REDIELUZ

ISSN 2244-7334 / Depósito legal pp201102ZU3769 Vol. 10 N° 1 • Enero - Junio 2020: 120 - 129

MAQUINA DE CONTROL NUMÉRICO CON CONTROL EN TIEMPO REAL PARA TRABAJOS EN MADERA

(Numerical control machine with real-time control for wood work)


ÁREA INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA

Luis Argel1 y Maxsell Kammerer2 1Universidad Pontífice Bolivariana, Colombia 2Universidad de la Guajira, Colombia maxsellk@gmail.com


RESUMEN

La presente investigación tuvo como objetivo principal proponer un prototipo de control numérico CNC con control en tiempo real de bajo coste para elaboración de productos a partir de la madera. La delimitación del estudio se abordó para productos de geometría sencilla en dos planos y para aplica- ciones domésticas. La misma estuvo sustentada teóricamente por Courier (1998) y Craig (1989). La metodología utilizada en la investigación fue pro- yectiva no experimental, de diseño de campo, tran- saccional. La investigación estuvo conformada por cinco (5) fases. Que abarcaron desde la caracteri- zación del proceso de fabricación del prototipo de CNC para manipulación y procesamiento de made- ra, hasta la puesta en marcha de la máquina. Los resultados evidencian el desarrollo de la máquina de bajo costo empleando materiales de reciclaje y elementos cuyo funcionamiento y conexión es de Fácil manipulación de parte de cualquier operador por lo que el CNC es adecuado para la función que realizara.

Palabras clave: control numérico, tiempo real, CNC, prototipo, madera, bajo coste.


Recibido: 27-01-20 Aceptado: 07-03-20.

ABSTRACT

The main objective of this research was to pro- pose a CNC numerical control prototype with low- cost real-time control for the production of products from wood. The study delimitation was addressed for simple geometry products in two planes and for domestic applications. It was theoretically suppor- ted by Courier (1998) and Craig (1989) The metho- dology used in the research was non-experimental projective, field design, transactional. The research consisted of five (5) phases. They ranged from the characterization of the manufacturing process of the CNC prototype for wood handling and processing, to the start-up of the machine. The results show the development of the low-cost machine using recy- cling materials and elements whose operation and connection is easy to handle by any operator, so the CNC is suitable for the function it will perform.

Keywords: numerical control, real time, CNC, prototype, wood, low cost.


INTRODUCCIÓN

Según Groover (1998) El control numérico (CN) es un sistema de automatización de máquinas-he- rramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento. El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un progra- ma informático, por lo que estaríamos tratando de un control numérico por computador (CNC).

Para Shigley (2010) La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han hecho aumentar enormemente la producción, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de con- formado que era difícil de hacer con máquinas con-


vencionales, por ejemplo, la realización de super- ficies esféricas manteniendo un elevado grado de precisión dimensional. Finalmente, el uso de CNC incide favorablemente en los costos de producción al reducir los costes de fabricación de muchas má- quinas, manteniendo o mejorando su calidad.

Actualmente García (2010) comenta que existen en el mercado una infinidad de máquinas de con- trol numérico con múltiples configuraciones y posi- bilidades, siendo una característica muy común el elevado coste económico de las mismas. Debido a esto, surgen en la red muchas propuestas de má- quinas de control numérico caseras usando mate- riales de fácil manipulación (madera, plástico, entre otros.) y componentes reciclados como motores de impresora o guías de escáneres. También surgen propuestas más profesionales en las que se usan mejores componentes y materiales más adecuados (como aluminio o acero).

La investigación consiste en la creación de una máquina profesional CNC de 3 ejes a un mínimo coste, fácil de fabricar, fácilmente ampliable a más ejes (por módulos) y que posea una alta precisión. Con ello se busca que cualquier persona interesa- da en la fabricación con máquina de control numé- rico pueda crear la suya propia a un bajo coste y sin necesidad de poseer una gran cantidad de he- rramientas.


OBJETIVO

Implementar una maquina de control numérico con control en tiempo real para trabajos en madera


FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA


Actuadores (motores a paso)

En primer lugar trataremos el actuador más utili- zado en sistemas de control de bucle abierto. Este actuador es el motor paso a paso (Figura 1), un dis- positivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angu- lares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.


Figura 1. Motor a pasos.


Fuente: Graig (1989)


Entre sus principales ventajas se encuentran:


Máquina de control numérico

En lo que respecta a la máquina de control nu- mérico, en primer lugar, se detallará el diseño crea- do, describiendo también todos los materiales y herramientas necesarias. Tras esto, se procederá a describir paso a paso el proceso de fabricación seguido.

