Resumen .............................................................................................................................................. 7 1 Introducción ..................................................................................................................................... 8 1.1 Objetivos ................................................................................................................................... 8 1.1.2 General ............................................................................................................................... 8 1.1.3 Específicos ......................................................................................................................... 8 2 Control numérico ............................................................................................................................. 8 2.1 Mini centro de maquinado......................................................................................................... 9 2.2 Componentes ............................................................................................................................. 9 2.2.1 Husillo principal ................................................................................................................. 9 2.2.2 Cabeza del mandril ............................................................................................................. 9 2.2.3 Mesa ................................................................................................................................... 9 2.2.4 Plancha ............................................................................................................................. 10 2.2.5 Columna ........................................................................................................................... 10 2.2.6 Cama ................................................................................................................................ 10 2.2.7 Mecanismos de avance ..................................................................................................... 10 2.2.8 Unidad de CN y panel de control principal ...................................................................... 10 2.3 Tipos de centros de maquinado ........................................................................................... 11 3 Motores paso a paso (PaP) ............................................................................................................. 12 3.1 Ventajas y desventajas de los motores a pasos........................................................................ 12 3.1.1 Ventajas ............................................................................................................................ 12 3.1.2 Desventajas....................................................................................................................... 12 3.2 Lazo abierto ............................................................................................................................. 13 3.3 Tipos de motor paso a paso ..................................................................................................... 13 3.3.1 Reluctancia variable (RV) ................................................................................................ 13 3.3.2 De imán permanente (IP) ................................................................................................. 14 3.3.3 Hibrido ............................................................................................................................. 15 3.4 Tamaño y poder....................................................................................................................... 16 3.5 Funcionamiento ....................................................................................................................... 17 3.5.1 Usos principales ............................................................................................................... 17 3.5.2 El campo magnético giratorio .......................................................................................... 17 3.5.3 Generación de torque ....................................................................................................... 18 4 Fuentes reguladas ........................................................................................................................... 20 4.1 Etapa de reducción .................................................................................................................. 20 2 4.2 Etapa de rectificación .............................................................................................................. 22 4.2.1 Rectificador con dos diodos. ............................................................................................ 22 4.2.2 Puente de Graetz o puente rectificador de doble onda ..................................................... 22 4.2.3 Tensión rectificada. .......................................................................................................... 23 4.3 Etapa de filtrado ...................................................................................................................... 23 4.3.1 Filtro con capacitor........................................................................................................... 24 4.3.2 Efecto del capacitor en la conducción del diodo .............................................................. 25 5 Drivers ........................................................................................................................................... 27 6 PIC16F877A .................................................................................................................................. 27 6.1 Características generales ......................................................................................................... 27 6.2 Diagrama de bloques ............................................................................................................... 28 6.3 Set de instrucciones ................................................................................................................. 29 6.3.1 De transferencia................................................................................................................ 29 6.3.2 Aritméticas ....................................................................................................................... 30 6.3.3 Lógicas ............................................................................................................................. 30 6.3.4 Decrementos ..................................................................................................................... 30 6.3.5 De rotación ....................................................................................................................... 30 6.3.6 De manipulación de bits ................................................................................................... 30 6.3.7 De control ......................................................................................................................... 31 6.3.8 De salto incondicional ...................................................................................................... 31 6.3.9 De salto condicional ......................................................................................................... 31 7 Fabricación de circuitos impresos .................................................................................................. 33 7.1 Circuito impreso ...................................................................................................................... 33 7.2 Pasos para la elaboración de un circuito ................................................................................. 33 7.3 Prueba del circuito................................................................................................................... 34 7.4 Diagrama esquemático (schematic) ........................................................................................ 34 7.5 Circuito impreso para la fabricación del PCB ......................................................................... 35 7.6 Fabricación del PCB................................................................................................................ 36 7.7 Técnicas para la impresión del circuito impreso ..................................................................... 36 7.7.1 Tinta indeleble .................................................................................................................. 36 7.7.2 Técnica de planchado ....................................................................................................... 37 7.7.3 Método serigráfico ........................................................................................................... 38 7.8 Ataque químico con Cloruro férrico (HClFe3) ....................................................................... 39 3 7.9 Corte y perforaciones del circuito impreso ............................................................................. 40 8 Mini centro de maquinado con control numérico .......................................................................... 41 8.1 Fuente de alimentación............................................................................................................ 41 8.2 Driver para motor a pasos ....................................................................................................... 44 8.2.1 Pruebas en protoboard ..................................................................................................... 44 8.2.2 Diseño de circuito impreso ............................................................................................... 45 8.2.3 Marco serigráfico ............................................................................................................. 