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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE CIENCIA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Automatización de un Taladro Fresador.
Luis Fabián Delgado Miranda
Automatización de un Taladro Fresador.
Trabajo de graduación presentado a la Facultad de Ciencia, en cumplimiento
parcial de los requisitos exigidos para optar al grado de INGENIERO FÍSICO.
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
SANTIAGO – CHILE
AÑO 2012
Automatización de un Taladro Fresador.
Luis Fabián Delgado Miranda.
Este trabajo de Graduación fue elaborado bajo la supervisión del profesor guía
Dr. Raúl Labbé Morales, del Departamento de Física y ha sido aprobado por los
miembros de la Comisión Calificadora, de, candidato, Dr. Ernesto Gramsch, Dr.
Rodrigo Hernández y Dr. Roberto Bernal.
___________________ ___________________ ___________________
Calificador 1 Calificador 2 Calificador 3
_____________________
Profesor Guía
_____________________ Director
Agradecimientos Agradezco a mi profesor guía Dr. Raúl Labbé Morales la oportunidad de
trabajar en el laboratorio de Turbulencia, en donde aprendí muchas cosas
relevantes para mi desarrollo como Físico e Ingeniero.
Agradezco especialmente al Sr. Gastón Bustamante por la valiosa ayuda que
me brindó en las diversas etapas de construcción de lo varios montajes que se
requirieron durante este trabajo de tesis.
Finalmente, agradezco a mi familia, especialmente a mi hermano, por su apoyo
y ayuda. Agradezco a mis amigos por la muestra de interés y preocupación por
el trabajo que realicé.
Este trabajo contó con financiamiento proveniente del proyecto FONDECYT
#1090686
II
Tabla de contenidos
Agradecimientos……………………………………………………………… I
Tabla de contenidos…………………………………………………………. II
Resumen……………………………………………………………………….. IV
Capítulo 1 Introducción……………………………………………………. 1
1.1 Control y automatización………………………………………….. 1
1.2 Descripción del trabajo…………………………………………….. 2
Capítulo 2 Taladro Fresador y Mesa Rotatoria………………………... 4
2.1Taladro Fresador……………………………………………………. 4
1.2 Mesa Rotatoria……………………………………………………… 6
Capítulo 3 Motor paso a paso Bipolar…………………………………... 7
3.1 Descripción………………………………………………………….. 7
3.2 Características……………………………………………………… 10
Capítulo 4 Montajes………………………………………………………… 13
4.1 Montaje para el movimiento longitudinal………………………… 13
4.2 Montaje para el movimiento transversal…………………………. 17
4.3 Montaje para el movimiento vertical……………………………… 20
4.4 Montaje para el movimiento rotacional…………………………... 25
Capítulo 5 Sistema de control……………………………………………. 29
5.1 Tarjeta de control…………………………………………………… 30
5.2 Software…………………………………………………………….. 36
III
Capítulo 6 CAD/CAM
6.1 Programa LazyCam………………………………………………... 42
Capítulo 7 Conclusión
6 Conclusión…………………………………………………………….. 44
Capítulo 8 Referencias
7 Referencias……………………………………………………………. 46
IV
Resumen
El taladro fresador es una máquina herramienta de movimiento continuo
que permite el taladrado de agujeros en metales y otros materiales mediante
brocas de diferentes diámetros, además del mecanizado de precisión de piezas
de variados materiales por medio de herramientas de corte llamadas fresas. El
modelo Rf-31 de la marca RUNG FU, es un taladro fresador en el cual los
desplazamientos se controlan manualmente. El propósito de este trabajo de
tesis es transformar esta máquina herramienta manual en una controlada a
través de un PC. Esto último es conocido como control numérico
computarizado (CNC). Para ello, se diseñó un sistema de lazo abierto para
automatizar los movimientos del taladro fresador. Utilizando motores paso a
paso acoplados mediante correas y poleas sincrónicas, se procedió al
reemplazo de las manivelas y palancas de este sistema manual.
En cada unos de estos reemplazos se diseñó un montaje acorde a la
geometría de la máquina, garantizando que estos fueran robustos y estables
mecánica y eléctricamente. Cada uno de estos montajes fue diseñado mediante
Solid Edge.
Se diseñó una interfaz de comunicación entre el PC y los motores,
constituida por la electrónica de control, la fuente de poder y un sistema de
ventilación. La comunicación entre estos se realizó a través del puerto paralelo
del PC.
V
Se empleó el Software MACH3 para controlar los motores, el cual a partir
de instrucciones en código G, le envía las instrucciones requeridas a estos.
