar? ¿Metales o madera, PCB, aluminio y otros materiales no férricos? Es muy importante su respuesta le indicará la potencia aproximada que necesitará aplicar al conjunto de la electrónica y los motores.

¿De qué material va a construir su máquina? El armazón es de aluminio, es de madera MDF o madera contrachapada. Si es de aluminio, su CNC tendrá una robustez adecuada y larga duración. Si utiliza Baquelita, o madera MDF, obtendrá un CNC con unas prestaciones relativas a dichos materiales. Si ha decidido utilizar madera contrachapada de 19 m/m o más, su CNC tendrá una gran flexibilidad y una adecuada consistencia para sus trabajos.

Las preguntas anteriores las podría responder desde una perspectiva de cierta lógica, ahora, la pregunta que sigue es algo más compleja, pues usted normalmente no tiene ninguna experiencia al respecto.

Las capacidades que tienen estas máquinas les permiten crear formas complejas que un buen artesano sería incapaz. De modo que en los últimos 10 años ha crecido el número de empresas y aficionados que invierten en un CNC, incluso sin estar preparados para afrontar el reto que representa su creación. Ese es el motivo principal de este artículo en el que tratare de describir algunos conceptos básicos, así como, la ‘jerga’ asociada a los sistemas enrutadores o CNC.

Las partes principales.

Vamos a identificar las partes principales que componen estas máquinas y su interacción para que funcione.


Fig. 1 Ejes del CNC

Por sus características un CNC puede moverse y cortar en tres direcciones a las que comúnmente se hace referencia como direcciones X, Y y Z. El eje X suele ser el de mayor recorrido de adelante a atrás, luego está el eje Y que se mueve de izquierda a derecha y el eje Z que corre de arriba a abajo, en la imagen anterior se pueden ver las etiquetas respectivas.

Básicamente podemos considerar dos tipos de enrutadores o CNC, CNC de madera y CNC de metal. El CNC de madera funciona casi igual que otra máquina CNC, como ya se ha dicho utiliza software de computadora y electrónica de control CNC para mover y controlar su sistema mecánico, según su configuración puede lograr una precisión y resultado final mucho mejores que los de un operario humano cualificado. Por sus características estas máquinas son muy eficientes debido a que tienen una gran capacidad de trabajar en las tres direcciones casi al unísono.

En la siguiente figura 2 podemos identificar los principales componentes, la mayoría de los enrutadores tienen estos componentes en común en una máquina CNC genérica, una máquina CNC demás hay muchos componentes adicionales.


Fig. 2 Etiquetas de los componentes comunes de un CNC.

El controlador CNC y el sistema informático (PC) trabajan juntos como un ‘cerebro’ en estas máquinas manejando los motores y al sistema de transmisión en cuanto y en que dirección moverse. La mayoría de los CNC empiezan con un dibujo en formato digital dxf, o stl, etc. el usuario utilizando un sistemas de software y el software proporcionado del controlador CNC, ambos elementos de software convierten la imagen digital de 2D o 3D en un código llamado código G, de las rutas que la herramienta de corte utilizará para realizar el trazado según el dibujo.

A continuación la computadora convierte dichos comandos en señales digitales que envía al controlador CNC, el cual convierte la señal digital en una serie de tensiones y corrientes para controlar los sistemas de accionamiento mecánico. Generalmente es un quita y pon (plug and play), además la interfase de usuario varía dependiendo del tipo o el fabricante, pero el proceso es el mismo.

El Husillo.

El husillo (spindle en inglés) es la parte de la máquina encargada de realizar el corte. Los husillos de los CNC se clasifican según su potencia en vatios, existe una variedad de tipos de husillos unos hechos para madera, otros para metal, otros para láser, etc. hay muchos factores involucrados al elegir un husillo para su máquina CNC casera. Si piensa en adquirir una máquina CNC industrial, antes de decidirse infórmese bien sobre las capacidades del husillo, las empresas que venden enrutadores CNC hacen un buen trabajo al mostrar las capacidades del husillo, informan de nuestra máquina ofrece un enrutador de 7 HP, la mayoría de las personas comprenden fácilmente estas cifras mucho más que los rodamientos lineales y la información de los tornillos de avance, lo que establece un vínculo directo con las capacidades de la máquina. El husillo cuando gira, dispone de un porta herramientas de corte como brocas, que son las que realmente realizan el corte al girar a diferentes velocidades. La velocidad de los husillos diseñados para corte como madera, plástico u otros materiales blandos suele tener un rango de 8000 a 30000 revoluciones por minuto, los diseñados para cortar metales operan entre las 2000 y 10000 rpm. Si se encuentra cerca de vecinos o de su propia casa, considere el nivel de ruido.