46 8.2.4 Impresión serigráfica ........................................................................................................ 47 8.2.5 Ataque químico con cloruro férrico ................................................................................. 49 8.2.6 Ensamble y soldado de los componentes ......................................................................... 51 8.3 Pruebas del driver fabricado .................................................................................................... 53 8.4 Estructura del mini centro de maquinado ................................................................................ 54 8.4.1 Diseño de la estructura principal ...................................................................................... 54 8.5 Sistema de desplazamiento lineal ............................................................................................ 55 8.6 Sistema de torque .................................................................................................................... 56 9 Conclusiones y trabajo a futuro ...................................................................................................... 57 9.1 Trabajo a futuro ....................................................................................................................... 57 Bibliografía ....................................................................................................................................... 58 Apéndice A.- Hoja de datos del balero de desplazamiento lineal ..................................................... 59 Apéndice B.- Solicitudes de trabajo al Taller de materiales ............................................................. 60 Apéndice C.- Plano de la base de la estructura del mini centro de maquinado. ................................ 62 4 Índice de Figuras Figura 1.- Centro de Maquinado Vertical ......................................................................................... 11 Figura 2.-Centro de Maquinado Horizontal ...................................................................................... 11 Figura 3.-Sección Transversal de un motor de Reluctancia Variable (RV) ...................................... 14 Figura 4.- Imagen de un motor a pasos de imán permanente (IP) o “motor de lata” ........................ 14 Figura 5.- Sección transversal de un motor a pasos Híbrido ............................................................. 15 Figura 6.- Principio de un motor de disco magnético ....................................................................... 16 Figura 7.- Trayectoria del flujo magnético a través de un de un motor paso a paso de 2 polos con un desfase entre rotor y estator. .............................................................................................................. 18 Figura 8 Circuito de la etapa de reducción ........................................................................................ 20 Figura 9 Señal de entrada de la etapa reductora ................................................................................ 21 Figura 10 Señal de salida de la etapa reductora ................................................................................ 21 Figura 11 Circuito rectificador con 2 diodos..................................................................................... 22 Figura 12 Puente de Graetz o puente rectificador ............................................................................. 23 Figura 13 Filtro con condensador...................................................................................................... 24 Figura 14 Tensión de salida de la etapa de filtrado ........................................................................... 24 Figura 15 Gráfica de la conducción del diodo relacionada a la carga del capacitor ......................... 25 Figura 16 Diagrama de bloques del PIC16F877A ............................................................................ 28 Figura 17 Set de instrucciones en orden alfabético del microcontrolador PIC16F877A .................. 32 Figura 18 Imagen de un protoboard donde se ven los nodos enumerados y las líneas de alimentación con colores azul y rojo ...................................................................................................................... 34 Figura 19 Diagrama esquemático de ejemplo ................................................................................... 35 Figura 20 Circuito impreso para la fabricación del PCB .................................................................. 35 Figura 21 Circuito impreso con la técnica de tinta indeleble ............................................................ 36 Figura 22 Fuente de alimentación con los reguladores de corriente ................................................. 43 Figura 23 Fuente de alimentación terminada .................................................................................... 43 Figura 24 Pruebas del driver en el protoboard ................................................................................. 44 Figura 25 Visualización real del driver ............................................................................................. 45 Figura 26 Circuito impreso ............................................................................................................... 46 Figura 27 Marco serigráfico con el circuito impreso ........................................................................ 46 Figura 28 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico abierto ............................................. 47 Figura 29 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico cerrado............................................. 48 Figura 30 Placas de cobre con el circuito impreso del driver ........................................................... 48 Figura 31 Ataque químico con cloruro férrico .................................................................................. 49 Figura 32 Placa de cobre después del ataque químico con cloruro férrico ....................................... 50 Figura 33 Placas de circuito impreso terminadas .............................................................................. 50 Figura 34 Colocación de los rectificadores con disipador de calor ................................................... 51 Figura 35 PCB con todos los componentes montados ...................................................................... 52 Figura 36 Cara de cobre del PCB con los componentes soldados .................................................... 52 Figura 37 Circuito de pruebas con el microcontrolador PIC16F877A.............................................. 53 Figura 38 Circuito de pruebas con un solo motor ............................................................................. 53 Figura 39 Diseño del circuito de pruebas para su fabricación .......................................................... 54 5 Figura 40 Estructura del mini centro de maquinado ......................................................................... 55 Figura 41 Baleros de desplazamiento lineal marca THK .................................................................. 55 Figura 42 Flechas rectificadas para los baleros de desplazamiento lineal ........................................ 56 Figura 43 Tornillo sin fin comercial ................................................................................................. 56 6 Resumen En este reporte se da una breve explicación de lo que es el control numérico, se sigue con la descripción de un centro de maquinado y se muestran los distintos tipos que hay para de allí seleccionar el tipo de centro de maquinado que se diseñará y construirá y así poder mostrar el diseño final. Luego se sigue con una descripción detallada de los componentes utilizados comenzando por una explicación del funcionamiento de estos y enfocándonos a los componentes utilizados en este proyecto, como son el diseño de la estructura base y el maquinado de algunas piezas necesarias para el ensamble final, la parte mecánica de desplazamiento, los motores y la máquina herramienta utilizada, se explican los pasos seguidos para diseñar y construir los circuitos electrónicos de control, potencia (driver) y fuente de alimentación. Para el diseño se adaptaron materiales conseguidos en mercados de deshueso y en algunos casos el diseño mismo se adaptó a estos, como pasó en el sistema de desplazamiento lineal, el cuál se tenía previsto hacer con un soporte de aluminio donde rodaran baleros pero finalmente se utilizó un sistema de desplazamiento lineal con flechas rectificadas y baleros de desplazamiento lineal al haber encontrado estos últimos a una décima de su precio real. Esto represento una gran ventaja por el alto costo que normalmente tienen este tipo de baleros, por la baja fricción que presentan al desplazamiento. 