Este software puede llegar a controlar hasta cuatro motores en forma
simultánea.
Se realizó una prueba de escribir una palabra en el taladro automatizado,
la cual fue desarrollada con éxito. Mostrando una estabilidad en el montaje del
sistema durante el movimiento de los motores y el de la mesa. Además, se
logró la eliminación del juego mecánico de la fresadora en el transcurso de la
prueba.
1
1 Introducción
1.1 Control y automatización
El control de un sistema automatizado, de una máquina o de un proceso,
tiene como objetivo el poder gobernar la actividad y la evolución de éste,
garantizando su éxito, sin la intervención continua del hombre. Lo anterior es
especialmente útil cuando se trata de tareas rutinarias, o aquellas que resultan
peligrosas, o las que exceden las capacidades físicas, de análisis o
razonamiento, o en donde un operador humano no resulta eficiente en el uso de
los recursos materiales o económicos, maximizando así el bienestar y
seguridad de las personas.
Una forma de automatizar es a través del control numérico
computarizado (CNC). En este tipo de control, es un computador el que controla
la posición y la velocidad de los motores que mueven los ejes de la máquina a
controlar. Las indicaciones dadas se obtienen describiendo las operaciones de
la máquina en términos de las instrucciones especiales y de la geometría de los
componentes, creando archivos informáticos especializados o programas de
piezas. A estas instrucciones se les llama código, entre estos está el código G
[1]. Este código le entrega órdenes de movimiento a la máquina (Movimientos
rápidos, avances, avances radiales, pausas, ciclos).
2
Bajo esta lógica, este trabajo de tesis apunta a la creación de un sistema
de control para un taladro fresador marca RONGFU modelo RF-31, el cuál
cumple la función de fabricar variadas piezas para distintos montajes en el
Laboratorio de Turbulencia, las cuales deben tener una alta precisión, y suelen
demandar mucho tiempo en su elaboración. Por esta razón, es necesaria la
creación de un sistema que controle de manera eficiente esta máquina.
1.2 Descripción del trabajo
Este trabajo consistió en implementar un sistema de lazo abierto para el
control y automatización del taladro fresador. Se creó un montaje en el que 3
de las 4 manivelas de éste son reemplazadas por motores paso a paso, para
poder controlar el movimiento de la mesa de la fresadora y del cabezal
portafresa. También se diseñó un montaje para una mesa rotatoria, en el cuál
también se implementó la idea de cambiar la manivela por un motor paso a
paso. En estos montajes se utilizaron correas y poleas sincrónicas para
multiplicar el torque ejercido por los motores sobre los ejes, y también aumentar
la resolución de los movimientos.
También se construyó una interfaz que permite la comunicación entre el
PC y los motores, compuesta por una fuente de poder que entrega 36V y 8A, y
una tarjeta controladora de motores paso a paso TH–4DV-M. Está última se
comunica con el PC a través del puerto paralelo.
3
Se utilizó el programa de control MACH3, el cuál puede manejar hasta 4
motores paso a paso. Una de las capacidades interesantes de este programa
es hacer que los juegos mecánicos (backlash) se eliminen durante el
funcionamiento del sistema automatizado.
4
2 Taladro fresador y mesa rotatoria
2.1 Taladro fresador
El taladro fresador que se automatizará es de marca RONG FU modelo
RF-31 [2]. Posee un motor trifásico con una potencia de 1.5 [Hp]. Tiene una
mesa de dimensiones de 730 mm x 220 mm. La masa total de la fresadora es
de aproximadamente 300 kg.
Figura 2.1. Taladro fresador marca RONG FU Modelo RF-31.
5
Este taladro fresador posee dos movimientos en su mesa, transversal y
longitudinal (eje X y eje Y respectivamente), y un movimiento vertical del
cabezal portafresa (eje Z). Para el movimiento longitudinal utiliza dos manivelas,
una en cada extremo de la mesa, que hacen girar el mismo husillo. Sólo una de
estas tiene una graduación. Para el movimiento transversal, tiene una manivela
graduada, que se encuentra en la parte frontal de la máquina. Para el
movimiento vertical utiliza una manivela y un juego de tres palancas, ubicadas
en el costado derecho. Las palancas se utilizan para movimientos más largos y
la manivela para movimientos más precisos, para lo cual cuenta con un sistema
de graduación. Para utilizar esta manivela, el eje del conjunto de palancas tiene
un sistema de bloqueo, lo que da la posibilidad de trabajar únicamente con la
manivela de mayor precisión cuando el bloqueo se encuentra activado.
