Apéndice C.

Resumen .............................................................................................................................................. 7
1 Introducción ..................................................................................................................................... 8
1.1 Objetivos ................................................................................................................................... 8
1.1.2 General ............................................................................................................................... 8
1.1.3 Específicos ......................................................................................................................... 8
2 Control numérico ............................................................................................................................. 8
2.1 Mini centro de maquinado......................................................................................................... 9
2.2 Componentes ............................................................................................................................. 9
2.2.1 Husillo principal ................................................................................................................. 9
2.2.2 Cabeza del mandril ............................................................................................................. 9
2.2.3 Mesa ................................................................................................................................... 9
2.2.4 Plancha ............................................................................................................................. 10
2.2.5 Columna ........................................................................................................................... 10
2.2.6 Cama ................................................................................................................................ 10
2.2.7 Mecanismos de avance ..................................................................................................... 10
2.2.8 Unidad de CN y panel de control principal ...................................................................... 10
2.3 Tipos de centros de maquinado ........................................................................................... 11
3 Motores paso a paso (PaP) ............................................................................................................. 12
3.1 Ventajas y desventajas de los motores a pasos........................................................................ 12
3.1.1 Ventajas ............................................................................................................................ 12
3.1.2 Desventajas....................................................................................................................... 12
3.2 Lazo abierto ............................................................................................................................. 13
3.3 Tipos de motor paso a paso ..................................................................................................... 13
3.3.1 Reluctancia variable (RV) ................................................................................................ 13
3.3.2 De imán permanente (IP) ................................................................................................. 14
3.3.3 Hibrido ............................................................................................................................. 15
3.4 Tamaño y poder....................................................................................................................... 16
3.5 Funcionamiento ....................................................................................................................... 17
3.5.1 Usos principales ............................................................................................................... 17
3.5.2 El campo magnético giratorio .......................................................................................... 17
3.5.3 Generación de torque ....................................................................................................... 18
4 Fuentes reguladas ........................................................................................................................... 20
4.1 Etapa de reducción .................................................................................................................. 20
2
4.2 Etapa de rectificación .............................................................................................................. 22
4.2.1 Rectificador con dos diodos. ............................................................................................ 22
4.2.2 Puente de Graetz o puente rectificador de doble onda ..................................................... 22
4.2.3 Tensión rectificada. .......................................................................................................... 23
4.3 Etapa de filtrado ...................................................................................................................... 23
4.3.1 Filtro con capacitor........................................................................................................... 24
4.3.2 Efecto del capacitor en la conducción del diodo .............................................................. 25
5 Drivers ........................................................................................................................................... 27
6 PIC16F877A .................................................................................................................................. 27
6.1 Características generales ......................................................................................................... 27
6.2 Diagrama de bloques ............................................................................................................... 28
6.3 Set de instrucciones ................................................................................................................. 29
6.3.1 De transferencia................................................................................................................ 29
6.3.2 Aritméticas ....................................................................................................................... 30
6.3.3 Lógicas ............................................................................................................................. 30
6.3.4 Decrementos ..................................................................................................................... 30
6.3.5 De rotación ....................................................................................................................... 30
6.3.6 De manipulación de bits ................................................................................................... 30
6.3.7 De control ......................................................................................................................... 31
6.3.8 De salto incondicional ...................................................................................................... 31
6.3.9 De salto condicional ......................................................................................................... 31
7 Fabricación de circuitos impresos .................................................................................................. 33
7.1 Circuito impreso ...................................................................................................................... 33
7.2 Pasos para la elaboración de un circuito ................................................................................. 33
7.3 Prueba del circuito................................................................................................................... 34
7.4 Diagrama esquemático (schematic) ........................................................................................ 34
7.5 Circuito impreso para la fabricación del PCB ......................................................................... 35
7.6 Fabricación del PCB................................................................................................................ 36
7.7 Técnicas para la impresión del circuito impreso ..................................................................... 36
7.7.1 Tinta indeleble .................................................................................................................. 36
7.7.2 Técnica de planchado ....................................................................................................... 37
7.7.3 Método serigráfico ........................................................................................................... 38
7.8 Ataque químico con Cloruro férrico (HClFe3) ....................................................................... 39
3
7.9 Corte y perforaciones del circuito impreso ............................................................................. 40
