Electronica Para Router 3 Ejes

XYZProyecto de construcción de la Electrónica para Router de 3 ejes, puerto paralelo

Indice Presentación del proyecto (Pag.3) Objetivos Conocimientos previos Costos y materiales de trabajo Listado de componentes intefaz versión 5.1 (Pag.4) 1_Pasos para crear el PCB (Pag.5) 2_Impresión del circuito 3_Preparación previa del laminado Pertinax 4_Transferencia de Toner (Pag.6) 5_Grabado con cloruro férrico (Pag.7) 6_Inspección ocular (Pag.8) 7_Taladrado 8_Montaje de componentes (Pag.9) 9_Soldadura de componentes 10_Montaje del sitema (Pag.10) Driver para motores PAP unipolares (Pag.11) Descripción y listado de materiales. (Pag.12) Esquema de conexión del driver para motores PAP unipolares. (Pag.13) Hoja para imprimir el PCB (Pag.14) Bibliografía (Pag.15)

Proyecto de construcción de la Electrónica para Router de 3 ejes

Presentación del Proyecto:

En el marco de la materia CNC y CAD-CAM aplicado a los procesos de producción, dictada en 7º año de la especialidad Técnico en Equipos e Instalaciones Electromecánicas del colegio IPETyM Nº75, tomamos este proyecto constructivo, como eje temático donde integraremos otros campos de conocimiento, saberes, y destrezas necesarias para su construcción.Además de familiarizarce con los componentes, electrónica, motores PAP, mecanismos de transmisión, etc. Tambien será necesario incorporar conocimientos de CAD, postprocesado CAM, codigo ISO G, software controlador CNC y demás herramientas.Este proyecto incluye la electrónica, sencilla y económica, pero muy eficaz, fácil de ensamblar y configurar.

Objetivos:Como parte de nuestro proyecto de crear una maquina CNC de tres ejes, debemos crear un PCB a partir de este material gráfico.Realizar el montaje de los componentes correctamente.Interconectar la interfaz, los driver, fuente y motores, comprobar su funcionamiento conectado a puerto paralelo y Mach3.

Conocimientos previos:Si bien el PCB no es complejo, se necesita conocer e identificar los componentes y sus valores, además del sentido correcto de montaje. Para soldar los componentes se requiere algo de concentración y práctica, comenzando por las soldaduras mas aisladas y sencillas.La técnica de construcción del PCB puede variar, desde nuestra experiencia podemos recomendar la técnica de imprimir en papel ciliconado y transferir el toner con plancha caliente al laminado de cobre, luego grabar con cloruro férrico.

Costos y Materiales de trabajo:Esta interfaz esta basada en el proyecto de Robótica y Electrónica, más detalles del proyecto en bibliografía, pag.12. El costo de materiales dependerá de muchos factores, aquí podemos adquirir todo el material para hacer la interfaz y los driver por unos $500 (US$ 50), lo que es muy económico en relación a los demás sistemas CNC que existen hoy.

El diseño del PCB de esta interfaz ha tenido varios cambios de formato, hemos optimizado el tamaño en la versión 5.1, y fue desarrollada para usar con fuente ATX de PC, ya que es fácil de conseguir y posee 5vcc y 12vcc, no siendo necesario colocar regulador de voltaje, además la usamos también para alimentar los driver a 12vcc.Algunas fotos publicadas en este proyecto pueden ser de versiones anteriores de PCB.


Listado de componentes Interfaz Ver. 5.1

RESISTENCIAS

14...RESISTENCIAS 4,7K3 ....RESISTENCIAS 47K7 ....RESISTENCIAS 1K1 ....RESISTENCIA 820 OHM2 ....RESISTENCIAS 100 OHM 2 WATS3 ....RESISTENCIAS 120K

CAPACITORES

2 ....CAPACITORES 100nf POLIESTER3 ....CAPACITORES 10nf CERAMICO2 ....CAPACITORES 10nf/400V POLIESTER3 ....CAPACITORES 47uf/25V ELECTROLITICO1 ....CAPACITOR 1000uf/25V ELECTROLITICO1 ....CAPACITOR 470uf/25V ELECTROLITICO

SEMICONDUCTORES

2 ....C.I 74HC244N O 74LS244N3 ....C.I NE5554 ....TRANSISTORES BC5483 ....TRANSISTORES BC5581 ....DIODO 1N40075 ....LED 5mm colores diferentes para cada eje X Y Z