En lo que respecta al movimiento de la mesa, esta se puede desplazar
430 mm longitudinalmente y 185 mm transversalmente. Para ambos
movimientos, cada vuelta de la manivela corresponde a un desplazamiento de
la mesa de 2.5 mm. Como esta está graduada en 50 divisiones, los
movimientos en el plano XY tienen una resolución lineal de 0.05 mm.
En el movimiento vertical, el cabezal puede desplazarse hasta 130 mm.
Para este movimiento, al igual que en los anteriores, cada vuelta de la manivela
hace que el portafresa se desplace 2.5 mm, con una resolución de 0.05mm.
6
2.2 Mesa rotatoria
La mesa rotatoria de marca VERTEX modelo HV-6, está elaborada de
Meehanite de alta calidad, tiene una masa de 12,7 kg, aproximadamente [3].
Ésta posee una manivela para la rotación de la mesa, la cual tiene una
graduación total de 360º. En cada vuelta de la manivela, la mesa rota 4º. A
través de una escala de vernier, estos giros se pueden ajustar hasta 10’’
sexagesimales.
Figura 2.2. Mesa rotatoria marca VERTEX modelo HV-6.
7
3 Motor paso a paso Bipolar
3.1 Descripción
Un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte
pulsos eléctricos en pasos o desplazamientos angulares precisos. Este ángulo
de paso depende del número de polos del estator y del rotor, el cuál va desde
los 90º hasta los 1.8º.
Figura 3.1. Motor paso a paso mostrando su estructura interna.
Hay varios tipos de motores paso a paso, diferenciados por su
constitución y su forma de construcción [4]. Entre estos destacan tres tipos: de
reluctancia variable, de imán permanente e Híbridos (éste último es una
combinación de los anteriores). También se caracterizan los motores por ser
8
unipolares y bipolares. En este trabajo se utilizó motores paso a paso híbridos
bipolares, los cuales se componen por dos bobinas (figura 3.2), las cuales
producen un campo magnético al pasar una corriente por ellas. Al alternar los
polos (1a, 1b, 2a y 2b) con una cierta secuencia, el rotor se desplaza
angularmente. Pero, para que se logre una secuencia apropiada de polaridades
se necesita que las corrientes que pasan por las bobinas cambien de sentido en
instantes precisos, para que así las bobinas inviertan su polaridad. En los
motores bipolares esto se logra invirtiendo las tensiones en los dos terminales
de la bobina en forma simultánea.
Figura 3.2. Motor paso a paso Bipolar.
Para cambiar el sentido de la corriente que pasa por una de las bobinas
se utiliza un puente H (figura 3.3). El cuál está compuesto por unos transistores
que permite que circule la corriente por la bobina en un sentido determinado.
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Figura 3.3. Estructura básica con transistores del puente H.
La secuencia para hacer rotar el motor paso a paso bipolar es la
siguiente:
Terminal 1a + - - - + - - - + - - - Terminal 1b - - + - - - + - - - + - Terminal 2a - + - - - + - - - + - - Terminal 2b - - - + - - - + - - - +
O bien,
Terminal 1a + + - - + + - - + + - - Terminal 1b - - + + - - + + - - + + Terminal 2a - + + - - + + - - + + - Terminal 2b + - - + + - - + + - - +
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Esta secuencia representada gráficamente es
Figura 3.4. Secuencia gráfica de la secuencia motor paso a paso bipolar.
En resumen, en el motor paso a paso bipolar, con puentes H y a través
de unas secuencias de pulsos de determinada frecuencia, se puede controlar
velocidad, posición y sentido de giro sin la necesidad de utilizar un sistema de
retroalimentación, por lo que basta utilizar un sistema de lazo abierto para la
automatización y control de la fresadora a través de estos motores.
3.2 Características
En los montajes utilizamos 4 motores paso a paso, de los cuales uno era
pequeño y los demás grandes. Las características del motor pequeño son
especificadas en la siguiente tabla:
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Motor pequeño
Tipo Motor Bipolar híbrido
Largo motor 76 [mm]
Paso 1.8 °
Corriente nominal 2.5 [A]
Resistencia interna 1.8 [Ω]
Inductancia 6.5 [mH]
Torque retención (mínimo) 1.8 [Nm]
Torque detención (máximo) 0.06 [Nm]
Inercia del rotor 440 [g∙cm²]
Masa del motor 1.05 [kg] Tabla 1. Características motor pequeño.