8 Mini centro de maquinado con control numérico .......................................................................... 41
8.1 Fuente de alimentación............................................................................................................ 41
8.2 Driver para motor a pasos ....................................................................................................... 44
8.2.1 Pruebas en protoboard ..................................................................................................... 44
8.2.2 Diseño de circuito impreso ............................................................................................... 45
8.2.3 Marco serigráfico ............................................................................................................. 46
8.2.4 Impresión serigráfica ........................................................................................................ 47
8.2.5 Ataque químico con cloruro férrico ................................................................................. 49
8.2.6 Ensamble y soldado de los componentes ......................................................................... 51
8.3 Pruebas del driver fabricado .................................................................................................... 53
8.4 Estructura del mini centro de maquinado ................................................................................ 54
8.4.1 Diseño de la estructura principal ...................................................................................... 54
8.5 Sistema de desplazamiento lineal ............................................................................................ 55
8.6 Sistema de torque .................................................................................................................... 56
9 Conclusiones y trabajo a futuro ...................................................................................................... 57
9.1 Trabajo a futuro ....................................................................................................................... 57
Bibliografía ....................................................................................................................................... 58
Apéndice A.- Hoja de datos del balero de desplazamiento lineal ..................................................... 59
Apéndice B.- Solicitudes de trabajo al Taller de materiales ............................................................. 60
Apéndice C.- Plano de la base de la estructura del mini centro de maquinado. ................................ 62
4
Índice de Figuras
Figura 1.- Centro de Maquinado Vertical ......................................................................................... 11
Figura 2.-Centro de Maquinado Horizontal ...................................................................................... 11
Figura 3.-Sección Transversal de un motor de Reluctancia Variable (RV) ...................................... 14
Figura 4.- Imagen de un motor a pasos de imán permanente (IP) o “motor de lata” ........................ 14
Figura 5.- Sección transversal de un motor a pasos Híbrido ............................................................. 15
Figura 6.- Principio de un motor de disco magnético ....................................................................... 16
Figura 7.- Trayectoria del flujo magnético a través de un de un motor paso a paso de 2 polos con un
desfase entre rotor y estator. .............................................................................................................. 18
Figura 8 Circuito de la etapa de reducción ........................................................................................ 20
Figura 9 Señal de entrada de la etapa reductora ................................................................................ 21
Figura 10 Señal de salida de la etapa reductora ................................................................................ 21
Figura 11 Circuito rectificador con 2 diodos..................................................................................... 22
Figura 12 Puente de Graetz o puente rectificador ............................................................................. 23
Figura 13 Filtro con condensador...................................................................................................... 24
Figura 14 Tensión de salida de la etapa de filtrado ........................................................................... 24
Figura 15 Gráfica de la conducción del diodo relacionada a la carga del capacitor ......................... 25
Figura 16 Diagrama de bloques del PIC16F877A ............................................................................ 28
Figura 17 Set de instrucciones en orden alfabético del microcontrolador PIC16F877A .................. 32
Figura 18 Imagen de un protoboard donde se ven los nodos enumerados y las líneas de alimentación
con colores azul y rojo ...................................................................................................................... 34
Figura 19 Diagrama esquemático de ejemplo ................................................................................... 35
Figura 20 Circuito impreso para la fabricación del PCB .................................................................. 35
Figura 21 Circuito impreso con la técnica de tinta indeleble ............................................................ 36
Figura 22 Fuente de alimentación con los reguladores de corriente ................................................. 43
Figura 23 Fuente de alimentación terminada .................................................................................... 43
Figura 24 Pruebas del driver en el protoboard ................................................................................. 44
Figura 25 Visualización real del driver ............................................................................................. 45
Figura 26 Circuito impreso ............................................................................................................... 46
Figura 27 Marco serigráfico con el circuito impreso ........................................................................ 46
Figura 28 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico abierto ............................................. 47
Figura 29 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico cerrado............................................. 48
Figura 30 Placas de cobre con el circuito impreso del driver ........................................................... 48
Figura 31 Ataque químico con cloruro férrico .................................................................................. 49
Figura 32 Placa de cobre después del ataque químico con cloruro férrico ....................................... 50
Figura 33 Placas de circuito impreso terminadas .............................................................................. 50
Figura 34 Colocación de los rectificadores con disipador de calor ................................................... 51
Figura 35 PCB con todos los componentes montados ...................................................................... 52
Figura 36 Cara de cobre del PCB con los componentes soldados .................................................... 52
Figura 37 Circuito de pruebas con el microcontrolador PIC16F877A.............................................. 53
Figura 38 Circuito de pruebas con un solo motor ............................................................................. 53
Figura 39 Diseño del circuito de pruebas para su fabricación .......................................................... 54
5
Figura 40 Estructura del mini centro de maquinado ......................................................................... 55
Figura 41 Baleros de desplazamiento lineal marca THK .................................................................. 55
Figura 42 Flechas rectificadas para los baleros de desplazamiento lineal ........................................ 56
Figura 43 Tornillo sin fin comercial ................................................................................................. 56
6
Resumen
En este reporte se da una breve explicación de lo que es el control numérico, se sigue con la
descripción de un centro de maquinado y se muestran los distintos tipos que hay para de allí
seleccionar el tipo de centro de maquinado que se diseñará y construirá y así poder mostrar el
diseño final. Luego se sigue con una descripción detallada de los componentes utilizados
comenzando por una explicación del funcionamiento de estos y enfocándonos a los componentes
utilizados en este proyecto, como son el diseño de la estructura base y el maquinado de algunas
piezas necesarias para el ensamble final, la parte mecánica de desplazamiento, los motores y la
máquina herramienta utilizada, se explican los pasos seguidos para diseñar y construir los circuitos
electrónicos de control, potencia (driver) y fuente de alimentación.