Fig. 3 Aspecto de los husillos.

Aunque hay una amplia gama de husillos, mire los tipos y características, rangos de precios, problemas de montaje, considere tipos y características, los precios generales de diferentes tipos de husillos, formas de montar un cabezal de husillo, hay muy pocas formas de hacerlo correctamente, la potencia de los husillos refrigerados por aire pueden alcanzar los 1’5KW a la tensión de 220V. Estos motores se caracterizan por un alto rango de velocidades, el porta brocas del motor de husillo más extendido es el ER11 (3.175 mm, 4 mm, 6 mm). Por lo general la mayoría de los CNC pueden cortar metales normalmente se trata de metales no ferrosos como el aluminio o cobre. Para cortar metales o compuestos, el husillo emplea herramientas a base de carbono a altas velocidades de corte, es habitual y necesario un sistema de refrigeración que enfríe tanto el material que está cortando como la propia herramienta. Algunos sistemas manejan la velocidad del husillo mediante el controlador CNC que regula las revoluciones en función del material a cortar y la velocidad de movimiento de la máquina o traslación.

La cama de corte.

La cama de corte es el lugar donde ocurre toda la acción de la máquina. La cama de corte está diseñada para sujetar de forma segura la pieza de material que se está cortando. La parte superior de la mesa del enrutador CNC, también llamada plataforma de corte, es donde se produce la magia del corte, esta pieza puede hacer que la vida de un operador de CNC sea agradable o una pesadilla.


Fig. 4 Mesa metálica de corte.

Son muchos los que cuando compran un CNC a menudo pasan por alto el tipo de tablero o mesa de corte y se subestima su importancia. Hay un amplio espectro de tableros, T-slot, mesa de vacío, tablero perforado o mesa desechable. En su trabajo de creación de modelos es probable que utilice distintos tipos de materiales y formas y es probable que se incline por un modelo de ranura en T, la cual ofrece numerosas formas de sujeción, también es posible que esté realizando el mismo tipo de producto a menudo, lo que lo direccionará hacia un estilo u otro. Si está construyendo su propio CNC, sus opciones se limitaran salvo que su presupuesto lo permita, no obstante, aún dispone de muchos materiales para cubrir su mesa de cortar.

La parte superior de la mesa del enrutador de una máquina casera es una consideración muy importante, el presupuesto casi siempre se inclina hacia un tablero MDF, personalmente creo que es mejor debido a su versatilidad, por lo tanto la estructura de la mesa no debe pasarse por alto.

Aunque los conceptos de los enrutadores CNC son bastante sencillos, rápidamente puede sentirse abrumado en el proceso no deje que esto se interponga en tu camino. Estos consejos están para evitar que cometa errores que puedan costarle tiempo, dinero y decepciones, no se pretende restar opciones a ninguna de sus ideas, sino complementar su proyecto con información valiosa.

Estilo de enrutador CNC.

Podemos encontrar dos estilos distintos de enrutador CNC para aficionado, que parecen iguales, sin embargo, sus diseños son sustancialmente diferentes, estos son los dos estilos que podemos encontrar.

  • Pórtico fijo, cama móvil.
  • Pórtico móvil, cama fija.

En las siguientes imágenes se muestran ambos modelos.


Fig. 5 CNC con pórtico fijo y con pórtico móvil.

Veamos con un poco más de detalle los pros y contras a estos diseños.

Diseño Cama móvil.