VARIOS

1 ....RELAY 12V1 ....CONECTOR Db25 M2 ....BORNERA DE 3 TERMINALES3 ....CONECTOR MOLEX 5 PINES1 ....CONECTOR MOLEX 6 PINES1 ....CONECTOR MOLEX 7 PINES1 ....FUENTE DE ALIMENTACION PC ATX 2 ...METROS CABLE PLANO PARA CONECCONES


Pasos para crear el PCB:1_Impresión del circuito impresoDebemos imprimir la hoja que contiene el plano del circuito en impresora láser, observando los siguientes ajustes:Tamaño de papel, A4Calidad de impresión o acabado, deberemos elegir la máxima calidad, óptima, 1200p, Prores 1200, etc...Tipo de papel debemos elegir el más grueso posible, preferentemente sobre, de modo que el rodillo infusor fije correctamente el toner al papel.

Tipo de papel:Hemos probado el método de transferencia de Toner, y hemos desarrollado nuestro propio sistema, que consiste en usar papel glossy fino (papel fotográfico brillante), de 80 a 120gr al cual le rociaremos lubricante a base de ciliciona en aerosol (lubricante industrial de silicona), similar a Wd40. Esta es la clave para que el papel se despegue del toner sin necesidad de mojarlo como en otros métodos, y deja una terminación impecable, sin correr la tinta. Tambien podemos usar papel ciliconado o “manteca”, es decir, el papel que viene al amberso de calcomanías y papeles autoadhesivos. El papel que encontramos en los vinilos autoadhesivos tipo Contact servirá perfectamente, pero no es tan perfecto como el que recomendamos anteriormente.Tambien hemos probado el papel para sublimar, funciona bien pero el toner se corre mucho y la calidad final es pobre.No debemos usar papeles plastificados, ya que no son aptos para impresora láser y mucho menos para utilizar la plancha caliente sobre ellos.En todo momento debemos mantener el papel limpio, sobre todo luego de imprimir. La correcta elección del papel es fundamental, ya que debe ser capaz de transferir el toner en el siguiente paso.

2_Preparación previa del laminado pertinaxEl laminado debe ser tratado previo a la impresión, debemos generar algo de microabrasión para facilitar la fijación del toner, para esto, podemos usar varios productos, desde lija al agua 600, pasta de pulir, Cif crema, o virulana. Lo mejor es lija al agua 600. Luego limpiaremos cuidadosamente la superficie del cobre con alcohol isopropílico o thinner, de modo que quede limpio de toda grasitud y pelusas o polvo.


3_Transferencia del tonerEs el paso crucial, para ello debemos recortar el papel, la parte impresa correspondiente al laminado de cobre, colocarlo en posición, de modo que la parte impresa con toner quede en contacto con el laminado de cobre. Fijar con cinta adhesiva el papel al laminado de cobre de modo que no se mueva de lugar.Existen varias formas de transferir el toner, aquí usaremos calor, si no contamos con una laminadora con rodillo fusor de alta temperatura, usaremos una plancha caliente. Comenzaremos a fijar el toner, pasando en forma circular desde el centro hacia los bordes en forma progresiva y uniforme, por unos dos minutos, hasta que notemos que el papel se adhiere completamente al laminado de cobre. No debemos dejar zonas con aire o sin presionar y friccionar con la plancha caliente.Una vez terminado el planchado, esperaremos a que se enfríe totalmente el laminado. Si el papel es el correcto, deberíamos poder retirarlo del laminado sin problemas, cuidadosamente y lentamente, quedando el toner fijado en el laminado de cobre y no en el papel.Si la transferencia de toner no fue correcta, podemos limpiar el laminado de cobre repitiendo el paso 2, y utilizar otro tipo de papel para la impresión.


4_Grabado con cloruro férricoUtilizaremos cloruro férrico por varias razones, no es dañino en caso de contacto con la piel, con solo lavarnos en suficiente, y podemos reutilizarlo varias veces.El cloruro férrico debemos calentarlo a baño maría para acelerar la reacción química. Una vez caliente, cuando notamos vapores, colocaremos el laminado impreso anteriormente, undiendo un borde primeramente para que se sumerja totalmente. Es necesario mover de vez en cuando el cloruro férrico, pasado dos minutos, veremos si el laminado ha sido retirado de las zonar sin toner, si aún falta, volvemos a sumergir el laminado por otro minuto más.