Las características del motor grande son las siguientes:
Motor Grande
Tipo Motor Bipolar híbrido
Largo motor 78[mm]
Paso 1.8 °
Corriente nominal 4 [A]
Resistencia interna 0.7 [Ω]
Inductancia 3 [mH]
Torque retención (mínimo) 3 [Nm]
Torque detención (máximo) 0.65 [Nm]
Inercia del rotor 1.05 [g∙cm²]
Masa del motor 2.5 [kg] Tabla 2. Característica Motor grande.
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El diseño de estos motores hechos en Solid Edge es mostrado en la
siguiente figura.
Figura 3.5. Motor grande y pequeño diseñado en Solid Edge.
Estos diseños fueron elaborados para hacer el esquema de los montajes
en el software de diseño Solid Edge. Los diferentes diseños de los esquemas
son mostrados en el siguiente capítulo.
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4 Montajes
Se diseñaron 4 montajes para los 4 movimientos que tiene el taladro
fresador y la mesa rotatoria. Este capítulo se analiza cada montaje realizado.
4.1 Montaje movimiento longitudinal.
Para el movimiento longitudinal de la mesa del taladro fresador se cuenta
con dos manivelas. Ambas manivelas se encuentran en los costados de la
mesa, las cuales mueven el mismo husillo.
Figura 4.1. La mesa y sus manivelas del movimiento longitudinal.
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La manivela del lado derecho, está graduada hasta en décimas de
milímetro para los movimientos que ambas producen. Para conservar la escala
de graduación, se eligió eliminar la manivela del lado izquierdo para hacer el
montaje del motor para controlar el movimiento longitudinal de la mesa.
Figura 4.2. Montaje para el movimiento longitudinal.
En este montaje, se utilizaron una polea de 60 dientes y otra de 24, con
lo que queda una razón 5:2. La polea mayor se coloca en el eje del husillo,
mientras que la menor se coloca en el eje del motor. Con esto, se aumenta el
torque producido por el motor al husillo y además aumenta la resolución del
movimiento de la mesa producida por los pasos del motor. Así, con cada vuelta
completa del eje del motor, la mesa se desplaza 1 mm.
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Aprovechando la verticalidad de la pared lateral de la mesa, se utilizaron
unos cilindros de aluminio ahuecados y unos pernos Parker para sujetar una
placa de duraluminio a la mesa, en esta placa está sujeto el motor mediante
pernos Parker. Con esto, se garantiza que esta placa quede vertical, con lo que
el eje del motor queda paralelo al el eje del husillo, pudiendo así alinear las
poleas en forma correcta. Para colocar esta placa, se debió perforar la mesa de
la fresadora en donde irán los pernos. En esta perforación no se hizo hilo; se
utilizaron pernos con tuercas y golillas para fijar el conjunto.
Por otro lado, los agujeros para los pernos de sujeción de la placa tienen
forma de ranura, lo cual permite un desplazar el motor para ajustar a un valor
correcto la tensión de la correa de transmisión. También permite mover el eje
del motor hacia el del husillo, de modo que la correa quede suelta. Este ajuste
también facilita la instalación del montaje.
Figura 4.3. Placa para el motor del montaje del movimiento longitudinal.
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Dado que el duraluminio es un material relativamente blando, en el
montaje se utilizan golillas de acero en la placa que sostiene el motor, para
evitar la deformación debido a la presión que ejerce el perno sobre él.
En este montaje, ambas poleas fueron modificadas para que se ajustaran
de la mejor forma en los ejes. En la polea mayor se copió el diseño de conexión
usado en las manivelas. Además, se les agrego a ambas poleas unos
prisioneros para evitar que resbalen y así pierdan pasos del movimiento.
Figura 4.4. Diseño de poleas de 24 y 60 dientes utilizadas en el montaje del movimiento longitudinal.
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4.2 Montaje en el movimiento transversal
Para este movimiento, el taladro fresador utiliza solamente una manivela
que va en la parte frontal de la máquina. Esta mueve el husillo que le da el
movimiento transversal a la mesa. Esta manivela está graduada, teniendo una
resolución de 0.05 mm.
Figura 4.5. Manivela movimiento transversal de la mesa.
A diferencia del otro montaje, esta parte de la fresadora cuenta con dos
superficies para apoyar el montaje, pero la de mayor superficie, aunque ofrece
un mejor acceso, no es vertical, por lo que se hace difícil utilizar el mismo
método que en el montaje anterior, basado en conectar directamente unos
cilindros con una placa que sujete el motor.
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Para este montaje se ocupan dos placas de duraluminio, ya que la pared
que está en frente del motor está inclinada. Por esto, se acondiciona una placa
que se alinea con la superficie que está vertical, situada en el lugar donde se
conecta la manivela (ver figura 4.6). En la placa en la que se sujeta el motor se
utiliza el mismo método que en el montaje 1, que es utilizar unos cilindros de
aluminio para poder proyectarla en forma paralela a la placa que está vertical.
