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Dise�o e implementaci�n de una m�quina CNC para la fabricaci�n de placas de circuito impreso para componentes SMD

 

Design and implementation of a CNC machine for the manufacture of printed circuit boards for SMD components

 

Projeto e implementa��o de m�quina CNC para fabrica��o de placas de circuito impresso para componentes SMD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ccjhonny@gmail.com�� �����

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 20 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 30 de septiembre de 2021

 

         I.            Ingeniero en Electr�nica Control y Redes Industriales, cursando una maestr�a en Dise�o, Gesti�n y Direcci�n de Proyectos de Cooperaci�n Internacional en UNINI-MX, Campeche, M�xico.

       II.            Ingeniero en Electr�nica Control y Redes Industriales, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Egresado de Maestr�a en Electricidad menci�n Sistemas El�ctricos de Potencia de la Universidad T�cnica de Cotopaxi, Ecuador.

     III.            Ingeniero en Mecatr�nica, Master universitario en Ingenier�a del Software e Inteligencia Artificial - Universidad de M�laga, M�laga, Espa�a.

    IV.            Ingeniero en Mecatr�nica - Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE - Ecuador, Master universitario en Ingenier�a Mec�nica - Universidad Polit�cnica de Valencia � Espa�a. Candidato PHD en Ingenier�a industrial y de Materiales - Universidad Jaime I � Espa�a.

 

Resumen

Se dise�� e implement� una m�quina de control num�rico computarizado (CNC) para el tallado de placas de circuito impreso (PCB) para elementos de montaje superficial (SMD) con una precisi�n de 0.2mm. Esta investigaci�n busca abaratar los costos de implementaci�n de placas electr�nicas con la utilizaci�n de software libres. Para su implementaci�n se us� la estructura mec�nica de una m�quina CNC modelo 3020T, existente en el mercado. El control del maquinado se lleva a cabo con una placa Arduino UNO programado con el software GRBL dise�ado para el control de m�quinas CNC, el mismo que recibe las instrucciones o comandos de un ordenador a trav�s del puerto USB; estas instrucciones son producto de un c�digo G, que se obtiene a trav�s de un software libre denominado FlatCam. El control de movimiento de los ejes se realiza a trav�s de un controlador JP-382A. En las pruebas de fresado, los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios, tomando en cuenta que placas de esta precisi�n se manufacturan en m�quinas laser.

Palabras claves: Dise�o; m�quina; placas; c�digo; circuito; implementaci�n.

 

Abstract

A computerized numerical control (CNC) machine was designed and implemented for carving printed circuit boards (PCB) for surface mount elements (SMD) with a precision of 0.2mm. This research seeks to lower the cost of implementing electronic boards with the use of free software. For its implementation, the mechanical structure of a model 3020T CNC machine, existing on the market, was used. The machining control is carried out with an Arduino UNO board programmed with the GRBL software designed for the control of CNC machines, the same that receives the instructions or commands from a computer through the USB port; These instructions are the product of a G code, obtained through free software called FlatCam. The movement control of the axes is carried out through a JP-382A controller. In the milling tests, the results obtained were very satisfactory, taking into account that plates of this precision are manufactured on laser machines.

Keywords: Design; machine; plates; code; circuit; implementation.

 

Resumo

Uma m�quina de controle num�rico computadorizado (CNC) foi projetada e implementada para esculpir placas de circuito impresso (PCB) para elementos de montagem em superf�cie (SMD) com uma precis�o de 0,2 mm. Esta pesquisa busca baratear o custo de implanta��o de placas eletr�nicas com a utiliza��o de software livre. Para sua implanta��o foi utilizada a estrutura mec�nica de uma m�quina CNC modelo 3020T, existente no mercado. O controle da usinagem � feito com uma placa Arduino UNO programada com o software GRBL desenvolvido para o controle de m�quinas CNC, a mesma que recebe as instru��es ou comandos de um computador atrav�s da porta USB; Estas instru��es s�o produto de um c�digo G, obtido atrav�s de um software gratuito denominado FlatCam. O controle do movimento dos eixos � realizado atrav�s de um controlador JP-382A. Nos testes de fresagem, os resultados obtidos foram bastante satisfat�rios, visto que as placas desta precis�o s�o fabricadas em m�quinas a laser.

Palavras-chave: Design; m�quina; pratos; c�digo; o circuito; implementa��o.