Al parecer la comunidad de enrutadores CNC de aficionados es menos propensa al diseño de pórtico móvil, aunque existen razones para elegir el tipo de diseño de cama móvil. El diseño de la cama móvil se encuentra normalmente en máquinas CNC más pequeñas, como para cortar PCB o máquinas de grabado, el diseño de la cama móvil funciona bien para máquinas de este tamaño. Una ventaja de este diseño es que el pórtico es fijo no tiene que ser ligero ni ajustarse a un tamaño determinado para adaptarse a sus rodamientos lineales, por lo que es mucho más fácil crear un pórtico resistente que no se flexione bajo carga. En el diseño de la cama móvil, como se ha dicho el pórtico no se mueve, por lo tanto, tiene más ventaja con respecto al peso, tamaño y diseño estructural, por contra, existen desventajas con este tipo de diseño a medida que aumenta la longitud del eje X, el diseño de la cama móvil se vuelve menos eficiente.

Por todo lo dicho, el diseño de la cama móvil si lo elije, es una máquina más pequeña que será compacta y relativamente fácil de construir, que ofrece un pórtico rígido pero que limita el tamaño total. Actualmente, hay kits de enrutadores CNC caseros asequibles, pero todavía tiene que encontrar alguien que le dé alguna explicación sobre lo que realmente puede hacer.

¡Un momento por favor! ¿Por qué motivo tenemos que pensar que nuestra máquina ha de ser precisamente más pequeña? Por ejemplo una máquina enrutadora CNC ha de tener un eje X de 100 cm. y un eje Y de 50 cm. atendiendo a lo expuesto más arriba, esto se vuelve menos eficiente. Como el peso del pórtico en este caso no es determinante, es cuestión de plantear un pequeño pero efectivo cambio a la hora de diseñar nuestra máquina CNC, nuestro diseño tendrá un eje X de 50 cm de largo y un eje Y de 100 cm de ancho, de forma que compensaremos la eficiencia estimada. Serán necesarias varillas deslizantes de 14 o 18 m/m de Ø, al igual que los rodamientos lineales, por el peso estimado a soportar el eje Y.


Fig. 6 Juego piezas CNC eje óptico carcasas, cojinetes y guía de aluminio.

Diseño pórtico móvil.

Existen numerosas ventajas al diseñar y construir un enrutador CNC para aficionados, los diseños de pórtico móvil es muy versátil, representan el 95% de estos enrutadores CNC, además es similar al de cama móvil. La diferencia es que todo el pórtico se mueve a lo largo del eje X, lo que le da la ventaja de que el tamaño es prácticamente limitado por el propio diseño. El gran inconveniente es diseñar un pórtico que sea bastante ligero, se ajuste al tipo de conjunto de cojinetes lineales y que aún ofrezca poca flexibilidad bajo carga. En concreto, si está construyendo algo que no sea una máquina pequeña, sugiero que ésta sea su elección de diseño.

El área de corte es la distancia total que la máquina puede cortar a lo largo de cada eje, es una buena idea tener claro el tamaño de la pieza que desea poder cortar, quizás más adelante, puede encontrar que está limitado a un cierto tamaño debido a los materiales, espacio del local u otros factores. Tenga presente que esta es una de esas decisiones que probablemente cambiará a medida que busca piezas como los cojinetes lineales que probablemente serán sus principales restricciones.

Tolerancia.

Veamos el concepto de precisión y exactitud. Definición, la precisión se refiere al grado de proximidad o cercanía de los resultados de diferentes mediciones entre sí, mientras que la exactitud es la cercanía del valor de una medición al valor real de aquello que se mide. Un aspecto importante de la precisión tiene que ver con la repetibilidad.

Por ejemplo. Si nos pesamos en una báscula tres veces y cada vez es diferente, pero cercano al peso real (báscula exacta). Si nos pesamos tres veces en otra báscula y todos los valores están muy próximos entre sí, pero alejados del peso real (báscula precisa).

¿Qué es mejor una buena precisión o una buena exactitud? esto depende del objetivo. En el caso del ejemplo, si queremos comprobar cuánto pesamos preferiremos la báscula exacta, pero si estamos a dieta y queremos ver la evolución de nuestro peso, nos servirá mejor una báscula precisa. Así pues, el concepto de exactitud se refiere a la capacidad de obtener valores o indicaciones próximas al valor verdadero de la magnitud medida. Por otro lado la idea de precisión refleja la capacidad de obtener valores próximos entre sí al efectuar mediciones repetidas.


Fig. 7 Concepto. Precisión <=> Exactitud.