El largo de los cilindros es tal que las poleas utilizadas quedan alineadas.
Figura 4.6. Montaje para el movimiento transversal.
Se utiliza, al igual que el montaje anterior, poleas que están en la razón
de 5:2 (una polea de 24 dientes y otra de 60 dientes). Como en el caso anterior,
se coloca la polea mayor en el eje del husillo y la menor en el motor.
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En la placa que va en la fresadora, al igual que el montaje anterior, se
usan ranuras en su parte superior para ajustar la distancia entre los ejes del
motor y del husillo. La placa que sostiene el motor está adecuada para que el
motor se fije a ella a ella y para colocar los pernos que unen las dos placas por
intermedio de los cilindros de aluminio.
Figura 4.7. La placa izquierda es la que sujeta al motor. La placa derecha es la que va en la fresadora.
A diferencia del montaje anterior, en este montaje se utilizan unas
perforaciones que ya posee la máquina, en donde van unos pernos de 3/8’’.
Estos se utilizan para colocar la placa que va apoyada en la fresadora. También
se colocan unas golillas de acero para que los pernos no deformen la placa de
duraluminio.
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Las modificaciones hechas en las poleas son las mismas que en el
montaje sobre el husillo longitudinal, ya que la geometría en el lugar de
conexión de las manivelas es la misma en ambos casos.
4.3 Montaje en el movimiento vertical
Para este movimiento, el taladro fresador posee una manivela con
graduación para movimientos precisos y de un conjunto de palanca triple, para
movimiento más largos. En este lugar se instaló el motor para controlar el
movimiento del eje de la manivela. Está manivela está graduada teniendo una
resolución de 0.05 mm para el movimiento vertical de la herramienta de corte.
Figura 4.8. Manivela y palanca para el movimiento vertical.
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En esta parte de la fresadora, hay dos superficies verticales en donde
apoyar el montaje, pero ambas superficies son ortogonales a la superficie
requerida para montar el motor de modo que quede alineado con el eje de la
manivela. Para esto, se utiliza una placa de duraluminio para poder una de las
superficies verticales, y así poder instalar otra placa desde su costado, en
ángulo recto. Esta placa se coloca en la superficie que se encuentra en la parte
superior, ya que hay espacio para poder hacer las perforaciones para colocar
los pernos Parker.
Figura 4.9. Montaje para el movimiento vertical.
Para este montaje se utiliza el motor pequeño. Por una parte, porque no
se requiere de un torque alto para poder mover la manivela, y por otra, porque
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gracias al reducido tamaño del motor, da la posibilidad de ocupar el espacio que
queda disponible al costado de la fresadora, como muestra la figura 4.9. La
placa que va apernada a la fresadora debe ir horizontalmente, cuidando de que
no quede con algún grado de inclinación, ya que la placa en la que se instala el
motor, y que se ajusta a ella desde su costado, debe quedar perpendicular al
eje de la manivela. Esto último garantiza la buena alineación entre dicho eje y el
del motor. Por ello, se utiliza 4 pernos para colocar la placa instalada en la
fresadora, asegurando así su estabilidad ante fuerzas que tiendan a
desplazarla. Tanto el eje del motor como el eje de la manivela son cortos, por lo
que se emplean unas extensiones cilíndricas para alargar los ejes. Estas están
hechas de acero por la dureza que se requiere, ya que cualquier deformación
incidiría en pérdida de precisión, podría no permitir una buena transmisión de
los movimientos, y podría causar que se perdieran pasos del motor.
Figura 4.10. Diseño de las extensiones del eje del motor y del eje de la manivela.
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La placa que sostiene al motor pequeño utiliza ranuras en la parte
superior para poder ajustar la tensión de la correa en el montaje. Dado que la
fresadora cuenta con un mecanismo de bloqueo/desbloqueo para el eje que
comanda el piñón de la cremallera para el movimiento en el eje z, es posible
conservar la característica de taladro manual utilizando el conjunto de palanca
triple para el movimiento vertical del portaherramienta. En los pernos que
sostienen la placa con la fresadora, se utilizó una pletina de acero para evitar la
deformación que produciría la presión de los pernos sobre la placa.
Figura 4.11. La placa izquierda es la que sujeta al motor. La placa derecha es la que va en la fresadora.
