miércoles, 31 de agosto de 2016

Tips de Diseño mecánico del eje Z para un router CNC


ADVERTENCIA post largo y lleno de información…

Una de las primeras cosas que comencé a diseñar fuel el mecanismo del eje Z. De esta manera podía tener un eje motorizado y listo para hacer pruebas eléctricas de comunicación entre el controlador eléctrico y el motor.

Primera Krouter CNC.

¿Como puedo hacer el mecanismo rígido?

Para hacer un mecanismo rígido influyen muchos factores, uno de ellos es la correcta selección de los baleros lineales, así como la distancia de separación entre ellos. Al diseñar un CNC, es muy importante conocer  las fuerzas que están involucradas físicamente, de esta manera el diseño se puede ir optimizando iterativamente.


Componentes de eje Z.


Por ejemplo: En la foto siguiente, el cabezal A muestra una ventaja mecánica al tener una mayor separación entre baleros lineales, debido a esto, las fuerzas de reacción son menores, produciendo un mecanismo más rígido y menos susceptible a la deformación.

Comparación de cabezales de eje Z.


La desventaja más notoria al tener una distancia mayor entre baleros: reduccion de la carrera efectiva de trabajo. Algunas veces hay que sacrificar distancia de trabajo por rigidez o viceversa. Tu decides.

¿Cómo interactúan las fuerzas en el eje Z?.

Hablando generalmente: la fuerza crea un momento, el cual se ilustra en la siguiente figura, en la vista frontal como “momento A”. Un momento es una fuerza multiplicada por  una distancia, esta distancia es perpendicular al vector fuerza. Este momento es el responsable de hacer que todo el mecanismo se flexione.



 Momento A= A6 x Fuerza de corte

El momento A genera fuerzas resultantes FR en los 4 baleros del eje Z. Estas fuerzas resultantes son utilizadas para la correcta selección de los baleros lineales (mostradas con flechas verdes). A medida que A5 y A2 se incrementan en longitud, las fuerzas resultantes disminuyen.

En la vista lateral se puede apreciar que la fuerza de corte crean otro momento B, este es el resultado de multiplicar la fuerza por la distancia que existen entre el punto de aplicación del vector fuerza y la distancia hacia A7. De igual manera este momento aplicara fuerzas resultantes sobre los baleros del eje Z.

De este análisis podemos concluir los siguientes puntos importantes en el diseño del eje Z:

  •  Al maximizar A2, las fuerzas resultantes causadas por el corte en el eje X disminuyen, por lo que los baleros lineales se esfuerzan menos, llevando a un mejor desempeño mecánico.
  • Al maximizar A5, las fuerzas resultantes causadas por el corte en el eje Y disminuyen, nuevamente los baleros lineales se esfuerzan menos, llevando a un mejor desempeño mecánico.
  • Al minimizar A3, se reduce la distancia perpendicular al vector fuerza, por lo tanto, el momento A y B se reduce. Reducir esta distancia tomando en cuenta, la altura de trabajo en Z que se desea en el Router CNC. Tener una distancia en Z excesiva, corresponde a una penalización directa a la rigidez del eje Z.
Diagrama de fuerzas.





¿Tornillos trapezoidales o de bolas recirculantes?

Otra decisión importante que hay que tomar es la selección del mecanismo para convertir el movimiento rotacional en movimiento lineal. 

Los económicos: tonillos trapezoidales, o los no tan económicos: tornillos de bolas re-circulantes (ballscrews).

Lo importante aquí fue que investigando a través de catálogos de distintos proveedores. Encontré como la eficiencia de un tornillo trapezoidal era muy mala… tan mala como hasta un 30%. En pocas palabras: si compraba un motor de 400 oz-in, en realidad se utilizaban correctamente 120 oz-in.
Y la cosa se pone peor si se incrementa el diámetro o el paso del tornillo, hasta 25% de eficiencia solamente.