¡Ahora empieza lo bueno! Quiere diseñar y construir su propia máquina que tenga cierta exactitud y precisión, que le sea posible cortar una pieza que esté dentro de 0’001 de milímetro y una repetibilidad que puede ser de 0’1 m/m. Hay formas de diseñar la máquina para mantener cierta tolerancia, es decir, si sabe que solo necesita una tolerancia de 0,01 milímetro y sabe que es todo lo que necesitará, puede ahorrar mucho dinero diseñando para ese requisito. Muchos aficionados diseñan y construyen un CNC por pasatiempos y viven con sus resultados o siguen ajustándole para obtener los resultados que desean.

En cambio, si desea que una máquina tenga una tolerancia repetible de 0,001 m/m, existen algunos requisitos de diseño que deben cumplirse para obtener el rendimiento requerido. Normalmente los CNC de pasatiempo típicos tienen una tolerancia de 0’01 a 0’001 m/m, llegados aquí, todo depende de usted necesita hacerse una idea de qué tipo de tolerancia necesita, sin perder de vista que cuanto más grande sea la máquina, más costoso será mantener las tolerancias estrictas.

Cuando construya su máquina debe basarse en 3 criterios: presupuesto, herramientas con las que debe trabajar y materiales disponibles. Es difícil decir qué material es mejor, ya que varía con el diseño. Es muy importante elegir sus materiales con anticipación, probablemente integrará muchos materiales, el material que constituirá el armazón o sea, la mayor parte de su máquina.

Una buena idea es anotar en una hoja de papel todas las herramientas con las que tiene que trabajar y luego piense en qué material puede trabajar. Si se siente limitado porque sólo dispone de un taladro y una sierra de mano no crea que no puede crear un enrutador CNC de aficionado, es bastante normal construir un enrutador CNC básico y luego usarlo para construir uno mejor. Dicho método suele funcionar en caso de disponer de herramientas limitadas.

Sistemas de movimiento lineal

El sistema de movimiento lineal es de vital importancia, sin el cual serían de poca utilidad en cualquier tipo de máquina lineal y los enrutadores CNC no son una excepción. Tenga en cuenta que el sistema LM (movimiento lineal) puede ser una de las características más costosas y difíciles de una máquina, motivo por el cual es imperativo hacerlo bien la primera vez. Además de soportar la carga el sistema LM también debe proporcionar un movimiento lineal preciso con una fricción mínima, dicho sistema está directamente relacionado con la precisión del enrutador CNC.

Dichos sistemas LM también deben poder soportar cargas secundarias, como torsión o cargas laterales, dependiendo de la configuración. Algunos sistemas LM requieren solo capacidades de carga unidireccionales, por soportar una carga vertical como un peso, así, el eje Y en un CNC es necesario para soportar las cargas verticales causadas por el peso del conjunto del eje Z y también soportar las fuerzas de torsión causadas por la acción de corte, un CNC de calidad tendrá sistemas LM totalmente compatibles en todos los ejes. Los sistemas LM deben ser totalmente compatibles en toda la longitud del sistema sin sacrificar la precisión lineal debido a la deflexión.

Dada la importancia del sistema de guías lineales (rieles, bloques guía, varillas y bujes) es de especial interés para el constructor que conozca los distintos tipos de guías lineales. Normalmente están compuestos por unas guías o varillas de distintos diámetros y algún tipo de rodamiento lineal, puede elegir entre varios cojinetes y guías, cada uno con ventajas y desventajas.

 
Fig. 8 Guías lineales deslizantes.

Al sistema LM (movimiento lineal) le corresponden tres tareas:

	Apoyo de los componentes de la máquina.
	Guiar a la máquina en su movimiento lineal preciso.
	Soportar cagas secundarias.

La calidad y rendimiento de las correderas de movimiento lineal han mejorado drásticamente en los últimos años. Casi todas las máquinas fresadoras CNC actuales utilizan sistemas de rodamientos lineales de calidad. Evidentemente si está construyendo un enrutador CNC para aficionados o de gama baja, es importante que pueda identificar dichos sistemas de calidad, en las imágenes puede tener una idea de algunos estos tipos.



Fig. 9 Algunos tipos de guías deslizantes de calidad.