 

Introducci�n

En el presente art�culo se explicar� el dise�o e implementaci�n de una m�quina (CNC) para la fabricaci�n de placas de circuito impreso para elementos de montaje superficial (SMD). El control num�rico computarizado permite realizar un seguimiento de la posici�n de un elemento durante todo el proceso. La m�quina consta de elementos mec�nicos el�ctricos, electr�nicos y software. Este conjunto de elementos hace posible la fabricaci�n de placas de circuito impreso con l�neas de conducci�n de 0,2mm.

El proceso de manufactura de una placa es controlado principalmente por un Arduino UNO que se encarga de interpretar el c�digo G generado por un software CAM, este a su vez env�a las �rdenes de movimiento a un controlador de motores que los traduce en direcci�n y numero de pasos, pudiendo as� realizar un ciclo de fresado.

El sistema se comunica con la computadora a trav�s del puerto USB, facilitando el uso de computadoras personales a diferencia de las m�quinas anteriores que utilizaban puerto paralelo.

Los m�todos utilizados son el cient�fico para el dise�o del gabinete de control y adaptaciones mec�nicas, y el m�todo experimental para las respectivas pruebas de funcionamiento y el c�lculo de errores absolutos y relativos.

 

 

 

 

Desarrollo

Dise�o e implementaci�n

En el sistema de control de una m�quina CNC se compone b�sicamente de tres elementos en general: el ordenador personal, la unidad de control y la m�quina herramienta.

 

Figura 1. Sistema de una m�quina CNC, autores.

En base a este esquema se puede iniciar con la descripci�n de la implementaci�n.

A.                Software.

Arduino UNO necesita de un c�digo libre para poder interpretar el c�digo G, este software se llama GRBL.

El firmware de GRBL es multiplataforma por lo que funciona en Linux, Mac y Windows en este apartado se explicar� la instalaci�n en Windows.

Para cargar el firmware de GRBL en una placa arduino debemos seguir las siguientes instrucciones:

�         Primero, conectar la placa Arduino UNO a cualquier puerto USB del ordenador.

�         Descargar el firmware.hex de GRBL (se ha utilizado la versi�n v0.8).

�         Descargar el archivo XLoader y luego descomprimirlo.

�         Abrir XLoader y seleccionar el puerto COM asignado para la placa arduino en la parte inferior izquierda del men�.

�         Seleccione el dispositivo apropiado en la lista despegable llamada �Device (Dispositivo)�.

�         Comprobar la velocidad de transmisi�n correcta del dispositivo (Arduino UNO atmega328/ 115200 Baudios.

�         Hacer clic en el bot�n examinar para buscar la direcci�n del archivo GRBL v 0.8.

�         Utilizar el bot�n Upload para subir el c�digo a la placa Arduino UNO.

Despu�s de hacer clic en cargar c�digo se ver� en la placa Arduino parpadear intensamente los leds TX/RX y finalmente se mostrar� la cantidad de bytes subidos en la parte inferior de Xloader.

�         Interfaz Gr�fica De Grbl (Gcodesender).

GRBL tiene que ser configurado, para esto se necesita de una interfaz gr�fica de usuario. GCODESENDER es la que se eligi�, esta brinda un control del software completo tanto en mandos manuales como en funciones espec�ficas; permite cargar el c�digo G de la placa a fresar y hacerle un seguimiento en tiempo real mediante su visualizador gr�fico. Est� escrito en Java lo que significa que es multiplataforma.

 

Figura 2. Visualizador Gr�fico de Gcodesender.

 

�         Configuraci�n De Grbl.

Por medio de comandos $$ se puede configurar los par�metros de GRBL, estos necesitan estar bien configurados para garantizar el correcto funcionamiento de la m�quina. A continuaci�n, todos los par�metros configurados.

$0=400.0000 (x, step/mm)

$1=400.0000 (y, step/mm)

$2=400.0000 (z, step/mm)

$3=10 (step pulse, usec)

$4=1000.0000 (default feed, mm/min)

$5=1000.0000 (default seek, mm/min)

$6=96 (step port invert mask, int: 01100000)

$8=100.0000 (acceleration, mm/sec^2)

$10=0.1000 (arc, mm/segment)

$12=3 (n-decimals, int)

$13=0 (report inches, bool)

$15=0 o 1 (invert step enable, bool)

$16=1 (hard limits, bool)

B.                Hardware.

En cuanto al hardware necesario para el funcionamiento de la m�quina CNC, se tiene como principal elemento a la placa Arduino UNO que se conecta con el controlador de los motores JP-382A por medio de un cable paralelo, como se muestra en el siguiente esquema.