7 1 Introducción 1.1 Objetivos 1.1.2 General Estimular el aprendizaje en el control aplicativo de motores paso a paso así como el trabajar con circuitos electrónicos de potencia mediante el diseño y construcción de un mini centro de maquinado con control numérico de bajo presupuesto. Es de bajo presupuesto porque todos los materiales (salvo los que se especifiquen) fueron adquiridos en tiendas de deshueso y por lo tanto costaron una fracción de su precio real. 1.1.3 Específicos Diseñar y construir una fuente regulada Diseñar y construir los drivers para los motores a pasos Diseñar y construir la estructura del mini-centro de maquinado Diseñar y construir un circuito de pruebas controlado con un PIC 2 Control numérico El control numérico puede definirse como: Un dispositivo capaz de controlar el movimiento exacto de uno o varios órganos de la máquina-herramienta de forma automática a partir de una serie de datos numéricos programados, que hacen funcionar los controles y motores eléctricos de las máquinasherramienta para realizar las siguientes funciones: Los movimientos de los carros Las velocidades de posicionado y mecanizado Los cambios de herramientas Los cambios de piezas Las condiciones de funcionamiento (refrigeración lubricación, etc.) Como el objetivo en este proyecto es hacer un mini centro de maquinado con control numérico solo se tomaran las funciones de desplazamiento y velocidad de posicionado y mecanizado para el control numérico, dejando que el operador realice los cambios man ualmente de la herramienta y piezas así como de las condiciones de funcionamiento como lo sería la refrigeración, que a diferencia de un centro de maquinado industrial que trabaja por periodos largos y continuos, en nuestra maquina no representa problema al estar diseñada para trabajos reducidos en tamaño y tiempo. El control numérico incrementa la productividad y reduce los costos de producción y un ejemplo muy claro de esto será su uso para fresado de placas PCB, ya que como se verá más 8 adelante el proceso de fabricación de placas PCB implica costos, tanto de materiales como de tiempo y mano de obra, costos que se reducen considerablemente al contar con una herramienta con control numérico. 2.1 Mini centro de maquinado Los centros de maquinado están definidos como máquinas-herramienta que pueden realizar fresado, taladrado y mandrilado en operaciones continuas sin parar la máquina para realizar el cambio de las herramientas, pero permitiendo el cambio de estas automáticamente. Como ya se mencionó este cambio se hará manualmente en el mini centro de maquinado con control numérico. Estas máquinas fueron apareciendo para trabajos de maquinado automático mediante la conversión de máquinasherramienta convencionales a maquinas controladas numéricamente, tales como los tornos de CN y las maquinas fresadoras de CN, una sola unidad de máquina-herramienta tal como un centro de maquinado puede realizar varias clases de maquinado dando un nuevo significado al concepto de maquinado, el cual no podría ser realizado por las máquinas-herramienta convencionales. 2.2 Componentes Los centros de maquinado están clasificados rigurosamente en 2 tipos, de acuerdo a la dirección del husillo principal llamados de tipo vertical y de tipo horizontal, el mini centro de maquinado con control numérico diseñado en este proyecto es de tipo vertical ya que el husillo se mueve en dirección del eje z. El sistema de coordenadas utilizado para explicar las direcciones durante este proyecto será la siguiente, el eje x junto con el y formarán el plano horizontal y el eje z será perpendicular a este plano. Las características de los componentes se describen a continuación: 2.2.1 Husillo principal Similar a las maquinas fresadoras de CN o a las maquinas taladradoras de CN, los centros de maquinado cortan las piezas con herramientas, las cuales están instaladas en el husillo principal y giran junto con él. 2.2.2 Cabeza del mandril La cabeza del mandril soporta al mandril principal por medio de baleros y transmite la rotación del mandril al mandril principal, en este proyecto la herramienta que se utilizara para el maquinado será un mototool marca Dremel, el cual incorpora el husillo y el mandril, quedando como cabeza del mandril la parte que es movida hacia arriba y hacia abajo por el motor paso a paso que forma el eje z. 2.2.3 Mesa La mesa es para sujetar las piezas de trabajo con plantillas e instalaciones fijas. Canales en forma de t y agujeros son provistos en la mesa para fijar una pieza de trabajo. El movimiento de esta forma el eje x en ambos tipos de centro de maquinado. 9 2.2.4 Plancha En muchos centros de maquinado la plancha soporta la mesa y le proporciona el movimiento en el eje y. Por el tipo de mini centro que se diseñó en este proyecto, el eje y queda arriba y permite el desplazamiento en el eje y de la columna, haciendo que esta sea viajera. 2.2.5 Columna La columna sostiene a la cabeza del mandril. Hay dos tipos de columnas, por ejemplo una es del tipo columna fija y la otra es del tipo de columna viajera, la cual puede viajar sobre la cama. 2.2.6 Cama La cama soporta la columna y la plancha y junto con estas se forma la base de la maquina completa. 2.2.7 Mecanismos de avance El mecanismo de avance comprende un motor paso a paso, un tornillo sin fin, y los baleros de desplazamiento lineal junto con las flechas rectificadas. La rotación del motor paso a paso es transmitida al tornillo sin fin por medio de un acople y causa unos movimientos lineales a la mesa, plancha y cabeza de mandril conectados directamente por medio de las tuercas. 2.2.8 Unidad de CN y panel de control principal Como este es un mini centro de maquinado con control numérico de bajo coste se tomara una pc de escritorio para que sirva como unidad de CN y panel de control principal por medio de un programa, por lo que se le da el nombre de control numérico por computadora o CNC. 10 2.3 Tipos de centros de maquinado De acuerdo a la dirección del husillo principal los centros de maquinado se clasifican en dos tipos: los centros de maquinado vertical y los centros de maquinado horizontal. El tipo de orientación se escoge dependiendo del trabajo que se quiera realizar. El trabajo que se quiere realizar en este proyecto es el fresado de superficies y perforado, y como el tipo de maquina ideal para realizar estos trabajos es el vertical, se diseña de este tipo el mini centro de maquinado. Existen una gran diversidad de centros de maquinado dependiendo de la estructura y posición de los ejes, como vemos en la Figura 1, se muestra la forma y disposición de los ejes de las máquinas verticales y en la se muestra la forma y disposición de los ejes de las máquinas horizontales. Figura 1.- Centro de Maquinado Vertical Figura 2.-Centro de Maquinado Horizontal 11 3 Motores paso a paso (PaP) Los motores, tanto de CD como de CA, son muy efectivos en muchas labores cotidianas. Pero debido a problemas tales como la inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad, se desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro. Estos motores se llaman paso a paso y en ellos no sólo se puede controlar la cantidad de vueltas del mismo, sino que hasta centésimas de vuelta dependiendo del ángulo de paso. Un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en discretos movimientos mecánicos. El eje o engrane de un motor paso a paso gira en incrementos discretos cuando los impulsos eléctricos de comandos se aplican a él en la secuencia apropiada. La rotación de los motores tiene varias relaciones directas de estos pulsos de entrada. La secuencia de los impulsos aplicados se relaciona directamente con la dirección de los ejes de rotación del motor. La velocidad de giro del eje del motor está relacionada con la frecuencia de los pulsos de entrada y la duración de la rotación está relacionada con el número de pulsos de entrada aplicados. 3.1 Ventajas y desventajas de los motores a pasos 3.1.1 Ventajas 1. El ángulo de giro del motor es proporcional a la señal de entrada. 2. El motor tiene el torque máximo estando parado (si las bobinas están energizadas) 3. Un posicionamiento preciso y la repetitividad del movimiento ya que los motores paso a paso tienen un error de entre 3% y 5% por paso, y este error no es acumulativo de un paso al otro. 4. Excelente respuesta de inicio, parada y marcha atrás. 5. Muy fiable ya que no hay cepillos de contacto en el motor. Por lo tanto la vida del motor simplemente depende de la vida del rodamiento. 6. La respuesta de los motores a impulsos de entrada digitales proporciona un control de lazo abierto, haciendo que el motor más simple y menos costoso de controlar. 7. Es posible alcanzar una velocidad de rotación muy baja y sincronizada con una carga que esté acoplada directamente al eje. 8. Una amplia gama de velocidades de rotación es posible gracias a que la velocidad es proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada. 3.1.2 Desventajas 1. Pueden ocurrir resonancias si no se controla adecuadamente. 2. No es fácil de operar a velocidades extremadamente altas. 12 3.2 Lazo abierto Una de las ventajas más significativas de un motor paso a paso es su capacidad para ser controlado con precisión en un sistema de lazo abierto. Un control de lazo abierto significa que no se necesita información de retroalimentación sobre la posición. Este tipo de control elimina la necesidad de dispositivos de retroalimentación y de sensores que generalmente son caros, tales como los codificadores ópticos. Su posición es conocida simplemente por hacer el seguimiento de los pulsos de entrada. 3.3 Tipos de motor paso a paso Hay tres tipos de motor a pasos básicos. Ellos son: • De reluctancia variable • De imán permanente • Híbrido 3.3.1 Reluctancia variable (RV) Este tipo de motor paso a paso ha existido durante mucho tiempo. Es probablemente más fácil de entender desde un punto de vista estructural. La Figura 3 muestra una sección transversal de un típico motor paso a paso de RV. Este tipo de motor consiste en un hierro dulce de varios dientes del rotor y un estator con dientes bobinados. Cuando los bobinados del estator están energizados con corriente continua de los polos se magnetizan. La rotación se produce cuando los dientes del rotor se sienten atraídos por los polos energizados de los dientes del estator. 13 Figura 3.-Sección Transversal de un motor de Reluctancia Variable (RV) 3.3.2 De imán permanente (IP) A menudo se le refiere como “motor de lata", el motor paso a paso de imán permanente es un motor de bajo costo y de baja resolución con ángulos de paso típicos de 7.5 ° a 15 ° (de entre 48 y 24 pasos por vuelta) Los motores de IP, como su nombre lo indica tiene imanes permanentes añadidos a la estructura del motor. El rotor no cuenta con dientes como el motor de RV. En cambio, el rotor está magnetizado con la alternancia de los polos norte y sur, situados en una línea recta paralela al eje del rotor. Estos polos del rotor magnetizado proporcionar un aumento de la intensidad del flujo magnético y por ello el motor de imanes permanentes exhibe mejores características de torque en comparación con el tipo de RV. Figura 4.