Las poleas utilizadas en este montaje son de 16 y 40 dientes, debido al
reducido espacio que hay en el lugar modificado de la fresadora. Estas poleas
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tuvieron que ser modificadas, específicamente, perforarlas para instalar los
alargadores de eje que tenían un mayor diámetro que los ejes originales. La
polea mayor fue colocada en el alargue del eje de la manivela, mientras que la
de menor en la del motor. Con esto, al igual que los montajes anteriores, se
aumenta el torque producido y se aumenta la resolución del movimiento.
Además, con esto, cada vuelta completa dada por el eje del motor, la portafresa
tiene un avance de 1 mm, ya que la relación de vueltas sigue siendo 5:2.
Figura 4.12. Diseño de poleas de 40 y 16 dientes utilizadas en el montaje del movimiento
vertical.
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4.4 Diseño del montaje para el movimiento rotacional
En este movimiento, la mesa rotatoria consta de una manivela para el
giro. Esta manivela consta de una graduación con un ajuste de 10’’ de ángulo
sexagesimal.
Figura 4.13. Mesa rotatoria.
Para la mesa rotatoria se desea un montaje que permita el trabajo de la
mesa en posición horizontal y vertical. Para ello se colocará una placa de acero,
material duro, que sirve de superficie para apoyar en ella la mesa sin que esta
placa se deforme, y además sirva para sostener el motor y las poleas.
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Figura 4.14. Montaje para el movimiento rotacional.
Al igual que en el montaje para el movimiento transversal, se requiere de
dos placas para poder instalar los motores con los cilindros espaciadores.
Aprovechando la verticalidad que otorga la placa de acero y la superficie lateral
que está alineada con esta última, se instala ahí una placa de duraluminio para
poder alinear de forma correcta el eje del motor. Para ello, se hace unas
perforaciones con hilo en la parte lateral de la placa de acero, para poder
instalar con pernos la otra placa. Desde allí se colocan los espaciadores de
aluminio que sujetan la placa del motor, pero, debido a la geometría que hay en
el sector, se debe desplazar unos de los cilindros, para que no roce con la
correa que une a las poleas.
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La placa que va apoyada en la mesa rotatoria, tiene ranuras para el
ajuste en la instalación del montaje. En los pernos que sostienen la placa con la
mesa rotatoria, se ocupa una pletina de acero, para evitar la deformación
producida por la presión que ejerce los pernos en esta placa.
Figura 4.15. La placa izquierda es la que va en el motor, La placa derecha es la que va en la mesa rotatoria.
Las poleas utilizadas en este montaje son de 60 y 24 dientes. Al igual
que los montajes anteriores, la polea mayor va en el eje de la manivela que se
desea controlar y la menor en el eje del motor. Las poleas son perforadas para
poder instalarlas en sus ejes correspondientes.
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Figura 4.16. Diseño de poleas de 60 y 24 dientes utilizadas en el montaje del movimiento
rotacional.
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5 Sistema de Control
El tipo de sistema de control implementado para el taladro fresador es de
lazo abierto. Este tipo de sistema no corre el riesgo de inestabilidades. La
desventaja es que no puede autocorregirse ante alguna perturbación en él.
El diagrama que describe este sistema de lazo abierto es el siguiente:
Figura 5.1. Diagrama del sistema de control de lazo abierto.
En este sistema, el controlador es el PC junto con la interface. Al PC se
le ingresa la variable de referencia r, que puede ser alguna coordenada o
alguna instrucción específica. El PC utiliza el programa Mach3 para enviar
órdenes a la interface a través del puerto paralelo. El PC le envía, a través de
este programa, unos datos en código G (código que trabaja en coordenadas e
instrucciones) a la tarjeta controladora que está en la interface. Esta última a su
vez le envía las instrucciones a los actuadores de este sistema, que son los
motores paso a paso bipolares. Y estos últimos trabajan en los distintos ejes del
taladro fresador. Finalmente, se obtiene la variable controlada y, que es algún
movimiento o posición específica en el Taladro Fresador.
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Como este sistema no reacciona a perturbaciones, su efectividad radica
en lo robusto del montaje, la que se explicó en el capítulo 4, y de la calibración,
que se ajusta a través de la configuración de la tarjeta controladora. Esto último
lo veremos en la sección siguiente.
5.1 Tarjeta de Control
Para el control de los motores paso a paso bipolares, se utilizó una
tarjeta controladora HY-TB4DV-M, que se muestra en la figura 5.2.
Figura 5.2. Tarjeta controladora HY-TB4DV-M.