Figura 3. Conexi�n de Arduino con JP-382A.

Tabla 1. Descripci�n de pines de conexi�n.

 

Para la conexi�n del Arduino UNO con cualquier driver de motores paso a paso compatible, se tiene una imagen que muestra la distribuci�n de los pines usados por el firmware GRBL (cargado anteriormente) para poder controlar los movimientos de la m�quina.

 

Figura 4. Pines de Arduino para GRBL.

Direcci�n X-Axis: Pin que da la direcci�n para el motor del eje-X.

Direcci�n Y-Axis: Pin que da la direcci�n para el motor del eje-Y.

Direcci�n Z-Axis: Pin que da la direcci�n para el motor del eje-Z.

Step Pulse X-Axis: Pin que da el n�mero de pasos para el motor del eje-X.

Step Pulse Y-Axis: Pin que da el n�mero de pasos para el motor del eje-Y.

Step Pulse Z-Axis: Pin que da el n�mero de pasos para el motor del eje-Z.

Limit X-Axis: Pin de conexi�n con final de carrera que indica el l�mite m�ximo del eje X.

Limit Y-Axis: Pin de conexi�n con final de carrera que indica el l�mite m�ximo del eje Y.

Limit Z-Axis: Pin de conexi�n con final de carrera que indica el l�mite m�ximo del eje Z.

Reset/Aabort: Pin de conexi�n con el bot�n de paro de emergencia.

�                    Controlador De Motores Y Regulaci�n De PWM Husillo.

El controlador de motores JP-382A encargado de los movimientos de los motores paso a paso, est� hecho a base de circuitos integrados TB6560AHQ; como se dijo anteriormente este controlador tiene como salida un puerto paralelo.

Figura 5. Imagen del controlador JP-382A.

 

Figura 6. Diagrama esquem�tico del JP-382A.

 

Caracter�sticas principales del JP-382A:

�         RoHS/PBF/compatible sin plomo.

�         Motor paso a paso circuito integrado.

�         Fabricante: Toshiba, Geniune, no falsificaci�n.

�         Corriente nominal: 3A.

�         Tensi�n de pico 40 V.

�         Tensi�n nominal: 34 V.

�         Micro-paso de Precisi�n: 1/2, 1/8, 1/16.

�         Estabilidad chip: alta.

El puerto paralelo del controlador se conecta a la placa de control con Arduino UNO como se muestra en la figura 3.

El PWM del motor del husillo se controla con el m�dulo JP-1482, este tiene como principal componente el circuito integrado STC15W408. Al analizar el comportamiento del PWM se not� un ligero desbalance entre la resistencia del potenci�metro y el movimiento del motor, por este motivo se realiz� una toma de datos para poder interpretar el respectivo funcionamiento.

La resistencia m�xima del potenci�metro es 3.312K, el PWM no empez� hasta que la resistencia cay� a un valor de 3.125K, que seg�n los c�lculos en el divisor de voltaje equivale a 1.7V. El PWM inici� aproximadamente en 20% y aument� linealmente a 100% mientras la resistencia se redujo a un valor de 0.�

Un an�lisis m�s detenido hizo notar que el movimiento en el potenci�metro no produce cambios inmediatos en el PWM, tarda alrededor de 4 segundos, esto significa que el 80% utilizable del PWM se reparte en 4 segundos; haciendo una divisi�n simple se puede estimar que el PWM aumenta un 1% cada 50 milisegundos. Tambi�n se not� que la frecuencia del PWM es de 1.28KHz aproximadamente.

Todos estos datos se pueden notar en las im�genes posteriores.

 

Figura 7. Gr�fica de resistencia vs PWM.

 

Tabla 2. Valores de datos para analizar PWM.

 

Figura 8. Gr�fica de ciclo de PWM y Voltaje.

 

C.                Mec�nica.

Para la parte mec�nica se utiliz� la estructura de la m�quina CNC modelo 3020T, a esta estructura se le a�adi� una base de madera MDF para facilitar sostener las baquelitas, tambi�n se incorpor� finales de carrera para asegurar el �rea de trabajo y evitar que los motores lleven a los ejes m�s all� del l�mite f�sico pudiendo ocasionar da�os en las juntas o en los motores.