Para el diseño se adaptaron materiales conseguidos en mercados de deshueso y en algunos casos el
diseño mismo se adaptó a estos, como pasó en el sistema de desplazamiento lineal, el cuál se tenía
previsto hacer con un soporte de aluminio donde rodaran baleros pero finalmente se utilizó un
sistema de desplazamiento lineal con flechas rectificadas y baleros de desplazamiento lineal al
haber encontrado estos últimos a una décima de su precio real. Esto represento una gran ventaja por
el alto costo que normalmente tienen este tipo de baleros, por la baja fricción que presentan al
desplazamiento.
7
1 Introducción
1.1 Objetivos
1.1.2 General
Estimular el aprendizaje en el control aplicativo de motores paso a paso así como el trabajar con
circuitos electrónicos de potencia mediante el diseño y construcción de un mini centro de
maquinado con control numérico de bajo presupuesto. Es de bajo presupuesto porque todos los
materiales (salvo los que se especifiquen) fueron adquiridos en tiendas de deshueso y por lo tanto
costaron una fracción de su precio real.
1.1.3 Específicos




Diseñar y construir una fuente regulada
Diseñar y construir los drivers para los motores a pasos
Diseñar y construir la estructura del mini-centro de maquinado
Diseñar y construir un circuito de pruebas controlado con un PIC
2 Control numérico
El control numérico puede definirse como:
Un dispositivo capaz de controlar el movimiento exacto de uno o varios órganos de la
máquina-herramienta de forma automática a partir de una serie de datos numéricos
programados, que hacen funcionar los controles y motores eléctricos de las máquinasherramienta para realizar las siguientes funciones:





Los movimientos de los carros
Las velocidades de posicionado y mecanizado
Los cambios de herramientas
Los cambios de piezas
Las condiciones de funcionamiento (refrigeración lubricación, etc.)
Como el objetivo en este proyecto es hacer un mini centro de maquinado con control numérico
solo se tomaran las funciones de desplazamiento y velocidad de posicionado y mecanizado
para el control numérico, dejando que el operador realice los cambios man ualmente de la
herramienta y piezas así como de las condiciones de funcionamiento como lo sería la
refrigeración, que a diferencia de un centro de maquinado industrial que trabaja por periodos
largos y continuos, en nuestra maquina no representa problema al estar diseñada para trabajos
reducidos en tamaño y tiempo.
El control numérico incrementa la productividad y reduce los costos de producción y un
ejemplo muy claro de esto será su uso para fresado de placas PCB, ya que como se verá más
8
adelante el proceso de fabricación de placas PCB implica costos, tanto de materiales como de
tiempo y mano de obra, costos que se reducen considerablemente al contar con una
herramienta con control numérico.
2.1 Mini centro de maquinado
Los centros de maquinado están definidos como máquinas-herramienta que pueden realizar fresado,
taladrado y mandrilado en operaciones continuas sin parar la máquina para realizar el cambio de las
herramientas, pero permitiendo el cambio de estas automáticamente. Como ya se mencionó este
cambio se hará manualmente en el mini centro de maquinado con control numérico. Estas máquinas
fueron apareciendo para trabajos de maquinado automático mediante la conversión de máquinasherramienta convencionales a maquinas controladas numéricamente, tales como los tornos de CN y
las maquinas fresadoras de CN, una sola unidad de máquina-herramienta tal como un centro de
maquinado puede realizar varias clases de maquinado dando un nuevo significado al concepto de
maquinado, el cual no podría ser realizado por las máquinas-herramienta convencionales.
2.2 Componentes
Los centros de maquinado están clasificados rigurosamente en 2 tipos, de acuerdo a la dirección del
husillo principal llamados de tipo vertical y de tipo horizontal, el mini centro de maquinado con
control numérico diseñado en este proyecto es de tipo vertical ya que el husillo se mueve en
dirección del eje z.
El sistema de coordenadas utilizado para explicar las direcciones durante este proyecto será la
siguiente, el eje x junto con el y formarán el plano horizontal y el eje z será perpendicular a este
plano. Las características de los componentes se describen a continuación:
2.2.1 Husillo principal
Similar a las maquinas fresadoras de CN o a las maquinas taladradoras de CN, los centros de
maquinado cortan las piezas con herramientas, las cuales están instaladas en el husillo
principal y giran junto con él.