- Imagen de un motor a pasos de imán permanente (IP) o “motor de lata” 14 3.3.3 Hibrido El motor paso a paso híbrido es más caro que el motor a pasos de imán permanente, pero proporciona un mejor rendimiento con respecto a la resolución, el torque y la velocidad. Los ángulos típicos de paso para los motores paso a paso híbridos son de 3,6 ° a 0,9 ° (100 - 400 pasos por vuelta). El motor paso a paso híbrido combina las mejores características tanto de los motores de IP como de RV. El rotor es multidentado como el del motor de RV y contiene un imán magnetizado axialmente concéntrico alrededor de su eje. Los dientes en el rotor proporcionan un mejor camino que ayuda a guiar el flujo magnético a los lugares preferidos en el entrehierro. Esto aumenta aún más la retención, la conservación y las características dinámicas de torque del motor en comparación con los tipos de RV y de IP. Figura 5.- Sección transversal de un motor a pasos Híbrido Los dos tipos de motores paso a paso más comúnmente utilizados son el de imán permanente y el de tipo híbrido. Si un diseñador no está seguro de qué tipo se ajusta mejor a los requisitos de su aplicación, primero debe evaluar el tipo de IP, ya que suele ser mucho más barato. Si no le sirve, entonces el motor híbrido podría ser la elección correcta. También existen algunos diseños especiales de motores paso a paso. Uno de estos diseños es el motor de imán de disco. Aquí, el rotor está diseñado como un disco con imanes de tierras raras, ver fig. 6. Este tipo de motor tiene algunas ventajas, tales como la muy baja inercia y una trayectoria optimizada del flujo magnético entre los dos devanados del estator sin acoplamiento. Estas cualidades son esenciales en algunas aplicaciones. 15 Figura 6.- Principio de un motor de disco magnético 3.4 Tamaño y poder Además de ser clasificados por su ángulo de paso, los motores paso a paso también se clasifican de acuerdo con los tamaños de chasis que corresponden con el diámetro del cuerpo del motor. Por ejemplo, un tamaño 11 de motor paso a paso tiene un cuerpo de diámetro de aproximadamente 1.1 pulgadas. Asimismo un motor paso a paso de tamaño 23 tiene un diámetro de cuerpo de 2.3 pulgadas (58 mm), etc. Sin embargo, el tamaño del motor puede variar de uno a otro dentro del mismo tamaño de chasis. Como regla general, el torque disponible a la salida de un motor de un tamaño de chasis particular, aumentará si el tamaño del motor aumenta. Los niveles de potencia de los motores paso a paso por lo general varían de menos de un watt, para motores muy pequeños, hasta 10-20 watts para los motores más grandes. El nivel de disipación de potencia máxima o límite térmico del motor rara vez es indicado claramente en los datos del motor proporcionados por el fabricante. Para determinar este valor debemos aplicar la relación de . Por ejemplo, un motor paso a paso de tamaño 23 se podría clasificar con 6V y 1A por fase. Por lo tanto, con dos fases energizadas el motor tiene una disipación de potencia nominal de 12 watts. Es una práctica normal para calificar un motor paso a paso a nivel de disipación de potencia en la caja del motor se eleva de 65 ° C por encima de la temperatura ambiente en aire quieto. Por lo tanto, si el motor se puede montar en un disipador de calor es a menudo posible para aumentar el nivel de potencia de disipación permisible. Esto es importante ya que el motor está diseñado para ser y deben ser utilizados en su disipación de potencia máxima, para ser eficaz a partir de un puntos de vista de tamaño / potencia de salida / coste. 16 3.5 Funcionamiento 3.5.1 Usos principales Un motor paso a paso puede ser una buena opción siempre que sea necesario un movimiento controlado. Se pueden utilizar con ventaja en aplicaciones donde se necesita controlar el ángulo de rotación, la velocidad, la posición y la sincronización. Debido a las ventajas inherentes enumeradas anteriormente, los motores paso a paso han encontrado su lugar en una gran diversidad de aplicaciones. Algunas de estas incluyen impresoras, plotters, equipos de gama alta de oficina, unidades de disco duro, equipos médicos, máquinas de control numérico, máquinas de fax, automóviles y muchos más. 3.5.2 El campo magnético giratorio Cuando un devanado de fase de un motor paso a paso se energiza con una corriente, un flujo magnético se desarrolla en el estator. La dirección de este flujo está determinado por la "Regla de la Mano Derecha" que dice: "Si la bobina se sujeta en la mano derecha con los dedos apuntando en la dirección de la corriente en la bobina (extendiendo el pulgar en un ángulo de 90 ° de los dedos), entonces el pulgar apuntará en la dirección del campo magnético". La Figura 5 muestra la trayectoria del flujo magnético desarrollado cuando la fase B se energiza con devanado de corriente en la dirección indicada. El rotor entonces se alinea de manera que el flujo de oposición se minimiza. En este caso, el motor podría girar en sentido horario de modo que su polo sur se alinea con el polo norte del estator B en la posición 2 y su polo norte se alinea con el polo sur del estator B en la posición 6. Para conseguir que el motor gire, ahora podemos ver que debemos proporcionar una secuencia de activación de los bobinados del estator, de tal manera que proporciona un campo giratorio de flujo magnético que el rotor sigue debido a la atracción magnética. 17 Figura 7.- Trayectoria del flujo magnético a través de un de un motor paso a paso de 2 polos con un desfase entre rotor y estator. 3.5.3 Generación de torque El torque producido por un motor paso a paso depende de varios factores. • Grados por paso • Resistencia de los bobinados • La unidad de diseño o tipo En un motor paso a paso un par se desarrolla cuando los flujos magnéticos del rotor y el estator están desplazados unos de otros. El estator está constituido por un material de alta permeabilidad magnética. La presencia de este material de alta permeabilidad hace que el flujo magnético que se limita en su mayor parte a las trayectorias definidas por la estructura del estator de la misma manera que las corrientes se limitan a los conductores de un circuito electrónico. Esto sirve para concentrar el flujo en los polos del estator. El par de salida producido por el motor es proporcional con la intensidad del flujo magnético generado cuando el devanado está energizado. La relación básica que define la intensidad del flujo magnético se define por: , donde: 18 Esta relación muestra que la intensidad de flujo magnético y, en consecuencia el par es proporcional al número de vueltas del devanado y la corriente es inversamente proporcional a la longitud de la trayectoria de flujo magnético. A partir de esta relación básica se puede ver que el mismo tamaño de bastidor de un motor paso a paso podría tener una capacidad de par de salida muy diferente simplemente cambiando los parámetros de bobinado. 19 4 Fuentes reguladas Una fuente de voltaje regulada es la encargada de transformar el voltaje de la tensión alterna en un voltaje continuo que es el que alimentará nuestro mini centro de maquinado CNC. Este consta de las siguientes etapas: de reducción de rectificación de regulación 4.1 Etapa de reducción En esta etapa se reduce el voltaje de la tensión alterna de 120v a 25v con la ayuda de un transformador con tap central. Esta reducción de tensión se realiza por el efecto de la Ley de Faraday también conocida como propiedad de inducción electromagnética, esto es que si se aplica una fuerza electromotriz alterna (o corriente alterna) en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador. El circuito es el siguiente: Figura 8 Circuito de la etapa de reducción La relación entre la fuerza electromotriz inductora aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario y secundario . 20 Básicamente tendríamos una señal de entrada: E tapa de reducción Señal de entrada To p Sp i c e 8 .3 4 1 8 -SEP-2 0 1 2 150 0 1 :0 1 :5 7 V(IN) 100 Corriente alterna (V) 50 0 -50 -100 -150 0 10m 20m 30m 40m Tiem po (s ) Fi l e : C:\Us e rs \Bl u e Ne o \Do c u m e n ts \ToFigura p Sp i c e9\De m o \Ex m p l e s \FUL AVE RECTIFIER.OUT Señal dea entrada de Lla-Wetapa reductora Re v : 1 0 Y a la salida: E tapa de reducción Señal de s alida To p Sp i c e 8 .3 4 1 8 -SEP-2 0 1 2 30 0 1 :0 7 :5 4 V(S1 ) Corriente alterna (V) 20 10 0 -10 -20 -30 0 10m 20m 30m 40m Tiem po (s ) Fi l e : C:\Us e rs \Bl u e Ne o \Do c u m e n ts \To p Sp i c10 e \De m o \Exde a msalida p l e s \FUL -Wetapa AVE RECTIFIER.OUT Figura Señal deLla reductora 21 Re v : 1 0 4.2 Etapa de rectificación Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada en corriente continua de salida pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua. 4.2.1 Rectificador con dos diodos. En el circuito de la figura 11, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada ( ) es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador. Figura 11 Circuito rectificador con 2 diodos Cuando el diodo 2 se encuentra en polarización directa (conduce), mientras que el diodo 1 se encuentra en polarización inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario. 4.2.2 Puente de Graetz o puente rectificador de doble onda En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura 12. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en inversa y conducen (tensión negativa). 22 Figura 12 Puente de Graetz o puente rectificador A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua. 4.2.3 Tensión rectificada. , en el rectificador con dos diodos. , en el rectificador con puente de Graetz. Si consideramos la caída de tensión típica en los diodos en conducción, aproximadamente 0,6v; tendremos que para el caso del rectificador de onda completa la – . Ahora que ya tenemos la onda rectificada (medios ciclos positivos) tenemos que estabilizarla al voltaje que necesitemos en la salida. Para esto sirve la siguiente etapa que es la de filtrado. 