Figura 7. Maquina CNC.


Fuente: Argel y Kammerer (2019)

Materiales e instrumentos utilizados Estructura

Podemos apreciar como para toda la estructura de la máquina se ha usado un único perfil de alumi- nio cortado extraído de equipos obsoletos (Impre- soras, Escáner, Entre otros) como soporte de los distintos sistemas de transmisión de potencia que este lleva. Así mismo, López (2010) propone tam- bién posee detalles realizados de manera artesanal con madera como materia prima fácil de encontrar.



Motores paso a paso (unipolares)

Para la experiencia de diseño y fabricación se utilizaron un total de tres motores a paso unipolares (Full Step 7.5 grados) los cuales permitirán el mo- vimiento de los carros en los 3 ejes coordenados. Los motores elegidos fueron extraídos de equipos obsoletos como impresoras y/o escáneres dañados para evitar el bote de los mismos y contribuir al reci- claje. A continuación, se muestran imágenes de los motores de paso.

Figura 8. Motores de Paso (a: Eje X), (b: Eje Y), (c: Eje Z).


Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Estos motores, especialmente el motor (c) el cual fue producto del desarme de un disco “Floppy” o disco de Diskette anteriormente utilizado en los ordenadores como fuentes de almacenamiento de información y datos. Por simplicidad y economía fue utilizado además que cuenta con la soporteria ne- cesaria para la instalación del eje Z completamente.

Sistema de Transmisión de Potencia

Para la fabricación e implantación del sistema de trasmisión o movimiento se utilizaron engranes de plástico los cuales fueron extraídos de equipos ob- soletos, así mismo se utilizó como medio de trans- misión las correas que estos equipos anteriormente mencionados también poseen de fábrica con la fi- nalidad de facilitar el sistema de movimiento. Se uti- lizaron un total de dos (2) correas lineales de dien- tes trapezoidales con las siguientes características:

  1. Longitud total correa Eje Y: 75 cm.

  2. Longitud total correa Eje X: 50 cm.

  3. ANG, Angulo del motor por paso: 7.5 grados.

  4. DM, Diámetro del eje del motor: aprox 6mm.

  5. DR1A, Diámetro mayor rueda intermedia:

    aprox 20mm.

  6. DR1B, Diámetro menor rueda intermedia:

    aprox 6mm.

  7. DR2A, Diámetro mayor rueda externa: aprox

    20mm.


  8. DR2B, Diámetro menor rueda externa (donde

    se coloca la correa cremallera) aprox: 10mm.

  9. Dxy, Desplazamiento cartesiano total

Sustituyendo en:

Dxy = Angulo Total * Desplazamiento por grado.

Dxy = [ANG * (DM / DR1A) * (DR1B / DR2A)] * [PI * (DR2B / 2) / 360] (3).

Reemplazando los valores anteriormente descritos:

Dxy = [7.5 * (6 / 20) * (6 / 20)] * [PI * (10 / 2) / 360]

= 0.03mm.


Sensor óptico de inicio de carrera

Para la selección del sensor óptico de carrera, se tomó así mismo con el motor de pasos del “Floppy” de un ordenador, se extrajo así mismo el sensor óptico de inicio de carrera que es el que permitirá iniciar el descenso del carro en el eje Z una vez la orden este dada para la instrucción de dibujo. Aho- ra bien, este sensor fue escogido por la simplicidad y económica al tener el sistema de floppy completo como parte de una donación del CPU o equipo de computación totalmente obsoleto. Robot Institute of América (1979).

Cabe resaltar que existen un total adicional del mencionado dos (2) sensores ópticos de inicio de carrera para los ejes X y Y respectivamente los cuales son los encargados de dar el paso inicial al movimiento de los carros en X y Y dar un posiciona- miento ordenado por PC en función de la posición XYZ del código. A continuación, se presenta una imagen de estos sensores extraídos uno del Floppy y otros adquiridos nuevos para su uso en la maqui- na CNC.

Figura 9. Sensores Ópticos de Inicio de Carrera (a: Eje X), (b: Eje Y), (c: Eje Z).


Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Microcontrolador PIC

El microcontrolador seleccionado es el PIC24F- J128GA006, por ende se debe usar el compilador C30, que forma parte de esta familia de micro con- troladores, su función nativa es a través de lenguaje


C. Para el desarrollo del microcontrolador, se utilizó el ambiente de desarrollo integrado (IDE) MPLAB, creado por Microchip Technology, ya que permite llevar a cabo distintas etapas de un proyecto, como lo son: ensamblaje, edición, simulación y progra- mación. A continuación se presenta una imagen de la simulación realizada en el software “Proteus” donde se evidenciara el CPU del Microprocesador o del controlador del sistema. Así mismo se mues- tra los drivers ULN2003A utilizados para estable- cer una comunicación síncrona entre los motores paso a paso y la placa base o el micro controlador en la figura 4

Figura 10. CPU del PIC24FJ128GA006


Figura 11. Ventana de MPLAB


Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Donde se debe escoger el tipo de controla- dor a utilizar, en este caso es de la serie PIC24F, posee una alta eficiencia en microcontrolado- res avanzados de 16 bits. Ahora bien para crear el proyecto, El archivo .asm que se va a crear debe ser relacionado a un proyecto para su en- samblaje, detección de errores de sintaxis, ob- tención del .hex y simulación. Michala (2009).


Figura 12. Ventana de MPLAB para nuevo proyecto



Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Para trabajar en el entorno de MPLAB (Interfaz Maquina-Humano-Proceso), es necesario: selec- cionar dispositivo, crear proyecto, seleccionar he- rramientas de lenguaje, crear código fuente, agregar los archivos al proyecto, construir proyecto. Desde el software, se debe seleccionar configure---select device y aparecerá en pantalla una imagen como la que se muestra a continuación:

Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Para crear el proyecto desde el menú principal seleccione Proyect---New proyect. Luego se habi- lita una opción en donde se asigna un nombre al proyecto (sin extensión) y en Project Directory es- criba la dirección donde desea crear el proyecto. Luego desde el menú active toolsuite, seleccionar el microcontrolador.

Figura 13. Ventana de MPLAB para nuevo lenguaje


Fuente: Argel y Kammerer (2019)



Posteriormente, se seleccionan las herramien- tas de lenguaje asociadas, por ejemplo:

Figura 14. Ventana de MPLAB para nuevo lenguaje y

configuración del ensamblador


Fuente: Argel y Kammerer (2019)


Luego se inicia la carga de comandos a través, de etiquetas, mnemónicos, comentarios y operandos.

Figura 15. Ventana de comandos.


Se agregan los archivos al proyecto, para luego iniciar el ensamblado (construcción), del proyecto, a través de Project---build all. A este solo se apli- caron los comandos sencillos de desplazamiento a través de cada uno de los ejes.


CONCLUSIONES

A través de los resultados de la investigación pudo constatar que si es posible el desarrollo a bajo coste de un prototipo de CNC para actuar so- bre productos a partir de materias primas maderas y afines.

Lo que hacen factible el abordaje de proyectos o emprendimientos en sectores productivos para la elaboración en serie de cocinas, muebles, inmobi- liario y equipamientos varios para hogares y ofici- nas en centro de desarrollos locales con capitales discretos para su inicio.

Es por ello que es de menester considerar los parámetros, requerimientos mínimos necesarios y exequibles en el mercado para poder obtener un dispositivo de calidad y con el nivel de producción ajustado a los trabajos que este desarrolle.


REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS

Arias, Fidias (2010) “Metodología de la Investiga- ción” Editorial Epísteme, 2da Edición, Caracas, Venezuela.

Courier (1998) “Robótica Industrial” Editorial Ma- combo en su Segunda edición.

Craig (1989) “control de movimiento de robots Ma- nipuladores”. Libro editorial Pearson en su segun- da edición.

García (2010) “Robótica aplicada” Fundamentos teóricos-prácticos de la cátedra: Robótica indus- trial de la universidad politécnica de Madrid, Es- paña.

Groover (1998) “Robótica Industrial: Tecnología Programación y aplicaciones”. Editorial Mw Graw Hill en su Primera Edición.

Michala (2009) “Fundamentos de Robótica Indus- trial” Quito, EPN-FEPON.

Hernández, Fernández y Batista (2012). “Metodolo- gía de la Investigación” Editorial McGraw Hill. 6ta. Edición. México DF, México.


Fuente: Argel y Kammerer (2019)


López (2010) “Robótica y aplicaciones” Fundamen- tos teóricos-prácticos de la cátedra: Laboratorio de Robótica industrial de la universidad politécni- ca de Madrid, España.

Robot Institute of América (1979) “Instituto Ameri- cano de Robots” con sede en Estados Unidos de América.

Shigley (2010) “Diseño de Maquinas” Editorial Mw Graw Hill, 6ta Edición en Español. México DF.