2.2.2 Cabeza del mandril
La cabeza del mandril soporta al mandril principal por medio de baleros y transmite la
rotación del mandril al mandril principal, en este proyecto la herramienta que se utilizara para
el maquinado será un mototool marca Dremel, el cual incorpora el husillo y el mandril,
quedando como cabeza del mandril la parte que es movida hacia arriba y hacia abajo por el
motor paso a paso que forma el eje z.
2.2.3 Mesa
La mesa es para sujetar las piezas de trabajo con plantillas e instalaciones fijas. Canales en
forma de t y agujeros son provistos en la mesa para fijar una pieza de trabajo. El movimiento
de esta forma el eje x en ambos tipos de centro de maquinado.
9
2.2.4 Plancha
En muchos centros de maquinado la plancha soporta la mesa y le proporciona el movimiento en el
eje y. Por el tipo de mini centro que se diseñó en este proyecto, el eje y queda arriba y permite el
desplazamiento en el eje y de la columna, haciendo que esta sea viajera.
2.2.5 Columna
La columna sostiene a la cabeza del mandril. Hay dos tipos de columnas, por ejemplo una es del
tipo columna fija y la otra es del tipo de columna viajera, la cual puede viajar sobre la cama.
2.2.6 Cama
La cama soporta la columna y la plancha y junto con estas se forma la base de la maquina completa.
2.2.7 Mecanismos de avance
El mecanismo de avance comprende un motor paso a paso, un tornillo sin fin, y los baleros de
desplazamiento lineal junto con las flechas rectificadas.
La rotación del motor paso a paso es transmitida al tornillo sin fin por medio de un acople y causa
unos movimientos lineales a la mesa, plancha y cabeza de mandril conectados directamente por
medio de las tuercas.
2.2.8 Unidad de CN y panel de control principal
Como este es un mini centro de maquinado con control numérico de bajo coste se tomara una pc de
escritorio para que sirva como unidad de CN y panel de control principal por medio de un
programa, por lo que se le da el nombre de control numérico por computadora o CNC.
10
2.3 Tipos de centros de maquinado
De acuerdo a la dirección del husillo principal los centros de maquinado se clasifican en dos tipos:
los centros de maquinado vertical y los centros de maquinado horizontal. El tipo de orientación se
escoge dependiendo del trabajo que se quiera realizar. El trabajo que se quiere realizar en este
proyecto es el fresado de superficies y perforado, y como el tipo de maquina ideal para realizar
estos trabajos es el vertical, se diseña de este tipo el mini centro de maquinado.
Existen una gran diversidad de centros de maquinado dependiendo de la estructura y posición de los
ejes, como vemos en la Figura 1, se muestra la forma y disposición de los ejes de las máquinas
verticales y en la se muestra la forma y disposición de los ejes de las máquinas horizontales.
Figura 1.- Centro de Maquinado Vertical
Figura 2.-Centro de Maquinado Horizontal
11
3 Motores paso a paso (PaP)
Los motores, tanto de CD como de CA, son muy efectivos en muchas labores cotidianas. Pero
debido a problemas tales como la inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad, se
desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro. Estos
motores se llaman paso a paso y en ellos no sólo se puede controlar la cantidad de vueltas del
mismo, sino que hasta centésimas de vuelta dependiendo del ángulo de paso.
Un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en
discretos movimientos mecánicos. El eje o engrane de un motor paso a paso gira en incrementos
discretos cuando los impulsos eléctricos de comandos se aplican a él en la secuencia apropiada. La
rotación de los motores tiene varias relaciones directas de estos pulsos de entrada. La secuencia de
los impulsos aplicados se relaciona directamente con la dirección de los ejes de rotación del motor.
La velocidad de giro del eje del motor está relacionada con la frecuencia de los pulsos de entrada y
la duración de la rotación está relacionada con el número de pulsos de entrada aplicados.
3.1 Ventajas y desventajas de los motores a pasos
3.1.1 Ventajas
1. El ángulo de giro del motor es proporcional a la señal de entrada.
2. El motor tiene el torque máximo estando parado (si las bobinas están energizadas)
3. Un posicionamiento preciso y la repetitividad del movimiento ya que los motores paso a
paso tienen un error de entre 3% y 5% por paso, y este error no es acumulativo de un paso
al otro.
4. Excelente respuesta de inicio, parada y marcha atrás.
5. Muy fiable ya que no hay cepillos de contacto en el motor. Por lo tanto la vida del motor
simplemente depende de la vida del rodamiento.
6. La respuesta de los motores a impulsos de entrada digitales proporciona un control de lazo
abierto, haciendo que el motor más simple y menos costoso de controlar.