5_Acabado superficialUna vez que el cloruro férrico retiro el cobre de nuestra placa, debemos lavarla con agua varias veces. Luego limpiaremos el toner con solvente, o podemos repetir el proceso de limpieza del paso 2. Como el cobre se oxida, y el contacto con las manos deja huellas, que desmejoran la capacidad de soldar el cobre; deberemos hacer un tratamiento superficial a base de Flux. Si no contamos con Flux, podemos conseguir resina de pino sólida. En nuestro caso rociamos alcohol isopropílico en el laminado de cobre y frotamos con resina de pino sólida, esto deja una capa de esmalte de resina o Flux natural que protege de oxidación al cobre y mejora las propiedades para las soldaduras. 6_Inspección ocularEs importante chequear ocularmente el laminado, para ello colocaremos una lámpara, linterna o a contra sol, para ver a trasluz los circuitos, buscaremos defectos de fabricación, cortocircuitos, pistas dañadas, etc... Debemos corregir todo tipo de errores de grabado de pistas antes del montaje de componentes.

7_TaladradoEs un paso delicado. Debemos contar con una mecha fina, de 1mm como mucho. Usaremos un mini torno, tambien podemos utilizar un motor pequeño de juguetes alimentado con el voltaje correcto para que desarrolle altas rpm, en la punta de eje debemos soldar una mecha o fabricar una con una aguja o alfiler. Las perforaciones las comenzamos en el lado del laminado de cobre, centrando los agujeros correctamente. Nos guiaremos del plano del PCB para comprobar que estén todas las perforaciones. Los agujeros de sujeción de la placa, donde van los tornillos, los haremos con una mecha de 3 o 4mm, dependiendo de los tornillos que usaremos.


8_Montaje de componentes

Instrucciones para el montaje del circuito impreso:Comenzaremos el montaje por los componentes mas pequeños, primero los puentes, resistencias, diodos, transistores, integrados, capacitores, borneras, reles, conector Db25, etc.Debemos respetar el sentido de ubicación de los componentes, identifique el pin #1 en los semiconductores y conectores.

9_Soldadura de componente

Revisar las soldaduras, continuidad en los puentes, etc. Para soldar, recuerde calentar primero las patas de los componentes, deslizar el estaño fundido hasta hacer contacto con el circuito, evitando retocar la soldadura y recalentar demasiado el circuito, esto podría levantar la pista. De esta manera, al soldar desde arriba hacia abajo siguiento las patas de los componentes, no desborda la soldadura tocando pista aledañas.


12vcc 5vcc PC-ATX

Diagrama de interconexiónCNC Router de 3 ejes

PWLedX LedY LedZ Led

10_Montaje del sistemaVamos a proceder a montar las placas electrónicas de la interfaz y los tres driver sobre una lámina que puede ser plástica o metálica. Para ello debemos perforar la lámina base con las mismas medidas que que tienen los tornillos de la interfaz y los driver. Los tornillos se encuentran a 5mm de los bordes de las placas. La interfaz 5.1 tiene 100x80mm en sus bordes. Necesitaremos tener una separación entre las placas electrónicas de la base no menor a 5mm. Una vez atornillados los PCB a la base, procedemos a conectar los cables, comenzando por conectar la interfaz a los driver, luego a la alimentación y por último los driver a los motores y a su alimentación.Recordemos que este proyecto está alimentado por una fuente ATX de PC, de la cual tomamos 5vcc y 12vcc.Si utilizamos sensores de fin de carrera y Home, los conectamos al final con atención al esquema de los mismos.

Si vamos a utilizar los driver de 4A, estos requieren de configuración con jumper, y ajustar la resistencia preset, siga atentamente las indicaciones.

Los motores paso a paso se conectan siguiendo el esquema de conexión a los driver. Deberá identificar a través del multímetro las 4 bobinas y las conexiones de los positivos que unen dos bobinas. Puede buscar información en la web y los esquemas en las hojas de datos del fabricante de los potores (Datasheet)


Driver Motrores PAP Driver Motrores PAP CNC Router de 3 ejesCNC Router de 3 ejes

Listado de componentes Driver 4A para motores PAP unipolares:

RESISTENCIAS2 R 0.1 ohm 5w2 R 10k1 R 3301 R 47K1 R preset 1K lineal horizontal

CAPACITORES3 C 100nF1 C2 3n3F1 C3 1000uF 50V1 C4 470uF 16V2 C6 220pF

SEMICONDUCTORES4 Diodos By2991 Diodo Zener 36V 1W1 IC L2971 IC 74HC081 Led 3mm4 IRLZ24N1 BC548