Caracter�sticas principales de la m�quina 3020T:

�         Dimensiones del �rea de trabajo: 200mm*300mm.

�         Unidades de conducci�n de los ejes X Y Z: tornillos trapezoidales 1204.

�         Materiales marco: aleaci�n de aluminio 6063 y 6061

�         Tipo de motor paso a paso: 57 de dos fases 1.45A-2A ,1.8�.

�         Pinza principal del eje: ER11 / 3,175mm.

�         Exactitud de repetici�n: 0.05mm.

�         Precisi�n del husillo: agudezas radiales de 0.03mm.�

�         Interfaz de comunicaci�n: a trav�s de la conexi�n en paralelo con el ordenador.

 

Figura 9. M�quina CNC 3020T.

 

Resultados

Para la realizaci�n de la etapa de pruebas se determin� que el tama�o muestral para la estimaci�n de resultados es 3,98 muestras.

A.                Pruebas de comunicaci�n entre software y hardware.

Estas pruebas fueron necesarias para saber si los elementos de control en la m�quina ten�an una comunicaci�n sin problemas con el software.

Prueba de interruptores finales de carrera.

Los interruptores finales de carrera est�n conectados directamente a la placa de control, para comprobar su correcto funcionamiento se envi� un movimiento en el eje X/Y, mientras se ejecutaba el movimiento se activ� manualmente uno de los finales de carrera para observar si el movimiento se deten�a inmediatamente y el software respond�a con su mensaje correspondiente.

Efectivamente el movimiento de los ejes fue interrumpido y el software respondi� con el mensaje que se muestra en la imagen siguiente.

Figura 10. Mensaje de respuesta de GRBL

 

Prueba de bot�n de paro de emergencia.

Al igual que la prueba anterior el bot�n de paro de emergencia debe hacer una funci�n muy similar que los interruptores finales de carrera. Los movimientos de los ejes deben pararse inmediatamente pulsado el bot�n; si el operario nota alguna anormalidad en la ejecuci�n del trabajo.

 

Figura 11. Mensaje de respuesta de GRBL.

 

B.                Prueba de repetibilidad de movimiento con respecto a la velocidad.

Para esta prueba fue necesario la ayuda de un calibrador de precisi�n digital acoplado a el eje X de la m�quina CNC, el cual se encargaba de tomar la medida del desplazamiento de dicho eje.

Al ver la figura siguiente se puede notar que a velocidades bajas la m�quina es muy inestable, mientras que a velocidades altas a partir de 500 mm/min empieza a estabilizarse.

 

 

 

 

 

 

Figura 12. Gr�fica velocidad vs distancia.

 

C.                Prueba de profundidad de fresado en el eje Z.

Prueba a 0.05mm

Una vez determinado el punto cero del eje Z, se envi� a ejecutar un c�digo donde se especificaba la profundidad de fresado en 0.05mm. Esta profundidad fue sin duda la que mejor resultado dio; la m�quina pudo fresar sin problema la PCB sin que haya lugares donde no se elimin� el cobre por completo. El resultado fue el siguiente.

 

Figura 13. Resultado a 0.05mm.

 

Figura 14. Resultado a 0.04mm.

En la prueba de 0.04mm se not� que en partes de la placa no se logr� fresar todo el cobre, quedando esta medida descartada.

1.      Prueba de fresado con fresa de 0.2mm a 10�

En esta prueba era necesario saber la precisi�n de fresado con pistas de conducci�n de 0.2mm de ancho, para esto se utiliz� un dise�o hecho en Proteus donde se le dio 8th que son aproximademante 0.203mm de ancho.

Una vez realizado el trabajo por la m�quina, el siguiente paso era medir lo mas exacto posible el ancho real de las pistas de conducci�n fresadas. Para este prop�sito se utiliz� el software Solidworks, donde se insert� una imagen de una fotograf�a en alta calidad, posteriormente se tom� dos medidas en partes estrat�gicas de la placa y se aplic� una regla de tres con una medida real conocida tomada con un calibrador digital de alta precisi�n, como se muestra en la imagen siguiente.

 

Figura 15. Medici�n del valor de la pista.

Se tom� tres muestras m�s para realizar un c�lculo de errores, estos datos se pueden evidenciar en la siguiente tabla.

Tabla 3. C�lculo de errores.