4.3 Etapa de filtrado La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. El tipo más común de filtro es el del capacitor en la entrada, en la mayoría de los casos perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y se tendrán que utilizar algunos componentes adicionales. 23 4.3.1 Filtro con capacitor Este es el filtro más común, basta con añadir un capacitor C1 en paralelo con la carga (R1) como se muestra en la figura 13. Figura 13 Filtro con condensador Cuando el diodo conduce, el capacitor se carga con la tensión pico una vez rebasado el pico positivo, el diodo se abre. Esto ocurre por que el capacitor tiene una tensión entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con el diodo abierto el capacitor se descarga a través de la carga R1. Durante el tiempo que el diodo no conduce, el capacitor tiene que alimentar la carga y mantener la tensión , lo cuál es prácticamente imposible ya que al descargarse un capacitor se reduce la tensión en sus extremos. Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el capacitor con la tensión pico . En otras palabras, la tensión del capacitor es aproximadamente igual a la tensión pico del secundario del transformador (como se había mencionado anteriormente, existe una perdida de 0.7v por diodo). La tensión quedará como se muestra en la figura 14. Figura 14 Tensión de salida de la etapa de filtrado 24 La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del capacitor. Para reducir este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente con el cual el capacitor se cargaría el doble de veces en el mismo intervalo teniendo así menos tiempo para descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensión de salida es más cercana a . Otra forma de reducir el rizado es poner un capacitor mayor, pero siempre se debe tener cuidado en no seleccionar un capacitor demasiado grande, ya que originaria problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el transformador). 4.3.2 Efecto del capacitor en la conducción del diodo Como se ha mencionado hasta ahora, el diodo solo conduce cuando el capacitor se carga. Cuando el capacitor se carga, aumenta la tensión en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello podemos distinguir perfectamente en el gráfico cuándo el diodo conduce y cuándo no. En la figura 15 se ha representado la corriente que circula por el diodo, la cual es la misma que circula por el transformador. Figura 15 Gráfica de la conducción del diodo relacionada a la carga del capacitor La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostrados como rectángulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida constante durante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo conduce en un instante todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Por esto es común tener fuentes de 1A y aunque estos pulsos lleguen hasta 10A o más, no es necesario poner un diodo de 10 amperios ya que un 1N4001 soporta 1A de corriente media y pulsos de hasta 30A. Si se coloca un capacitor mayor se reduce el rizado, pero a la vez se reduce el tiempo de conducción del diodo. Como la corriente media que pasa por los diodos es la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores como se puede observar en la figura 16. 25 Figura 16 Disminución del rizado con un capacitor mayor Y esto afecta tanto al diodo como al transformador, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si se coloca un capacitor de un valor mucho mayor al necesario se podría encontrar con una incapacidad de llegar al amperaje del transformador. Cálculo del capacitor Si se desea ajustar el valor del capacitor al menor posible, esta fórmula proporciona el valor del capacitor para que el rizado sea de un 10% de . , donde: 26 5 Drivers El driver es el circuito que sirve para transformar las señales digitales en las señales de voltaje de mayor amperaje provenientes de la fuente de alimentación regulada explicada en la sección anterior) para permitir que el motor a pasos funcione de manera correcta. Los drivers son una etapa intermedia para el control de los motores a pasos. Como ese explico en la sección de motores paso a paso, estos funcionan gracias a la magnetización de sus bobinas internas en pasos y cambios de uno en uno. 6 PIC16F877A Este microcontrolador es uno de los más usados porque provee de varios puertos de entrada/salida, así como un gran número de instrucciones y una fácil programación. Las características más generales de este microcontrolador se presentan a continuación en la tabla 1. 6.1 Características generales Tabla 1 Características generales del microcontrolador PIC16F877A Descripción Núcleo Interrupciones Reloj Reset Instrucciones Características RISC, Arq. Harvard, 20 MHz. 5MIPS 14 fuentes posibles de interrupción 0-20 MHz Master Clear, Brown Out, Watchdog, Power On 35 instrucciones de 14 bits Memoria De programa De datos RAM De datos EEPROM Pila De datos ext. EEPROM 8 K palabras de 14 bits 368 registros de 8 bits 256 registros de 8 bits 8 palabras de 13 bits Hasta 256 KBytes Periféricos Puertos programables de E/S Timers/Counters Puertos de capt./comp. de datos Moduladores de ancho de pulso Conversor Analógico/Digital de 10 bits Puerto serie síncrono USART Puerto paralelo esclavo Hasta 33 bits, pueden ser usados por otros periféricos Dos de 8 bits y uno de 16 bits Dos de 8 bits Dos de 8 bits Con un MPX de 8 canales para 8 entradas diferentes Configurable en modo SPI e Para conexiones RS-232 8 bits + 3 bits de control Procesador 27 6.2 Diagrama de bloques En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques de la construcción interna de este microcontrolador. Figura 17 Diagrama de bloques del PIC16F877A 28 Como podemos observar, este microcontrolador cuenta con 4 puertos configurables de 8 bits, los cuales serán usados para las salidas de las señales de los 3 motores que necesitamos controlar y para establecer una comunicación en paralelo con la computadora que será la que nos mande las señales de control. 6.3 Set de instrucciones Como se menciono al inicio de esta sección, el microcontrolador PIC16F877A cuenta con 35 instrucciones, las cuales nos permitirán poder utilizarlo para realizar un control correcto de los motores a pasos que se necesitan para el mini centro de maquinado con control numérico. Estas instrucciones tienen un formato como el que se muestra a continuación: A su vez, los tipos de operandos que podemos utilizar en una instrucción son: f: Indica un nº de registro dentro de un banco de la RAM. Es un valor de 7 bits. d: Operando destino. Es un bit que si vale 0 indica que el resultado debe almacenarse en W y si vale 1 en el registro usado como primer operando. b: Es usado en las instrucciones que afectan a un único bit, y apunta al bit destino de la instrucción. k: Constante. Las instrucciones van a manejar dos tipos de constantes, si la instrucción es CALL o GOTO la constante es de 11 bits (k11) y hace referencia a la dirección a la que se va a saltar. En cualquier otro caso se trata de un valor de 8 bits (k8) que se usará como valor inmediato en una operación que siempre involucra a la ALU y al acumulador. Dentro de este set de instrucciones podemos encontrar instrucciones de los siguientes tipos: 6.3.1 De transferencia CLRF CLRW MOVLW MOVWF MOVF SWAPF 29 6.3.2 Aritméticas ADDLW ADDWF SUBLW SUBWF 6.3.3 Lógicas ANDLW ANDWF COMF IORLW IORWF XORLW XORWF 6.3.4 Decrementos DEC INC 6.3.5 De rotación RLF RRF 6.3.6 De manipulación de bits BCF BSF 30 6.3.7 De control CLRWDT SLEEP 6.3.8 De salto incondicional CALL GOTO RETFIE RETLW RETURN 6.3.9 De salto condicional BTFSC BTFSS DECFSZ INCFSW En la figura 18, se muestra una tabla con la descripción de estas operaciones ordenada de manera alfabética que se encuentran en este microcontrolador. 31 Figura 18 Set de instrucciones en orden alfabético del microcontrolador PIC16F877A 32 7 Fabricación de circuitos impresos En esta sección se mencionaran los pasos para la fabricación de un circuito impreso y las distintas técnicas que hay para imprimir el circuito en la placa de fibra de vidrio y cobre de manera breve y se profundizara en la técnica utilizada para la realización de este proyecto, la cuál es la técnica de la serigrafía, por ser económica, rápida y con resultados de calidad profesional. 7.1 Circuito impreso Entendiéndose por circuito impreso aquel que se plasma con pequeñas y muy delgadas áreas conductoras de cobre, sobre una superficie plana y aislante (fibra de vidrio), sobre la cual se insertan diversos componentes electrónicos por pequeños orificios, realizando contacto eléctrico, entre las terminales de cada componente y las áreas de cobre con soldadura de estaño, dando como resultado la interconexión de componentes electrónicos de forma precisa y confiable. 7.2 Pasos para la elaboración de un circuito Al diseñar un proyecto o prototipo electrónico, primero se debe probar, armándose en una placa de pruebas o protoboard. Cuando funcione correctamente, se dibujará el diagrama esquemático, ya sea a mano o en la computadora, usando programas especializados como: 1. 2. 3. 4. TopSpice Proteus Eagle Pspice Después de tener el diagrama del circuito se procede con la fabricación del mismo el cuál tiene el nombre de placa de circuito impreso (PCB por sus siglas en ingles). Ya que tenemos esta placa, le tenemos que montar los componentes los cuales soldaremos en las posiciones adecuadas dentro de la placa, y finalmente es recomendable colocarlo en un chasis o gabinete para proteger los componentes y darle una presentación final a nuestro proyecto. 