7. Es posible alcanzar una velocidad de rotación muy baja y sincronizada con una carga que
esté acoplada directamente al eje.
8. Una amplia gama de velocidades de rotación es posible gracias a que la velocidad es
proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada.
3.1.2 Desventajas
1. Pueden ocurrir resonancias si no se controla adecuadamente.
2. No es fácil de operar a velocidades extremadamente altas.
12
3.2 Lazo abierto
Una de las ventajas más significativas de un motor paso a paso es su capacidad para ser controlado
con precisión en un sistema de lazo abierto. Un control de lazo abierto significa que no se necesita
información de retroalimentación sobre la posición. Este tipo de control elimina la necesidad de
dispositivos de retroalimentación y de sensores que generalmente son caros, tales como los
codificadores ópticos. Su posición es conocida simplemente por hacer el seguimiento de los pulsos
de entrada.
3.3 Tipos de motor paso a paso
Hay tres tipos de motor a pasos básicos. Ellos son:
• De reluctancia variable
• De imán permanente
• Híbrido
3.3.1 Reluctancia variable (RV)
Este tipo de motor paso a paso ha existido durante mucho tiempo. Es probablemente más fácil de
entender desde un punto de vista estructural. La Figura 3 muestra una sección transversal de un
típico motor paso a paso de RV. Este tipo de motor consiste en un hierro dulce de varios dientes del
rotor y un estator con dientes bobinados. Cuando los bobinados del estator están energizados con
corriente continua de los polos se magnetizan. La rotación se produce cuando los dientes del rotor
se sienten atraídos por los polos energizados de los dientes del estator.
13
Figura 3.-Sección Transversal de un motor de Reluctancia Variable (RV)
3.3.2 De imán permanente (IP)
A menudo se le refiere como “motor de lata", el motor paso a paso de imán permanente es un motor
de bajo costo y de baja resolución con ángulos de paso típicos de 7.5 ° a 15 ° (de entre 48 y 24
pasos por vuelta) Los motores de IP, como su nombre lo indica tiene imanes permanentes añadidos
a la estructura del motor. El rotor no cuenta con dientes como el motor de RV. En cambio, el rotor
está magnetizado con la alternancia de los polos norte y sur, situados en una línea recta paralela al
eje del rotor. Estos polos del rotor magnetizado proporcionar un aumento de la intensidad del flujo
magnético y por ello el motor de imanes permanentes exhibe mejores características de torque en
comparación con el tipo de RV.
Figura 4.- Imagen de un motor a pasos de imán permanente (IP) o “motor de lata”
14
3.3.3 Hibrido
El motor paso a paso híbrido es más caro que el motor a pasos de imán permanente, pero
proporciona un mejor rendimiento con respecto a la resolución, el torque y la velocidad. Los
ángulos típicos de paso para los motores paso a paso híbridos son de 3,6 ° a 0,9 ° (100 - 400 pasos
por vuelta). El motor paso a paso híbrido combina las mejores características tanto de los motores
de IP como de RV. El rotor es multidentado como el del motor de RV y contiene un imán
magnetizado axialmente concéntrico alrededor de su eje. Los dientes en el rotor proporcionan un
mejor camino que ayuda a guiar el flujo magnético a los lugares preferidos en el entrehierro. Esto
aumenta aún más la retención, la conservación y las características dinámicas de torque del motor
en comparación con los tipos de RV y de IP.
Figura 5.- Sección transversal de un motor a pasos Híbrido
Los dos tipos de motores paso a paso más comúnmente utilizados son el de imán permanente y el de
tipo híbrido. Si un diseñador no está seguro de qué tipo se ajusta mejor a los requisitos de su
aplicación, primero debe evaluar el tipo de IP, ya que suele ser mucho más barato. Si no le sirve,
entonces el motor híbrido podría ser la elección correcta.
También existen algunos diseños especiales de motores paso a paso. Uno de estos diseños es el
motor de imán de disco. Aquí, el rotor está diseñado como un disco con imanes de tierras raras, ver
fig. 6. Este tipo de motor tiene algunas ventajas, tales como la muy baja inercia y una trayectoria
optimizada del flujo magnético entre los dos devanados del estator sin acoplamiento. Estas
cualidades son esenciales en algunas aplicaciones.
15
Figura 6.- Principio de un motor de disco magnético
3.4 Tamaño y poder
Además de ser clasificados por su ángulo de paso, los motores paso a paso también se clasifican de
acuerdo con los tamaños de chasis que corresponden con el diámetro del cuerpo del motor. Por
ejemplo, un tamaño 11 de motor paso a paso tiene un cuerpo de diámetro de aproximadamente 1.1
pulgadas. Asimismo un motor paso a paso de tamaño 23 tiene un diámetro de cuerpo de 2.3
pulgadas (58 mm), etc. Sin embargo, el tamaño del motor puede variar de uno a otro dentro del
mismo tamaño de chasis. Como regla general, el torque disponible a la salida de un motor de un
tamaño de chasis particular, aumentará si el tamaño del motor aumenta.