Tabla de eficiencias-Nook Industries


Aquí la fricción te mata, pero algunas veces el costo lo vale…




 ¿Que ventaja tiene un tornillo de bolas recirculantes?

Después de lo anterior, es un poco Obvio… EFICIENCIA! Debido a la menor fricción que existe entre las bolas y la cara en contacto con el tornillo. Proveedores industriales como THK o Thomson, marcan una eficiencia superior al 90%. 

Decidí invertir en tornillos recirculantes y no me arrepiento. Puedes encontrar fácilmente en eBay tornillos de estas categorías a buen precio. (Dejo Link en la parte derecha donde compro yo los míos). 

El paso de tornillo también es importante, a menor paso, mayor fuerza pero menor velocidad, a mayor paso, menor fuerza pero mayor velocidad.

En esta ocasión seleccione el paso de 5mm. En máquinas posteriores encontré que el paso de 10mm te da a mejor combinación fuerza-velocidad. El paso de 10mm es ahora siempre mi mejor opción.



Otro punto extra para aumentar la rigidez…

El montaje del tornillo influye en su capacidad de girar, así como en la exactitud y precisión de posicionamiento que puede tener.  La diferencia entre un buen montaje y uno malo, está en la vibración que el tornillo genera.

Cuando un tornillo gira y alcanza su “velocidad critica” entra en "resonancia". Si no conoces este termino,  dejo un video muy interesante,  toma una pequeña pausa y velo antes de continuar...




La siguiente figura muestra las diferentes formas de montar un tornillo. Todas son válidas, pero no todas te dan la misma rigidez. La opción más  recomendada es la opción C, ya que de esta manera el tornillo no se puede desplazar radialmente, tampoco axialmente y sin embargo, el último balero simplemente soportado permite la expansión del tornillo a causa del incremento de la temperatura por el movimiento natural. 


A mayor constante de rigidez (CS) mayor será su velocidad critica, por lo tanto, el tornillo podrá girar más rapido sin entrar en resonancia mecánica.

Aquí muestro un corte de sección del montaje del tornillo en el eje Z, para lograr un montaje del tipo “fijo” es necesario colocar dos baleros angulares en Tandem con el fin de restringir el movimiento axial. 



Algunas veces es necesario dejar un pequeño espaciador entre los dos baleros, con el fin de que no se aprisionen al momento de apretar la tuerca externa del tornillo. Si después de apretar la tuerca, el tornillo se desplaza axialmente, un espaciador solucionara tu problema.



Con esto termino las características generales del diseño del eje Z, lo aprendido aquí, es valido para todo los ejes del router CNC, pero eso ya es información para el próximo post…




Nota: Si esta información te ha sido útil, te invito a unirte al grupo “CNC Router México”, con el fin de compartir proyectos y  aprender de las experiencias de los demás integrantes del grupo.



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sábado, 27 de agosto de 2016

Superpid: El Controlador de velocidad a lazo cerrado para routers CNC

El Router manual

Una de las  herramientas más populares que tienes a tu disposion para realizar los cortes es un Router Manual de carpintería. Uno de mis preferidos es el router Bosch 1617 de 2Hp. Cuenta con una velocidad de operación de 8,000 a 25,000 RPM. 

Router Bosch 1617.


Las desvetanjas...

La gran desventaja: Pierden rápidamente torque a bajas revoluciones, los HP son pico, no son RMS (por lo que no son constantes) y el caballaje máximo se obtiene a altas RPM.

Cortar materiales plásticos o maderas a altas RPM, requiere que la velocidad de corte lineal sea considerablemente alta.
Si la velocidad de corte es lenta en combinación con RPM altas, en el caso de los plásticos se derriten. Para el caso de la madera, pueden presentarse quemaduras.