Esta tarjeta permite controlar 4 motores paso a paso a través de 4
dispositivos controladores TB6560. Estos dispositivos se pueden configurar a
31
través de unos switches insertos en la tarjeta (operating current sub-setting). El
peak de corriente de salida de estos es de 3.5 [A]. La tarjeta se alimenta con
12/36 V de corriente continua. En nuestro montaje se utilizó 24 V, ya que no se
requería de mayor potencia para mover los ejes. La tarjeta se conecta con el
PC a través del puerto PCLPT. Posee reguladores de voltaje de 12 V y 5V. El
primero es para alimentar el ventilador de la tarjeta y el segundo para alimentar
cada uno de los dispositivos del controlador.
El circuito de esta tarjeta para el control de un motor, en este caso, el
motor que controla el movimiento longitudinal, eje x, es el que se muestra en la
figura 5.3.
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Figura 5.3. Circuito de la tarjeta para controlar el motor del eje x.
Para manejar este movimiento del eje x, este requiere la comunicación
con 3 pines del puerto paralelo (PIN 16 para el paso, PIN 4 para habilitar al
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motor y PIN 1 para el sentido de giro). Las señales de estos 3 pines pasan por
el inversor SN74HC14. Posteriormente por optoacopladores PC817, para que
finalmente lleguen al respectivo terminal del dispositivo controlador TB6550.
El circuito integrado del dispositivo controlador se muestra en la figura
5.4.
Figura 5.4. Diagrama en bloques del chip controlador TB6560.
34
En el circuito integrado de la figura 5.4 aparecen 2 moduladores de
ancho de pulso (PWM), los cuales generan las corrientes que requieren los
motores paso a paso para moverse. Además, posee dos puentes H, los cuales
son necesarios para cambiar el sentido del voltaje de las bobinas de los
motores, ya que estos son bipolares.
El paso en el PWM se puede configurar por medio de dos switches, M1 y
M2. Se puede configurar 4 tipos de pasos (1 paso, 1/2 Paso, 1/8 paso y 1/16
paso). La configuración que se eligió es de 1/16 paso, esto es para garantizar
que no se pierdan pasos en las instrucciones entregadas a los motores. La
secuencia de este tipo de paso, para las bobinas a y b de los motores, se ve en
la figura 5.5.
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Figura 5.5. Secuencia de la configuración de 1/16 de paso.
En esta configuración se requiere de 16 micropasos para completar un
paso completo. Con esto, se puede trabajar de buena manera, con la frecuencia
de tope configurada de 25 kHz, sin que se pierdan pasos en los motores.
Otra configuración empleada fue el modo decaimiento de la corriente, el
cuál se configuró de tal modo que la corriente decayera rápidamente. En este
modo, los interruptores del puente H quedan abiertos, por lo que cualquier
corriente que fluye por la bobina del motor trabajará en contra el voltaje de
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alimentación, por lo que la corriente recircula de vuelta a la fuente de
alimentación, decayendo la corriente en forma rápida.
Figura 5.6. Ilustración del decaimiento rápido de la corriente en la bobina.
Este modo permite un mejor manejo en las transiciones del motor para
velocidades altas, ya que en estas velocidades, se requiere que la corriente en
las bobinas decaiga suficientemente rápido.
5.2 Programa Mach 3 para el control.
El programa de control utilizado para manejar la tarjeta controladora es
MACH3, perteneciente a la compañía ARTSOFT.
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Figura 5.6. Ventana principal del programa MACH3.
Este programa trabaja utilizando el código G (código que trabaja por
medio de coordenadas). Pudiendo trabajar en 4 ejes, X, Y, Z y A, (esta última
es la coordenada de la rotación), simultáneamente. En la ventana principal de
MACH 3 (figura 5.6), aparece una pantalla verde que está en la parte superior
izquierda, en ella se muestra el código G cargado. En la pantalla negra, que
está en la parte superior derecha, muestra la figura que se está elaborando. Por
otro lado, este programa permite agregar información de la fresa que se
utilizará, como es su diámetro y longitud, con lo cual el programa, según la
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información entregada, hace las correcciones necesarias para trabajar de
manera correcta en la pieza que se está procesando.
Figura 5.7. Pantalla…
Este programa, en la pestaña MDI (Manual Data Input), mostrada en la
figura 5.7, permite ingresar manualmente las instrucciones para los motores,
como es la coordenada en los ejes, velocidad de desplazamiento, tipo de fresa
que se está ocupando, etc. Con esto se tiene alternativa de trabajar en la
fresadora manualmente, ingresando comandos a través del teclado del PC.