33 7.3 Prueba del circuito La placa de pruebas (protoboard), es una herramienta muy común en el estudio de la electrónica, ya que nos permite interconectar componentes electrónicos como: resistencias, capacitores, inductores, circuitos digitales etc., sin necesidad de soldarlos en un circuito impreso, permitiéndonos así, hacer una gran cantidad de pruebas de manera fácil, hasta obtener el comportamiento deseado de nuestro circuito. El protoboard está compuesto por segmentos plásticos con perforaciones y láminas delgadas de una aleación de cobre, estaño y fósforo, las cuales pasan por debajo de las perforaciones, creando una serie de líneas de conducción paralelas. Estas líneas están distribuidas en forma transversal y longitudinalmente. Las líneas transversales están interrumpidas en la parte central de la placa, para facilitar la inserción de circuitos integrados tipo DIP (Dual Inline Packages), y que cada pata del circuito integrado, tenga una línea de conexión por separado. En la cara opuesta de la placa, trae un forro con pegante, que sirve para sellar y mantener en su lugar las láminas metálicas. Al momento de hacer un circuito en el protoboard, se utilizan las líneas transversales para interconectar los componentes y las longitudinales para su alimentación. En la figura 19 podemos observar un protoboard y la configuración de sus líneas nodo y de alimentación. Figura 19 Imagen de un protoboard donde se ven los nodos enumerados y las líneas de alimentación con colores azul y rojo 7.4 Diagrama esquemático (schematic) Cuando el circuito está funcionando a la perfección en el protoboard, se procede a realizar el diagrama esquemático. Esto consiste en dibujar el circuito, utilizando los símbolos electrónicos. Se puede hacer a mano, o en la computadora, utilizando programas como: 1. 2. 3. 4. TopSpice Eagle Proteus Pspice En la figura 20 se muestra un ejemplo de un diagrama esquemático. 34 Figura 20 Diagrama esquemático de ejemplo 7.5 Circuito impreso para la fabricación del PCB Este circuito es el que se necesita para poder fabricar el circuito en una placa de cobre y aunque también puede ser hecho a mano se recomienda el uso de un software especializado, como por ejemplo: 1. 2. 3. 4. PCB Wizard KiCad gEDA Project EAGLE Lo más recomendable para circuitos complejos es utilizar software especializado ya que este nos permite, mediante la colocación manual de los elementos, el trazado de las pistas de manera automática, y así, evitamos errores en la fabricación de circuitos con una gran complejidad. En la figura 21 podemos ver un ejemplo de este circuito impreso. Figura 21 Circuito impreso para la fabricación del PCB 35 7.6 Fabricación del PCB Comenzaremos por hablar un poco del material con el que están hechos los circuitos impresos. El material más usado para la fabricación de circuitos impresos o también conocido como placa fenólica, es la baquelita (Bakelite), es un fenoplástico resistente al calor y a los solventes, desarrollado por el belga-americano, Leo Hendrik Baekeland, entre 1902 y 1907. Otro material muy comúnmente utilizado en la fabricación de circuitos impresos es la fibra de vidrio con resina de poliéster. Este material es de mayor costo, pero de mejor calidad y presentación. Ambos materiales llevan un baño de cobre en una o en ambas caras. La función del cobre es conducir la electricidad. Al momento de hacer un circuito impreso, se imprime en la tarjeta; ya sea en baquelita o en fibra de vidrio, el diagrama de pistas sobre el cobre de esta, para así, transferir las pistas que interconectarán los componentes que irán en la tarjeta. 7.7 Técnicas para la impresión del circuito impreso Existen diferentes técnicas para la fabricación de los circuitos impresos (PCB). Dependiendo del presupuesto con el que se disponga y la complejidad del circuito, escogemos la técnica más adecuada al caso particular de entre las siguientes: 1. Tinta indeleble 2. Técnica de planchado (con papel termo transferible o impresión láser) 3. Técnica de serigrafía. 7.7.1 Tinta indeleble Es la forma más económica de hacer circuitos impresos. Solo se necesita un marcador o plumón de tinta indeleble. Lo primero es dibujar las pistas del circuito sobre la tarjeta del lado bañado en cobre. Esta técnica por ser netamente manual y con una calidad de impresión regular, se recomienda para hacer circuitos de mediana complejidad, para principiantes o aficionados a la electrónica, que desean realizar pequeños proyectos a muy bajo costo. En la figura 22 se muestra un ejemplo de un circuito impreso con esta técnica. Figura 22 Circuito impreso con la técnica de tinta indeleble 36 7.7.2 Técnica de planchado El papel transfer es un material utilizado en la elaboración de circuitos impresos de cualquier tipo. Gracias a este papel podemos traspasar a la placa de cobre virgen el diseño del circuito impreso que hayamos hecho (a mano o en la computadora) de manera fácil, rápida y económica. Es recomendable usar un papel especialmente diseñado para este propósito y de que sea de marca. Aunque también se pueden utilizar algunos papeles gruesos usados en dibujo como el papel glossy, el papel para fotografía o el papel propalcote de unos 120 gramos. Para empezar debemos obtener el circuito del diseño impreso. Este no es otra cosa que el dibujo de las pistas de cobre. El diseño del circuito impreso que obtengamos deberá corresponder a las pistas de cobre vistas desde la cara de los componentes (modo espejo). Teniendo el diseño del circuito impreso en la computadora, se imprime en alta resolución sobre el papel transfer usando una impresora láser. Se imprime sobre cualquier cara del papel, ya que las dos caras son iguales. Si la imprimimos en un tipo de impresora diferente a láser, el papel transfer no servirá (porque las impresoras láser utilizan tóner en vez de cartuchos de tinta). Si poseemos el diseño del circuito impreso en una hoja de papel común y corriente o fue hecho a mano, debemos sacar una fotocopia de este, sobre el papel transfer. Las fotocopiadoras utilizan el mismo sistema de impresión que las impresoras láser. Una vez obtenido el diseño del circuito impreso sobre el papel transfer, este se recorta con unas tijeras o una navaja, dejando una margen que nos permita manipularlo. El papel transfer restante se guarda para la elaboración de futuros circuitos impresos. Ahora se debe cortar la baquelita con el cobre virgen a la medida del circuito impreso y posteriormente lavarla por el lado del cobre con jabón desengrasarte de lavaplatos y una esponja de ollas no abrasiva. Se tiene que secar muy bien la baquelita con un trapo limpio o de preferencia con una servilleta desechable. La placa de cobre deberá estar seca, brillante como el oro y limpia de polvo y grasa. En este punto es de suma importancia no tocar la superficie de cobre con los dedos o cualquier otra cosa. A continuación se coloca la baquelita sobre una superficie dura, con el lado del cobre mirando hacia arriba. Luego se coloca el papel transfer con el diseño del circuito impreso sobre la placa de cobre, de tal manera que el dibujo haga contacto con el cobre. Por último se coloca una hoja de papel común y corriente sobre el papel transfer y entonces tenemos todo listo para el planchado. Finalmente, haciendo uso de una plancha casera a temperatura máxima, planchamos durante 10 minutos sobre la parte impresa del papel transfer, haciendo énfasis en los bordes y el centro de la placa. Dependiendo de la marca del papel termo transferible, cambia la temperatura de la plancha. Algunos papeles de dibujo, exigen más calor y por eso es necesario usar la plancha a la máxima temperatura. 37 Después de 10 o 15 minutos de planchado y observando que el papel se haya adherido bien al cobre, se deja enfriar un instante y se introduce la placa con el papel transfer adherido en una cubeta con agua fría, para dejarla sumergida un mínimo de 5 minutos. Al cabo de este tiempo se revisa que el papel esté húmedo en su totalidad. Esto es fácil de notar porque el papel se hace transparente y se alcanza a ver la tinta del dibujo. Después de los 5 minutos o en el momento en que se observe que el papel esté húmedo, se retira de la superficie de cobre el papel transfer de manera suave con la yema de los dedos. Se seca la placa por el lado del cobre y se revisa que no queden restos de fibras de papel o gelatina adheridos a la superficie del cobre ya que este debe de quedar lo mas limpio posible. En caso de haber restos de papel, estos pueden eliminarse frotando muy suave con la yema de los dedos teniendo la placa sumergida en el agua. Antes de pasar a la siguiente fase, la placa deberá estar seca y libre de fibras de papel no deseadas. En algunos casos al desprender el papel, se levantan partes del dibujo, echándose a perder el trabajo. Esto sucede por varios factores; cuando no se lava bien la placa virgen del lado del cobre, cuando se deja grasa ya que esta evita la buena adherencia del tóner o la mala calidad del papel utilizado en este proceso. Cuando se compre el papel, se tiene que tomar en cuenta que sea grueso, de material fino y liso. Otro factor que también influye en el agarre del dibujo en el cobre es la temperatura de la plancha. Si las partes levantadas del dibujo son muchas, se debe repetir el proceso de planchado, pero si sólo son pequeños detalles los que se han dañado, se puede utilizar un plumón indeleble para retocarlos a mano y así evitar repetir todo el proceso. 