Matemáticamente la velocidad de corte se expresa de la siguiente manera:

F = D x 0.02 x N x W

Donde:
F = Velocidad lineal de corte (in/min. O mm/min)
D = Diámetro de cortador (in. o mm)
0.02 = 2 % de carga de viruta “Chip load”
N = Numero de Filos del cortador.
W = Revoluciones por minuto del router. (RPM)


Algunos router CNC están limitados en velocidad de corte debido a limitaciones mecánicas propias del diseño, por lo tanto, es necesario disminuir las RPM del router. Sin embargo hay routers manuales que no pueden trabajar a menos de 10,000 RPM.

El controlador a lazo cerrado...

Aquí es donde entra en escena un gran dispositivo electrónico: Superpid, un controlador de lazo cerrado para los routers manuales.


Controlador SuperPID.



Las ventajas!

Este dispositivo tiene un sensor que detecta las RPM del husillo, retroalimenta al controlador del router y de esta manera mantiene en todo momento las RPM constantes, sin importar la profundidad de corte o la velocidad a la que se programa, lo que da como resultado alto torque a bajas RPM.

Diagrama de conexión SuperPID.


Ahora puedes maquinar plásticos y maderas a bajas RPM, con un gran torque, sin quemar o derretir el plástico y silenciosamente.

Otra ventaja es controlar el router vía Mach 3, indicar vía código G el encendido y apagado y las revoluciones por minuto a las que realizara el trabajo automáticamente. También tiene la opción de controlarlo manualmente.


¿Cómo se implementa?

Para implementar el Superpid en el router Bosch, es necesario modificar el circuito eléctrico interior para eliminar el “arranque asistido”, con esto, el Router funciona tan bajo como 6,000 RPM o hasta las 25,000 RPM. Se requiere montar el sensor para detectar el giro de la flecha del husillo.


Circuito interior modificado y montaje de sensor fotoeléctrico.


Diseñe un gabinete eléctrico compacto para mi Superpid con conexiones para controlarlo manualmente, y deje conectores DB9 para expansiones futuras (Controlarlo automáticamente). Es importante aislar completamente el Superpid al contacto físico ya que maneja voltajes altos de 110v.


Gabinete de controlador modelo 3D.



Al ser esta mi primera experiencia con un dispositivo de esta categoría, no me sentía 100% seguro de manejarlo automático, por lo que deje las conexiones principales en modo manual.


Gabinete de controlador 

Una de las mejoras posteriores que realice fue la de maquinar un pequeño disipador de calor, ya que después de horas continuas de trabajo, aumentaba considerablemente la temperatura. Con este disipador el problema se solucionó.


Disipador superior de SuperPID.


Implementar este controlador requiere de trabajo y costo adicional. Este dispositivo asemeja bastante en funcionalidad  a los husillos más costosos que utilizan  variadores de frecuencia (VFD). Resulta una buena opción para los entusiastas que desean un mejor diseño en su router CNC.

miércoles, 24 de agosto de 2016

Diseño de control eléctrico con servomotores DMM

Mi primer gabinete eléctrico.

Mi trabajo en la industria del diseño y la automatización, me permitio conocer los principales componentes industriales de un gabinete eléctrico de control. Este fue el primer Controlador que fabrique para servomotores.


Gabinete electrico de control con DMM servo controlador.


La experiencia la obtuve de ver en mi empresa como se realizaban las conexiones eléctricas y buscando información en la red.

Al buscar información encontré diferentes tipos de controladores, uno de los principales controladores y de los más fáciles a mi parecer de implementar, son los famosos Gecko Drive. Esta marca cuenta con controladores individuales tanto para motores a pasos como para servo motores, además de contar con una solución completa de controladores y breakout board en una solo unidad compacta: el controlador digital de 4 ejes G540.

La página oficial de GeckoDrive cuenta con información muy completa sobre motores a pasos, correcta selección de fuente de poder, diferencia entre motores a pasos y servomotores entre otros temas. Si lo que quieres es seguir aprendiendo, no dejes de visitar esa página, ya que en la seccion de “soporte”,  encontraras toda la información que requieras.