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En la configuración de los pasos de los motores, para la cantidad de
pasos por unidad de distancia en mm se hace un simple cálculo. Tenemos que
para el paso configurado en la tarjeta, deben generarse 16 micropasos para
lograr un paso completo. Por otro lado, en cada paso el motor avanza 1.8º, lo
que equivale a 200 pasos para completar una vuelta. Además, dadas las
relaciones de las poleas, para una vuelta del motor la mesa y/o el portafresa se
desplaza 1mm. Con esto, los pasos por milímetro son:
]mm/micropasos[3200N
]paso/micropasos[16]mm/vuelta[1]vuelta/pasos[200N
Para la velocidad de avance en los ejes, se ingresan los valores en Feed
Rate, los cuales son valores de avance en unidad de distancia por minuto. En la
configuración de nuestro sistema controlado, la unidad de esta velocidad es de
milímetros por minutos. Aunque esta velocidad de avance está limitada por la
frecuencia configurada, que es de 25 kHz. La velocidad límite aproximada es:
min]/mm[75.468v
min])/s[60/1(]mm/pasos[3200/]Hz[25000v
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Este programa tiene la opción de eliminar el juego mecánico que posee
el taladro fresador. Para esto existe la configuración de Backlash (ver figura5.8),
en el que en cada eje se informa el juego mecánico que posee. Además, en
esta corrección que hace el programa, da la opción de poder disminuir la
velocidad en el transcurso de éste.
Figura 5.8. Ventana de configuración de Backlash.
Para la medición de estos juegos mecánicos, se utilizó un reloj
comparador y la fresadora automatizada. Se avanzaba en un sentido la mesa,
haciendo que el reloj indicara alguna medida. Ese punto, en el programa
MACH3, se indicaba como cero. Al cambiar de sentido el movimiento, se
avanzaba con el programa, hasta que el indicador del reloj se moviera. Este
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valor en la coordenada indica el juego mecánico de ese eje en unidades de
distancia.
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6 CAD/CAM
6.1 Programa LazyCam
Este programa, adjunto con el programa MACH3, tiene la capacidad de
transformar imágenes o diseños a código G.
Figura 5.9. Pantalla principal del programa LazyCam.
Este programa permite leer ciertos archivos de diseños, como archivos
de autocad, y posteriormente produce los códigos G respectivos. Pero esto
sólo lo produce de forma efectiva en 2 dimensiones, en el eje X y en el eje Y,
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por lo que se requiere editar posteriormente el archivo de código G,
cambiándole los valores en el eje Z.
Con este programa y con el diseño automatizado y controlado del taladro
fresador, se obtiene un software CAD-CAM (Diseño asistido por computador /
fabricación asistido por computador), que es capaz de diseñar y manufacturar,
en forma automatizada, las piezas que se requiera desarrollar.
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7 Conclusión
En el presente trabajo de tesis se planteó la idea de construcción e
implementación de un montaje que fuera capaz de controlar a un taladro
fresador, a través de unos motores paso a paso bipolares. Estudiar e
implementar un circuito necesario para comunicar el PC a estos motores. Ver la
posibilidad de eliminar los juegos mecánicos de la fresadora.
Se implementaron los 4 montajes, para las 4 manivelas que fueron
cambiadas por motores paso a paso. Estos últimos fueron conectados a través
de correas y poleas sincrónicas con el eje de transmisión.
Se realizaron pruebas, como escribir palabras, para ver la operatividad
de este sistema controlado, las cuales fueron concluidas con éxito. Por un lado,
los montajes mostraron ser bastante robustos y sólidos, mientras se realizaban
los movimientos de los motores y se desplazaba la mesa y el portafresa. Por
otro lado, las piezas elaboradas tenían una buena precisión en sus medidas,
con respecto a las esperadas. Con esto, queda de manifiesto que funcionó de
manera óptima la eliminación de los juegos de la máquina. En la figura 7.1 se
puede ver un dibujo de la máquina con todos los motores montados, junto con
la unidad de control.
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Figura 7.1. Fresadora automatizada e interface de control.
Como trabajo futuro, se puede implementar un sistema automatizado de
lubricación para las fresas o brocas, mientras el taladro fresador esté
funcionando. Esto se puede manejar con la misma tarjeta controladora en la
salida Spindle Interface, con la cual se puede controlar el encendido y apagado
de este sistema.
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8 Referencias
[1] Ricardo Jiménez. “Control numérico por Computadora (CNC)”.
[2] Rong Fu Industry. “Milling & Drilling Machines”. Mayo 2010, Pág 3. Taiwan.
[3] Vertex. “Milling machine accessories”. 2011, Pág 1. Taiwan.
[4] Douglas W. Jones. “Control of Stepping Motors”. 1998. The University of
Iowa Department of Computer Science.