7.7.3 Método serigráfico El método empleado para la impresión del circuito impreso en la placa virgen de cobre es el de serigrafía. En este proceso se utiliza un bastidor o marco de madera, el cual tienen una malla muy fina de nylon la cual se cubre con una delgada capa de emulsión fotosensible. Por medio de un proceso fotográfico y con la imagen del circuito impreso en modo positivo y colocando la impresión del lado de la emulsión, se somete al bastidor a una exposición de luz para que de esta manera, se sellen aquellas áreas de la emulsión que quedan expuestas a la luz y queden sin sellar aquellas áreas que no fueron expuestas a la luz por estar cubiertas con el circuito impreso. Al finalizar la exposición a la luz se remueve por completo la emulsión de la malla con un lavado a presión. El bastidor así grabado tiene áreas de la malla obstruidas por la emulsión curada y otras áreas libres que corresponden fielmente a las áreas de cobre diseñadas en nuestro circuito impreso. El positivo se obtiene haciendo una impresión láser de alta calidad de la imagen de nuestro circuito impreso sobre una hoja de acetato o papel albanene, la impresión debe de ser de la máxima calidad ya que de lo contrario, no obtendríamos los resultados esperados. La emulsión y el proceso fotográfico se debe hacer en un recito adecuado, con una ventilación e iluminación adecuada. Para este caso, al carecer de esas instalaciones, se opto por mandar a hacer solo ese proceso a un local 38 dedicado a la serigrafía. La relación costo beneficio es muy favorable, pues en pocas horas el trabajo esta listo, a un bajo precio y sin la necesidad de tener complejas instalaciones. Una vez que tenemos el bastidor listo, se coloca sobre la placa virgen perfectamente limpia, y encima de la malla se le pone tinta para serigrafía, la cuál puede ser cualquiera que no tenga como base agua y que no contenga pigmentos minerales. Con ayuda de un rasero se corre la tinta de arriba a abajo dejando una capa uniforme a lo largo del bastidor, de esta forma la tinta pasara solo por aquellas partes de la malla que están libres de emulsión, al separar el bastidor de la placa de cobre, se obtiene la imagen del circuito impreso marcada con tinta sobre el cobre. Se deja secar unas horas al sol para que la tinta quede completamente seca y esté lista para el siguiente paso. Este paso se puede acelerar si se utiliza una pistola de calor para secar rápidamente la pintura. 7.8 Ataque químico con Cloruro férrico (HClFe3) Una vez obtenido el circuito impreso con tinta sobre la placa de cobre y perfectamente seca, se inicia el ataque químico. Se usa una solución que se vende para esta tarea y que es comúnmente conocida como Cloruro Férrico, la cual esta constituida por una parte de hidrogeno, una de cloro, tres de fierro y seis de agua, esta solución es muy lenta para grabar circuitos impresos, pero tiene un grado de peligrosidad bajo y no causa severos daños a las personas. No obstante su manejo debe hacerse con mucho cuidado y se recomienda utilizar guates de látex por precaución. Para comenzar el ataque primero debemos contar con un espacio con una ventilación adecuada y disponibilidad de agua, estas son las únicas características que debemos cubrir para realizar este paso, entonces es fácil hacerlo en un lugar a cielo abierto auxiliados de una manguera o cubeta con agua. Se vierte la solución de cloruro férrico en un recipiente en donde quepa la totalidad de la placa y esta sea cubierta por el fluido, es indispensable que el recipiente sea de un material no ferroso, tal como plástico o vidrio, en ningún caso se podrá utilizar un recipiente o utensilios de aluminio, cobre, acero inoxidable etc. El ataque químico comienza cuando la solución entra en contacto con las áreas de cobre desprotegidas por la tinta. La corrosión y remoción total de dichas áreas puede tardar varios minutos, pudiendo reducirse el tiempo si existe una ligera agitación de la solución al momento de realizar el ataque. Cabe señalar que la temperatura juega un papel importante, en un día muy gélido la corrosión tardara mas que en un día caluroso, sin embargo no se recomienda inducir calor a la solución por ningún método diferente a la radiación solar. Una vez consumada la corrosión de las áreas indeseadas de la placa, se puede extraer de la solución para enjuagarla con agua y secarla con un paño. Es indispensable hacer una revisión visual para determinar si ya no existe cobre en las áreas que no están cubiertas con tinta ya que deben estar limpias. En caso de encontrarse rastros de cobre se puede volver a sumergir en la solución hasta eliminar todo lo restante. 39 Una vez limpiada la placa y sin rastros de cobre en las partes sin tinta, se remueve la tinta que forma las pistas con solvente para así obtener el circuito grabado. Una vez removida la tinta ya no podrá sumergirse de nuevo a la solución. 7.9 Corte y perforaciones del circuito impreso El último paso para obtener nuestra placa lista para soldarle los componentes es el de corte y perforación. Los cortes se hacen para dejar a la placa de las dimensiones adecuadas y las perforaciones se realizan para obtener los orificios en donde se montarán los elementos que componen el circuito completo. El corte se realiza con una maquina mecánica tipo cizalla y las perforaciones se hacen con un taladro pequeño conocido como mototool el cual va montado en una base firme con movimiento vertical. Para los diferentes circuitos se emplean diversos tamaños de broca siendo el más pequeño 1/32” y el más grande de 1/8” empleado únicamente para tornillos de sujeción. Para las resistencias, capacitores y circuitos integrados la medida estándar de la broca es la de 1/32”, mientras que para componentes más robustos como diodos, transistores, etc., se utiliza una broca de 3/64” y para los dispositivos de potencia como transistores, diodos y cables de alimentación se utiliza una broca de 1/16”. 40 8 Mini centro de maquinado con control numérico Como comentamos al inicio de este reporte, la mayoría de las piezas utilizadas en este proyecto fueron compradas en mercados de deshueso y por lo tanto el proyecto se adecuo a las características de los elementos adquiridos. En esta sección se describirá el proceso de adquisición de los diversos elementos adquiridos, así como la influencia de estos para el diseño y construcción de este mini centro de maquinado. 8.1 Fuente de alimentación Para diseñar la fuente de alimentación necesaria para este proyecto, primero se tuvieron que considerar los valores de consumo de los motores a pasos los cuáles fueron adquiridos primero ya que se encontraron 3 iguales y a un costo muy reducido. Estos valores fueron de 3.6 Volts a 5 Amperes, por lo cual fue necesario construir una fuente de voltaje capaz de suministrar por lo menos 15 A. Una vez obtenido este dato se busco un transformador de gran tamaño el cuál fuera capaz de dotarnos de semejante amperaje. El transformador conseguido perteneció a una fotocopiadora ya descompuesta y como no se conocían los valores de este, se procedió a conectarlo a la línea de alimentación y medir el voltaje y corriente en sus salidas. Con estos valores se conoció el voltaje que entregaba a la salida el transformador y con las siguientes formulas se precedió a calcular el valor del capacitor para el filtro. Se diseño siguiendo los siguientes pasos. Cálculo del capacitor Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 5 V a 15 A. El rizado deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 25 V y 20 A y de un rectificador en puente que soporta hasta 20 A. Para elegir el valor del capacitor se realizan los siguientes cálculos: 1.- Se calcula la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar. Como este valor se conocía por medición no fue necesario calcularlo. Cabe señalar que el transformador tiene que ser de más corriente de la que se desee obtener en la carga. 41 2.- Se calcula , la cual es la salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos), ya que con este voltaje se cargara el capacitor en la etapa de filtrado. ( ) Esta será aproximadamente la tensión de salida del puente de diodos. 3.- Calculamos el valor del capacitor considerando una perdida del 10% como aceptable Donde: Despejando tenemos que: Con este valor se acudió a buscar un capacitor de mayor capacidad que la calculada y se encontró uno de el cuál cubrió de manera excelente lo que se necesitaba para hacer el filtro. Por último se colocaron reguladores de corriente y uno de voltaje ya que necesitaríamos únicamente 5 volts para todos los motores y para la alimentación de la parte digital que es la de control mediante el PIC16F877A. En la siguiente figura se observa la colocación de estor transistores reguladores de corriente de tipo corcholata. 42 Figura 23 Fuente de alimentación con los reguladores de corriente La fuente armada se muestra en la figura 24. Figura 24 Fuente de alimentación terminada 43 8.2 Driver para motor a pasos Para el diseño de los drivers se tomaron en cuenta las características de los motores PaP. Como los motores con los que se cuenta son de tipo unipolar se requieren 5 pines de entradas digitales, un par de pines de entrada del voltaje regulado para alimentar las salidas hacia el motor PaP y los 6 pines de salida del motor. 8.2.1 Pruebas en protoboard Para el diseño de los drivers para controlar a los motores paso a paso primero se probo en un protoboard el circuito y se ajusto hasta que se consiguió el comportamiento deseado, esto es que el motor avanzara correctamente un paso cada vez que se le enviara la señal de avanzar, retroceder y funcionar con una señal de pulsos modulando la frecuencia para probar que no se sobrecalentara con un uso demandante. En la figura 25 se muestra el driver montado en la protoboard. Figura 25 Pruebas del driver en el protoboard 44 8.2.2 Diseño de circuito impreso Una vez verificado el correcto funcionamiento del driver en la protoboard se procedió a diseñar el circuito impreso en un software especializado. Ya que como se menciono anteriormente se tomó la decisión de usar la técnica de la serigrafía para la fabricación de nuestro circuito impreso y para conseguir una calidad profesional se requiere tener un diseño de circuito impreso de una calidad también profesional la cuál solo se consigue con la ayuda de este tipo de software. El circuito se puede previsualizar dentro del software para así poder ver como quedara en la vida real al terminar de soldar todos los componentes, esto se muestra en la figura 26. Figura 26 Visualización real del driver Una vez diseñado el circuito impreso se imprimió en una hoja de papel albanene y se llevó a grabar en un marco serigráfico a un local especializado. El diseño del circuito impreso quedó como se muestra en la figura 27. 