Al final utilice servomotores.

Debido a que en las anteriores maquinas cortadoras de poliestireno (polifan), utilizamos motores a pasos, el verdadero reto era implementar por primera vez los servomotores; para esto elegí una solución completa de la marca Dynamic Motor Motion (DMM).

Una de las características más llamativas de este controlar es su capacidad de controlar hasta 5 ejes continuos, los servomotores se conectan fácilmente, cables con conectores de extremo a extremo, (nada de cablear erróneamente tú mismo), a prueba de errores, “plug and play”. 

DMB4350-8B Breakout Board


El diagrama de conexión es relativamente sencillo de seguir: conectar las fuentes de poder, conectar los controladores, el paro de emergencia y los controladores a los motores. EL DMB4250-8B BreakOut Board fue la mejor elección. Si tuviera que utilizar servomotores, no dudaría en adquirir esta solución nuevamente.

Conexiones electricas de placa DMB4350-8B.


Las fuentes de poder.

Una de las ventajas de la placa DMM, es su capacidad de usar fuentes de poder relativamente económicas, esto gracias a que en la entrada de poder del circuito, cuenta con 2 grandes capacitores de 10,000 microfaradios, para sumar un total de 20,000.Lo que elimina la necesidad de utilizar una fuente toroidal como las manejas por la marca Antek. 

El fabricante recomendó la utilización de 2 fuentes conectadas en paralelo para 3 motores, y 4 fuentes si se utilizaban 4 motores. Debido a mi diseño de 3 ejes (un motor por eje), solo utilice 2 fuentes de poder.

Para realizar las conexiones rápidas al gabinete de control, utilice una placa hecha a la medida por la compañía DataPro. Aquí puedes seleccionar el tipo de material de la placa y diferentes tipo de conectores. La empresa fabrica las placas de acuerdo a tus necesidades.


Yo solicite 4 entradas de 4 pines (para las motores) y puertos seriales DB9 hembras y macho, para relizar las conecciones de los encoders de los motores, limites de carrera, y paros de emergencia. Por ultimo un puerto paralelo, para conectar a la PC con Mach 3.


Placa DataPro

Esta fue una de las primeras compras que después la considere como una compra inútil, puesto que hubiera sido un buen primer proyecto para el router CNC… fabricar tu propia placa de conexiones rápidas.

martes, 23 de agosto de 2016

Datos tecnicos del primer router CNC

Velocidad critica...

Al sistema le coloque ball screws de 5mm de paso, hice cálculos para calcular la velocidad critica que tendría y seria máximo de 1500rpm aproximadamente, sin embargo, estaba consciente que con stepper motors tendría un máximo de 700 rpm, ya que después de esta velocidad el torque es demasiado bajo (entre 20 y 30oz-in).

Concepto Final Router CNC


Lo más rápido que alcanzaría mi maquina sin perder tanto Torque seria de 120 IPM (aproximadamente 600 RPM en el motor). Lamentablemente cambiar el ball screw no era una opción, porque ya los había comprado. Coloque los motores que obtuve http://www.dmm-tech.com/.


Solo me falta obtener mas información en base a experiencias (cosa que no tenia) entre lo que es mejor para el tipo de trabajo que queria realizar: trabajo en madera 3D, plasma y algo de aluminio... 



  
El router que seleccione

Utilice un router Bosch 1617 de 2 1/4 hp pero modificado con Superpid, para controlar su velocidad a través de la interface Mach 3 y utilizarlo a bajas RPM en el aluminio.

Router Bosch 1617


La modificación fue de maravilla! El router podía correr tan bajo como 7000 RPM,cortar Acrílico, lexan y madera sin quemarlos y lo mejor de todo: Silencioso


Algunas dimensiones:



Tenía un área de corte efectiva de 39 x 24 pulgadas. El tornillo de bolas más largo media 44 in. Eran de diámetro de 16 mm. Se montaron en ambos lados con dos baleros angulares en tándem, según los cálculos y formulas del fabricante, podía aumentar más las RPM antes de que el tornillo entrara en resonancia. Era el montaje más robusto para un tornillo de esa longitud.

lunes, 22 de agosto de 2016

Mi primer Router CNC



Esta fue la primera router CNC que pensaba contruir:



Primer diseño conceptual.