Entre todos los tipos de guías deslizantes que le suministra el comercio, debe elegir la que mejor de adapte a sus necesidades, vigilando los parámetros más destacados para evitar problemas posteriores, el peso que tiene que soportar y la posición relativa en la máquina son dos parámetros a tener muy en cuenta, considere que su tamaño y rigidez son determinantes. Una varilla de 8 mm tiene un factor de flexión mayor que una varilla 10 mm, si optamos por la de 8 mm pesará menos pero su posible flexión puede comprometer la precisión esperada, esto es sólo un ejemplo para cualificar el tipo más adecuado que vayamos a elegir, no se precipite es importante.

Otro de los componentes mecánicos de accionamiento en el CNC que impulsan la máquina a lo largo de cada eje con un sistema de transmisión son los motores, los piñones, el husillo de bolas o de avance y cremallera. Básicamente la idea general de un sistema de accionamiento es bastante simple, se trata de convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal controlado con la ayuda de un controlador CNC. La mecánica desarrollada actualmente puede ser complicada, lo que lleva a muchos aficionados al CNC a perderse al intentar elegir el sistema de accionamiento correcto para configurar su CNC. Dicho sistema tiene una relación directa con las capacidades de la máquina ya que comprende el sistema de accionamiento del enrutador CNC.

Son una parte determinante en la precisión de la máquina, con solo algunos componentes, puede controlar la velocidad de corte, la fuerza de corte y la propia precisión de la máquina. Si está comprando una máquina CNC, es mejor saber qué tipo de componentes de transmisión están instalados con esos datos tendrá una idea de las capacidades y la vida de la máquina, sobre todo si es una maquina usada para saber qué tipo de componentes están instalados, cuánto desgaste tienen y si podría comprar piezas de repuesto si es necesario.


Fig. 10 Tipos de husillos y tuercas.

En cuanto a los tipos de rosca para tornillos de avance, es un tema que trataremos de forma superficial porque abarca bastante documentación más dirigida a las formas y mecanización que están fuera de este artículo. No obstante, si diremos que podemos encontrar varillas sencillas coscadas del ámbito industrial por métrica M8, M10 u otras medidas, luego tenemos varillas trapezoidales de simple pitch (paso), doble pitch o cuádruple pitch. El tornillo de avance acme es el más utilizado en los Estados Unidos, los tornillos ISO Metric Trapezoidal se encuentra en los sistemas CNC europeos. Las roscas estándar M8 se utilizan en enrutadores CNC para aficionados con cierto éxito, pero no se recomienda para máquinas de bajas cargas y de aproximadamente 30 cm más o menos. Viendo la cara de la varilla se puede apreciar si es de una dos o cuatro pasos, para una idea más clara, véase la imagen siguiente.


Fig. 11 Tornillos de roscas diferentes pasos.

Es posible que tenga una idea de cómo asegurar la fijación del tornillo de avance de la máquina, pero si no, no hay problema. No siempre tiene que diseñar pensando en los más rígidos de los cuatro. En realidad, muchos fabricantes de CNC de bricolaje tienen un sistema de tipo compatible. Solo tiene que conocer las limitaciones que cada tipo impone en su sistema, y ​​no sobrecargar ni girar demasiado el tornillo para ese tipo de fijación dado. Debemos ser conscientes de valorar los pesos de los conjuntos móviles individuales, aunque por ser un tema a parte no cubriremos los pesos, velocidades, aceleraciones, fuerzas de la columna, la longitud y extensión del tramo de cada tornillo de avance y los cojinetes de soporte.

De forma somera sobre el soporte se dice:

Libre a un extremo libre que no tiene bloque de soporte ni cojinete. 
Apoyado a un extremo apoyado que tiene un solo sistema de cojinetes. 
Fijo a un sistema fijo que tiene el tornillo de avance fijo en su lugar (tuerca giratoria).


Fig. 12 Tipos de soportes.

Creo que es hora de mostrar los trabajos que he estado realizando mientras conseguía la información que he expuesto hasta este momento, luego abordaremos la parte eléctrica, electrónica y el software que requiere este tipo de máquinas enrutadoras CNC.

Se supone que a estas alturas ya tendrá un buen conocimiento de cómo funciona un enrutador de madera CNC o cualquier enrutador CNC en general y debería estar hablando la jerga de CNC como un profesional.

sigue la parte2…