VARIOS4 Bornera x2 conectores1 Conector para Jumper x1 pines2 Conector para Jumper x3 pines2 Puente jumper1 Conector para Jumper x 5 pines1 Disipador de aluminio para los Mosfet de potencia.1 Laminado Pertinax simple faz de 10x5cm

Costo aproximado: $150 (Argentina, Diciembre de 2015)


Driver para motores paso a paso unipolaresde hasta 4A (Versión 4.1)Este driver esta optimizado y basado en el driver 4A Esteca55, puede usarse con la interfaz de Esteca55 y con la interfaz de Robotica & Electrónica, simplemente cambiando el jumper J2, el cual invierte la señal de Enable acorde a la señal proveniente de cada interfaz. Recomendamos la interfaz R&E por su simpleza, además de que los conectores entre interfaz y driver son iguales, en tanto que para usar con interfaz Esteca55 se debe seguir correctamente los pines 1(5vcc) / 2 (Paso) / 3 (Dirección) / 4 (enable) / 5 (Masa). Adaptando la conexión entre la interfaz y el driver.Se debe ajustar el preset R6 acorde al amperaje del motor, para ello debe guiarse con la hoja de datos del fabricante del motor, o según el tamaño estimar el mismo. Para ajustar la R6, se debe multiplicar 0.1 por el emperaje o corriente del motor. Sensando la tensión que hay entre el pin Vref a un lado del IC L297 y la masa, debe ser igual al resultado de la multiplicación anterior, si no lo es, se debe girar el preset hasta que se alcance este valor. Este ajuste se debe hacer con el driver conectado a 5vcc de la interfaz y si conectar el motor.Los motores pueden calentar, es necesario realizar este ajuste correctamente, ademas de ajustar el jumper J1 de acuerdo a la interfaz que usamos. La señal de enable debe estar en nivel 0 (masa) luego de 5 segundos de parado el motor, de otro modo calentara execivamente.Otro ajuste que debemos tener en cuenta es si vamos a utilizar los motores en Full Step o Half Step, el jumper J2 permite este ajuste. El mayor torque se logra en modo FullStep, si el motor es de 1.8º, es decir 200 pasos FullStep, en HalfStep tenemos 400 pasos.Alimentación:Este driver recibe alimentación desde la interfaz, 5vcc, en nuestro caso usamos una fuente de PC ATX, ya que provee 5vcc y 12 vcc. El driver, además necesita una tensión de 12 a 35vcc, conectamos a los 12vcc de la fuente ATX.La configuración de Mach3, tenemos en cuenta a cuantos Hz debe funcionar el motor, avance de pasos por mm, aceleración y tiempo de pulso y dirección.


Esquema de conexión del driver 4A para motores paso a paso unipolar. hasta 4A.

12vcc fuente ATX PC

MasaEnable

DirecciónPaso

5vcc +

Instr

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Bibliografía y referencias:

Bibliografía:

CNC Machining Handbook por Alan Overby editorial MHPROFESSIONALBuild Your Own CNC Machine por Patrick Hood-DanielJames Floyd Kelly editorial Apress

Autores:

El diseño fue basado en los proyectos de :Easy to build CNC Mill Stepper Motor and Driver circuits de Tom McGuire, http://www.instructables.com/

Interfaz CNC v 1.4 de Esteban Federico Castell, http://www.esteca55.com.ar/index.html

Interfaz Puerto Paralelo SGGTAV v2.2, (sggtav @ hotmail.com)del foro TodoPIC.

El PCB y proyecto en su primera versión es autoría del técnico electrónico Cesar Quinteros para Robótica y Electrónica. http://roboticayelectronica.es.tl/INICIO.htmhttps://www.facebook.com/roboticayelectronica?fref=ts

Las versines 3.1 a 5.1 fueron una adaptación para usar fuente ATX de PC, además de otras modificaciones, desarrollo de el Diseñador Industrial Hector Fabian Lopez, para la materia CNC y CAD CAM, IPETyM Nº75 de 7º año, especialidad Técnico electro mecánico.

Manual desarrollado por el Diseñador Industrial Hector Fabian Lopez, para la materia CNC y CAD CAM, IPETyM Nº75 de 7º año, especialidad Técnico electro mecánico, septiembre de 2015.


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