Los niveles de potencia de los motores paso a paso por lo general varían de menos de un watt, para
motores muy pequeños, hasta 10-20 watts para los motores más grandes. El nivel de disipación de
potencia máxima o límite térmico del motor rara vez es indicado claramente en los datos del motor
proporcionados por el fabricante. Para determinar este valor debemos aplicar la relación de
. Por ejemplo, un motor paso a paso de tamaño 23 se podría clasificar con 6V y 1A por fase.
Por lo tanto, con dos fases energizadas el motor tiene una disipación de potencia nominal de 12
watts. Es una práctica normal para calificar un motor paso a paso a nivel de disipación de potencia
en la caja del motor se eleva de 65 ° C por encima de la temperatura ambiente en aire quieto. Por lo
tanto, si el motor se puede montar en un disipador de calor es a menudo posible para aumentar el
nivel de potencia de disipación permisible. Esto es importante ya que el motor está diseñado para
ser y deben ser utilizados en su disipación de potencia máxima, para ser eficaz a partir de un puntos
de vista de tamaño / potencia de salida / coste.
16
3.5 Funcionamiento
3.5.1 Usos principales
Un motor paso a paso puede ser una buena opción siempre que sea necesario un movimiento
controlado. Se pueden utilizar con ventaja en aplicaciones donde se necesita controlar el ángulo de
rotación, la velocidad, la posición y la sincronización. Debido a las ventajas inherentes enumeradas
anteriormente, los motores paso a paso han encontrado su lugar en una gran diversidad de
aplicaciones. Algunas de estas incluyen impresoras, plotters, equipos de gama alta de oficina,
unidades de disco duro, equipos médicos, máquinas de control numérico, máquinas de fax,
automóviles y muchos más.
3.5.2 El campo magnético giratorio
Cuando un devanado de fase de un motor paso a paso se energiza con una corriente, un flujo
magnético se desarrolla en el estator. La dirección de este flujo está determinado por la "Regla de la
Mano Derecha" que dice: "Si la bobina se sujeta en la mano derecha con los dedos apuntando en la
dirección de la corriente en la bobina (extendiendo el pulgar en un ángulo de 90 ° de los dedos),
entonces el pulgar apuntará en la dirección del campo magnético". La Figura 5 muestra la
trayectoria del flujo magnético desarrollado cuando la fase B se energiza con devanado de corriente
en la dirección indicada. El rotor entonces se alinea de manera que el flujo de oposición se
minimiza. En este caso, el motor podría girar en sentido horario de modo que su polo sur se alinea
con el polo norte del estator B en la posición 2 y su polo norte se alinea con el polo sur del estator B
en la posición 6. Para conseguir que el motor gire, ahora podemos ver que debemos proporcionar
una secuencia de activación de los bobinados del estator, de tal manera que proporciona un campo
giratorio de flujo magnético que el rotor sigue debido a la atracción magnética.
17
Figura 7.- Trayectoria del flujo magnético a través de un de un motor paso a paso de 2 polos con un desfase entre rotor y estator.
3.5.3 Generación de torque
El torque producido por un motor paso a paso depende de varios factores.
• Grados por paso
• Resistencia de los bobinados
• La unidad de diseño o tipo
En un motor paso a paso un par se desarrolla cuando los flujos magnéticos del rotor y el estator
están desplazados unos de otros. El estator está constituido por un material de alta permeabilidad
magnética. La presencia de este material de alta permeabilidad hace que el flujo magnético que se
limita en su mayor parte a las trayectorias definidas por la estructura del estator de la misma manera
que las corrientes se limitan a los conductores de un circuito electrónico. Esto sirve para concentrar
el flujo en los polos del estator. El par de salida producido por el motor es proporcional con la
intensidad del flujo magnético generado cuando el devanado está energizado. La relación básica que
define la intensidad del flujo magnético se define por:
, donde:
18
Esta relación muestra que la intensidad de flujo magnético y, en consecuencia el par es proporcional
al número de vueltas del devanado y la corriente es inversamente proporcional a la longitud de la
trayectoria de flujo magnético. A partir de esta relación básica se puede ver que el mismo tamaño de
bastidor de un motor paso a paso podría tener una capacidad de par de salida muy diferente
simplemente cambiando los parámetros de bobinado.