45 Figura 27 Circuito impreso 8.2.3 Marco serigráfico Como se mencionó en la sección 7, este es un proceso de suma importancia ya que de el dependerá la calidad de la impresión final sobre la placa de cobre. Y como para realizar este paso se necesitaban de unas condiciones muy específicas para trabajar con las cuales no se contaba, se acudió a un local especializado, donde a parte de ser muy rápido el proceso, fue muy económico y quedó excelente como se muestra en la figura 28. Figura 28 Marco serigráfico con el circuito impreso 46 8.2.4 Impresión serigráfica Para el siguiente paso, que era la impresión serigráfica, se necesitaba de un mecanismo de agarre del marco serigráfico llamado pulpo, el cual tiene la función de sostener de manera fija el marco serigráfico para garantizar una correcta impresión del circuito y que por lo tanto es de vital importancia para obtener una buena calidad. Como no se contaba con dicho mecanismo se opto por construir uno usando elementos que se encontraban a la mano en ese momento y el resultado fue muy bueno y se puede observar en las figuras 29 y 30. Figura 29 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico abierto 47 Figura 30 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico cerrado Contando con el pulpo se procedió a la impresión del circuito impreso sobre la placa de cobre quedando como se muestra en la figura 31. Figura 31 Placas de cobre con el circuito impreso del driver 48 8.2.5 Ataque químico con cloruro férrico Una vez impreso el circuito en las placas de cobre se procedió a acelerar el secado de la tinta con el uso de una pistola de calor, cuando se logro secar completamente la pintura de sumergieron las placas, de una en una, a la solución de cloruro férrico como se muestra en la figura 32. Figura 32 Ataque químico con cloruro férrico Para acelerar este proceso de ataque químico se mantuvo en movimiento constante el recipiente con el cloruro férrico y así se termino en un tiempo aproximado de 3 minutos. Se retiro la placa de la solución química y se observó que se el ataque disolviera en su totalidad las zonas expuestas de la placa de cobre, al verificar esto se obtuvo la placa como se muestra en la figura 33. 49 Figura 33 Placa de cobre después del ataque químico con cloruro férrico El siguiente paso fue quitar la tinta con un solvente especial y que las placas quedaran como se muestra en la figura 34. Figura 34 Placas de circuito impreso terminadas 50 8.2.6 Ensamble y soldado de los componentes Por último antes de poder soldar los componentes sobre la placa se realizaron las perforaciones por donde atravesarían las patitas de los componentes con un mototool y una broca de 1/32”. Una vez realizadas estas perforaciones, se procedió a montar los componentes. Los primero componentes que se colocaron fueron los rectificadores IRF644, y como estos transistores son los que disipan mucho calor se les coloco un disipador de gran tamaño para todos, ver figura 35. Figura 35 Colocación de los rectificadores con disipador de calor Posteriormente se procedió a colocar el resto de los componentes para obtener el circuito como se muestra en la figura 36. 51 Figura 36 PCB con todos los componentes montados Por último se soldaron los componentes para proceder a realizar las pruebas con un motor a pasos. En esta etapa se aprendió a soldar ya que no se contaba con una experiencia previa y los resultados se muestran en la figura 37. Figura 37 Cara de cobre del PCB con los componentes soldados 52 8.3 Pruebas del driver fabricado Para poder probar el driver fabricado se requirió diseñar un circuito de pruebas muy básico con un microcontrolador PIC16F877A y así poner en funcionamiento a los 3 motores a pasos para también probar que la fuente fuera capaz de alimentarlos al mismo tiempo. Este circuito de pruebas se muestra en la figura 38. Figura 38 Circuito de pruebas con el microcontrolador PIC16F877A Finalmente se probaron los motores en funcionamiento con un programa sencillo el cual los ponía a girar en distintas velocidades. Una imagen de como se veía el circuito de pruebas con un driver y un motor se muestra en la figura 39. Figura 39 Circuito de pruebas con un solo motor 53 Posteriormente también se fabrico el circuito de pruebas con el microcontrolador y en la figura 40 se muestra su diseño. Figura 40 Diseño del circuito de pruebas para su fabricación 8.4 Estructura del mini centro de maquinado En esta sección se describe la estructura que le brinda el soporte necesario a nuestro mini centro de maquinado. Como se mostró al inicio de este reporte, existen diversos tipos de maquina herramienta, las cuales se encuentran en distintas configuraciones. Para este proyecto se optó por una maquina de tipo vertical por el tipo de uso que se le pretende dar. 8.4.1 Diseño de la estructura principal Para el diseño de la estructura principal, una vez seleccionado el tipo de maquina que se quiere construir, primero se consiguió el material necesario. Se acudió a una tienda de desperdicios industriales donde se encontró un material de perfil rectangular de aluminio el cual pareció adecuado para el armado de la estructura principal del mini centro de maquinado. Se procedió a el diseño de la estructura principal, y como se necesitaba cortar el material, y soldarlo. Y tomando en cuenta que como se trataba de aluminio se necesitaría de soldadura especial se acudió al taller de materiales de la UAMI para que ellos llevaran a cabo este trabajo (Ver Anexo B). La maquina ya soldada quedo como se muestra en la figura 41. 54 Figura 41 Estructura del mini centro de maquinado 8.5 Sistema de desplazamiento lineal El sistema de desplazamiento es aquel que le permite al mini centro de maquinado realizar desplazamientos lineales y de manera suave, impidiendo así, que hayan movimientos que generen desviaciones en la trayectoria o vibraciones que afecten con la calidad del maquinado que se espera obtener. Para seleccionar este sistema se acudió al mercado de deshueso antes mencionado y se encontraron unos baleros cilíndricos que son específicos para conseguir un desplazamiento lineal con la ayuda de unas guías llamadas flechas rectificadas. Como estos baleros cilíndricos cuentan con unas hojas de especificación, ahí se pudo consultar la medida necesaria de las flechas rectificadas, y como no es una medida estándar, se tuvo que hacer una nueva solicitud al área de taller mecánico para maquinar una barra de aluminio, adquirida previamente en una tienda de metales, y así obtener las flechas rectificadas que necesitamos para construir la maquina. En la figura 42 podemos observar una imagen de los baleros de desplazamiento lineal y en la figura 43 se muestra una imagen de las flechas rectificadas. Figura 42 Baleros de desplazamiento lineal marca THK 55 Figura 43 Flechas rectificadas para los baleros de desplazamiento lineal 8.6 Sistema de torque El sistema de torque es el que sirve para transformar los giros de los motores a pasos en desplazamientos lineales mediante un acople entre el motor a pasos y el sistema de torque. En este caso se selecciono como sistema de torque un tornillo sin fin de tipo comercial por encontrarse en un precio económico aunque tiene la desventaja de que necesita mantenerse muy bien lubricado. Esto es porque al no ser especial para desplazamiento lineal, sus cuerdas no son tan inclinadas como las del tornillos sin fin especiales. A continuación, en la figura 44 se muestra el tornillo sin fin comprado. Figura 44 Tornillo sin fin comercial 56 9 Conclusiones y trabajo a futuro Podemos concluir primeramente que es posible conseguir los elementos necesarios para la construcción de un mini centro de maquinado a un bajo costo sabiendo buscar en los mercados de deshueso ya que así se consiguieron la mayoría de los componentes a una fracción de su precio normal. Las pruebas realizadas en este proyecto únicamente incluyeron aquellas descritas en la sección del driver para el motor a pasos, ya que lamentablemente por el corto tiempo que se tuvo para desarrollar este proyecto, así como algunos retrasos en la parte de talleres, incluida la pérdida de material, solo se consiguió llegar a este punto que es el de diseño completo y fabricación de las piezas por separado. Cabe destacar que la experiencia y conocimiento generado a partir de este proyecto es bastante ya que en él se conjuntan diversas áreas del conocimiento como lo son, la electrónica digital, la electrónica de potencia, la mecánica, las estructuras metálicas, la programación, y la fabricación de circuitos electrónicos. Es por esto que este proyecto cuenta con lo suficiente para ser un proyecto terminal que abre la brecha para seguir trabajando en el y terminar su desarrollo para que lleve a cabo las tareas para las que fue pensado. 9.1 Trabajo a futuro Como trabajo a futuro podemos señalar que quedan pendientes: La programación de la interfaz computacional con el mini centro de maquinado por puerto paralelo o, si se rediseña el circuito de pruebas, podría ser compatible con el puerto USB. Terminar con el ensamblado de la parte mecánica, con la estructura metálica y la circuitería digital para el control de los motores. Continuar con una segunda etapa donde se diseñe un nuevo modelo de este primer mini centro de maquinado, utilizando al primero para la construcción del segundo de mejor calidad. 57 Bibliografía José Castañeda, Uriel Gutiérrez y Miguel Urquidez, “Manejo de máquinas de control numérico”, Centro Nacional de Actualización Docente Mecatrónica, DGETI, 2000. José Angulo U., Susana Romero Y. e Ignacio Angulo M., “Microcontroladores PIC: Diseño práctico de aplicaciones 2ª parte”, Ed. Mc Graw Hill, 2ª edición, 2006. R. Boylestad y L Nashelsky, “Electrónica: Teoría de circuitos”, Ed. Pearson Educación, Sexta edición, 1997. A. L. Casillas, “Maquinas: Cálculos de taller”, manual técnico 58 Apéndice A.- Hoja de datos del balero de desplazamiento lineal 59 Apéndice B.- Solicitudes de trabajo al Taller de materiales 60 61 Apéndice C.- Plano de la base de la estructura del mini centro de maquinado. 62