 

Analizando los datos de errores que se obtuvieron podemos notar que la m�quina tiene en promedio con las fresas de 0.2mm un error absoluto de 0.00155mm y un error relativo porcentual promedio de 0.94% que para nuestro proyecto va bastante bien.

1.                  Otro resultado del fresado.

Se prob� un fresado de la placa arduino nano, en este caso la cara top que est� disponible en la p�gina oficial de Arduino. Estas est�n dise�adas en Eagle, se obtuvo el archivo gerber de este dise�o y se fres� en la m�quina CNC; el dise�o y el resultado se muestra en la siguiente imagen.

 

Figura 16. Placa cara top Arduino nano.

 

Conclusiones

Seleccionar la estructura mec�nica de una m�quina CNC modelo 3020T, considerando los par�metros m�s importantes como: el paso de la rosca del husillo, los pasos por revoluci�n de los motores paso a paso, asegur� conseguir una precisi�n de 0.2mm de fresado.

Al investigar los diferentes procesos que pueden realizarse con una m�quina CNC, as� como los diferentes materiales en los que puede realizar el fresado, se determin� el correcto algoritmo a seguir para el dise�o y construcci�n de nuestro prototipo puliendo los diferentes procesos para lograr un maquinado de trabajo preciso y conciso, acorde a las necesidades requeridas por los usuarios.

El uso del JP-382A brind� la capacidad de soportar el pico m�ximo de corriente de los motores paso a paso de los tres ejes de la m�quina; tambi�n la utilizaci�n del controlador JP-1482 para el control de PWM del husillo, la rectificaci�n de la corriente de alimentaci�n de todo el sistema y la regulaci�n de voltajes para los diferentes dispositivos en el gabinete de control, no dejaron de ser menos importantes.

Durante la comprobaci�n de los resultados del fresado a 0.2mm, se pudo notar que la m�quina cumple con los requerimientos, con un error m�nimo totalmente aceptable en la fabricaci�n de placas PCB.

 

Recomendaciones

Verificar las conexiones de los motores y sensores de la m�quina a la caja de control y a su vez la conexi�n del interfaz de comunicaci�n entre el gabinete de control y el ordenador, esto para que al momento del fresado no existan perdidas de material para mala conexi�n de la misma.

El tiempo de fresado de la m�quina no debe exceder a 20 minutos como l�mite porque los motores se calientan excesivamente; si el fresado de la PCB no ha terminado a�n, se puede pausar el proceso a trav�s de GCODESENDER y apagar la caja de control por un lapso de tiempo; luego de esto se puede continuar con el fresado.

Para las puntas de fresa finas de 0.1mm y 0.2mm de di�metro se recomienda utilizar una velocidad de fresado no mayor a 80mm/min. Esta velocidad se puede especificar al momento de crear el c�digo G en el software FlatCam.

Hacer trabajar a la m�quina bajo supervisi�n para evitar el da�o de la misma, ante cualquier problema que se presente. Una forma muy recomendable de responder ante un problema es usando el bot�n de paro de emergencia que se halla ubicado en la caja de control.

 

 

Referencias

1.      PETERS, JUAN JOS�. Desarrollo Electr�nica DIYLILCNC [En L�nea]. Chile: Juan Jos� Peters, 21 de diciembre 2013. [Consulta: 15 de septiembre 2015]. Disponible en: http://wiki.ead.pucv.cl/index.php/Desarrollo_Electr%C3%B3nica_DIYLILCN

2.      HARPER, G. E. El ABC de las m�quinas El�ctricas. 1ra Ed. Balderas95-M�xico: Limusa S.A, 2004, pp. 17.

3.      ACU�A C., Fausto V., & S�NCHEZ O., Wilson E. Dise�o y construcci�n de un prototipo de una maquina taladradora de control num�rico computarizado (Tesis). Escuela Polit�cnica del Ejercito SEDE Latacunga, Latacunga, Ecuador. 2005. pp. 10-16.

4.      TERUEL CRUZ, F. En control num�rico y programaci�n: Sistemas de fabricaci�n de m�quinas automatizadas. 2da. Ed. Barcelona-Espa�a: Marcombo, 2004, pp. 1-3.

5.      G�MEZ MILLAN, S. fabricaci�n por arranque de viruta. 1ra. Ed. Madrid-Espa�a: Paraninfo S.A, 2012, pp. 250-294.

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� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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