Diseño 3 en 1…

Quería poder cortar madera y aluminio; cuando quisiera, convertirla en cortadora de plasma con unos cuantos cambios de piezas...

Comenzaba a ordenar partes para la construcción, algunos días estaba quebrado... otros no tanto. Aproveche cualquier oferta para seleccionar las partes correctas..

¿Stepper motor o servo motor?...

Quizá con un sistema stepper motor era suficiente, si lograba disminuir la relación de inercia con poleas, haciendo a la maquina más rápida, sin embargo, desconocía si quedaría el suficiente torque para realizar correctamente los cortes en la madera a alta velocidad.


Tres o Cuatro motores...


El principal objetivo, era lograr trabajar la madera en 3D, por lo que suponía debía de ser rápida; en esa perspectiva seleccionaría un sistema de servo motor, sin embargo era el doble de costoso y además no estaba seguro de la velocidad que debía tener en pulgadas por minuto (IPM).

Busque la manera de usar solamente 3 motores para ahorrar costos; nunca me gustó la idea de un cuarto motor, debido a la dificultad mecánica y eléctrica que suponía. Al final decidí por 3 motores, use los motores DMM AC Servo Drive.

Descarte el diseño de un motor central y poleas dentadas en los extremos, para eliminar costos en los tornillos centrales (Ballscrews).


Primer diseño conceptual. Bandas dentadas interconectadas en los extremos.


Al final, el prototipo de router CNC no me convenció.


miércoles, 10 de agosto de 2016

Un poco de Historia...


Hola!! Karlo aqui. Decidi abrir este blog para compartir el que ha sido mi mas grande hobby (y he tenido varios)... Diseñar maquinas de control numerico (CNC).

El fin es dejar testimonio y documentar mi conocimiento para que otros puedan aprender de el, o pór lo menos, tener una base de partida

En mi proceso de aprendizaje he documentado todo lo que he podido (soy algo metodico y sistematico...) documentacion, fotos, videos...

Asi que hace poco pense:

¿Que hare con toda esta informacion?, ¿La vendo? ¿la comparto?... Hasta ahora he intentado todo, menos compartirla...

El tiempo lo hace a uno cambiar de opinión.

Así que podría empezar diciendo como es que las CNC se volvieron una de mis pasiones. Empezó cuando mi Jefe directo, me dio el encargo de diseñar una maquina CNC, cortadora de poliestireno, de aquellas que cortan con hilo caliente...

Primer diseño de máquina CNC, cortadora de poliestireno


Mi jefe directo la diseño, era una simple cortadora semiautomática... Mi trabajo fue agregarle los motores a Paso (stepper motors) y la electrónica necesaria. 

Asi que aprendi algo de electronica...


Mi formación como Ingeniero Mecánico (Orgulloso pantera del Instituto Tecnológico de Chihuahua), no me permitía por mucho tiempo, querer las ciencias de la eléctrica y la electrónica, las aborrecía, las odiaba... Ahora empiezo a tomarles respeto.

Con este proyecto, puse en práctica mis primeros diagramas de conexiones eléctricas y mis primeras experiencias con fuentes de poder de 48v y 24v.

La verdad no sé qué hice todo el tiempo en la escuela cuando lleve esas asignaturas... me pasaron de noche.

Sin embargo de la práctica (y algo de necesidad) nace el maestro.

Y lo mejor de todo: ¡Funciono!

Así fue mi primera experiencia, lamentablemente no tome videos... :( 
Pero en mi próxima máquina, la cámara estaba conmigo siempre que podia.