19
4 Fuentes reguladas
Una fuente de voltaje regulada es la encargada de transformar el voltaje de la tensión alterna en un
voltaje continuo que es el que alimentará nuestro mini centro de maquinado CNC. Este consta de
las siguientes etapas:



de reducción
de rectificación
de regulación
4.1 Etapa de reducción
En esta etapa se reduce el voltaje de la tensión alterna de 120v a 25v con la ayuda de un
transformador con tap central. Esta reducción de tensión se realiza por el efecto de la Ley de
Faraday también conocida como propiedad de inducción electromagnética, esto es que si se aplica
una fuerza electromotriz alterna (o corriente alterna) en el devanado primario, circulará por éste una
corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable
originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos
del devanado secundario. La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que
sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada
volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador. El circuito es el siguiente:
Figura 8 Circuito de la etapa de reducción
La relación entre la fuerza electromotriz inductora
aplicada al devanado primario y la fuerza
electromotriz inducida
obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de
espiras de los devanados primario
y secundario .
20
Básicamente tendríamos una señal de entrada:
E tapa de reducción
Señal de entrada
To p Sp i c e 8 .3 4
1 8 -SEP-2 0 1 2
150
0 1 :0 1 :5 7
V(IN)
100
Corriente alterna (V)
50
0
-50
-100
-150
0
10m
20m
30m
40m
Tiem po (s )
Fi l e : C:\Us e rs \Bl u e Ne o \Do c u m e n ts \ToFigura
p Sp i c e9\De
m o \Ex
m p l e s \FUL
AVE RECTIFIER.OUT
Señal
dea entrada
de Lla-Wetapa
reductora
Re v : 1 0
Y a la salida:
E tapa de reducción
Señal de s alida
To p Sp i c e 8 .3 4
1 8 -SEP-2 0 1 2
30
0 1 :0 7 :5 4
V(S1 )
Corriente alterna (V)
20
10
0
-10
-20
-30
0
10m
20m
30m
40m
Tiem po (s )
Fi l e : C:\Us e rs \Bl u e Ne o \Do c u m e n ts \To
p Sp i c10
e \De
m o \Exde
a msalida
p l e s \FUL
-Wetapa
AVE RECTIFIER.OUT
Figura
Señal
deLla
reductora
21
Re v : 1 0
4.2 Etapa de rectificación
Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente
alterna de entrada en corriente continua de salida pulsante. A diferencia del rectificador de
media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte
positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de
corriente continua.
4.2.1 Rectificador con dos diodos.
En el circuito de la figura 11, ambos diodos no pueden encontrarse simultáneamente en directa o en
inversa, ya que las diferencias de potencial a las que están sometidos son de signo contrario; por
tanto uno se encontrará polarizado inversamente y el otro directamente. La tensión de entrada ( )
es, en este caso, la mitad de la tensión del secundario del transformador.
Figura 11 Circuito rectificador con 2 diodos
Cuando el diodo 2 se encuentra en polarización directa (conduce), mientras que el diodo 1 se
encuentra en polarización inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de
signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario.
4.2.2 Puente de Graetz o puente rectificador de doble onda
En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura 12. Al igual que antes, sólo
son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión
positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en inversa y conducen
(tensión negativa).
22
Figura 12 Puente de Graetz o puente rectificador
A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del
transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa,
al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la
obtención de onda continua.
4.2.3 Tensión rectificada.
, en el rectificador con dos diodos.
, en el rectificador con puente de Graetz.
Si consideramos la caída de tensión típica en los diodos en conducción, aproximadamente 0,6v;
tendremos que para el caso del rectificador de onda completa la
–
.
Ahora que ya tenemos la onda rectificada (medios ciclos positivos) tenemos que estabilizarla al
voltaje que necesitemos en la salida. Para esto sirve la siguiente etapa que es la de filtrado.
4.3 Etapa de filtrado
La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida
completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a
cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos.
Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este
tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro.
El tipo más común de filtro es el del capacitor en la entrada, en la mayoría de los casos
perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y se tendrán que
utilizar algunos componentes adicionales.
23
4.3.1 Filtro con capacitor
Este es el filtro más común, basta con añadir un capacitor C1 en paralelo con la carga (R1) como se
muestra en la figura 13.
Figura 13 Filtro con condensador
Cuando el diodo conduce, el capacitor se carga con la tensión pico
una vez rebasado el pico
positivo, el diodo se abre. Esto ocurre por que el capacitor tiene una tensión
entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que
el cátodo del diodo esta a mas tensión que el ánodo. Con el diodo abierto el capacitor se
descarga a través de la carga R1. Durante el tiempo que el diodo no conduce, el capacitor tiene que
alimentar la carga y mantener la tensión
, lo cuál es prácticamente imposible ya que al
descargarse un capacitor se reduce la tensión en sus extremos.
Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el
capacitor con la tensión pico
. En otras palabras, la tensión del capacitor es aproximadamente
igual a la tensión pico del secundario del transformador (como se había mencionado anteriormente,
existe una perdida de 0.7v por diodo). La tensión quedará como se muestra en la figura 14.
Figura 14 Tensión de salida de la etapa de filtrado
24
La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado
por la carga y descarga del capacitor. Para reducir este rizado podemos optar por construir un
rectificador en puente con el cual el capacitor se cargaría el doble de veces en el mismo intervalo
teniendo así menos tiempo para descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensión de
salida es más cercana a
.
Otra forma de reducir el rizado es poner un capacitor mayor, pero siempre se debe tener cuidado en
no seleccionar un capacitor demasiado grande, ya que originaria problemas de conducción de
corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce
el diodo es la misma que conduce el transformador).
4.3.2 Efecto del capacitor en la conducción del diodo
Como se ha mencionado hasta ahora, el diodo solo conduce cuando el capacitor se carga. Cuando el
capacitor se carga, aumenta la tensión en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello
podemos distinguir perfectamente en el gráfico cuándo el diodo conduce y cuándo no. En la figura
15 se ha representado la corriente que circula por el diodo, la cual es la misma que circula por el
transformador.
Figura 15 Gráfica de la conducción del diodo relacionada a la carga del capacitor
La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostrados como rectángulos para simplificar. Los pulsos
tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida
constante durante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo conduce en un instante
todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Por esto es común tener fuentes de 1A y
aunque estos pulsos lleguen hasta 10A o más, no es necesario poner un diodo de 10 amperios ya
que un 1N4001 soporta 1A de corriente media y pulsos de hasta 30A.
Si se coloca un capacitor mayor se reduce el rizado, pero a la vez se reduce el tiempo de conducción
del diodo. Como la corriente media que pasa por los diodos es la misma (e igual a la corriente de
carga) los pulsos de corriente se hacen mayores como se puede observar en la figura 16.
25
Figura 16 Disminución del rizado con un capacitor mayor
Y esto afecta tanto al diodo como al transformador, ya que a medida que los pulsos de corriente se
hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si se coloca un capacitor de
un valor mucho mayor al necesario se podría encontrar con una incapacidad de llegar al amperaje
del transformador.
Cálculo del capacitor
Si se desea ajustar el valor del capacitor al menor posible, esta fórmula proporciona el valor del
capacitor para que el rizado sea de un 10% de .
, donde:
26
5 Drivers
El driver es el circuito que sirve para transformar las señales digitales en las señales de voltaje de
mayor amperaje provenientes de la fuente de alimentación regulada explicada en la sección
anterior) para permitir que el motor a pasos funcione de manera correcta. Los drivers son una etapa
intermedia para el control de los motores a pasos.
Como ese explico en la sección de motores paso a paso, estos funcionan gracias a la magnetización
de sus bobinas internas en pasos y cambios de uno en uno.
6 PIC16F877A
Este microcontrolador es uno de los más usados porque provee de varios puertos de entrada/salida,
así como un gran número de instrucciones y una fácil programación. Las características más
generales de este microcontrolador se presentan a continuación en la tabla 1.
6.1 Características generales
Tabla 1 Características generales del microcontrolador PIC16F877A
Descripción
Núcleo
Interrupciones
Reloj
Reset
Instrucciones
Características
RISC, Arq. Harvard, 20 MHz. 5MIPS
14 fuentes posibles de interrupción
0-20 MHz
Master Clear, Brown Out, Watchdog, Power On
35 instrucciones de 14 bits
Memoria
De programa
De datos RAM
De datos EEPROM
Pila
De datos ext. EEPROM
8 K palabras de 14 bits
368 registros de 8 bits
256 registros de 8 bits
8 palabras de 13 bits
Hasta 256 KBytes
Periféricos
Puertos programables de E/S
Timers/Counters
Puertos de capt./comp. de datos
Moduladores de ancho de pulso
Conversor Analógico/Digital de 10 bits
Puerto serie síncrono
USART
Puerto paralelo esclavo
Hasta 33 bits, pueden ser usados por otros periféricos
Dos de 8 bits y uno de 16 bits
Dos de 8 bits
Dos de 8 bits
Con un MPX de 8 canales para 8 entradas diferentes
Configurable en modo SPI e
Para conexiones RS-232
8 bits + 3 bits de control
Procesador
27
6.2 Diagrama de bloques
En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques de la construcción interna de este
microcontrolador.
Figura 17 Diagrama de bloques del PIC16F877A
28
Como podemos observar, este microcontrolador cuenta con 4 puertos configurables de 8 bits, los
cuales serán usados para las salidas de las señales de los 3 motores que necesitamos controlar y para
establecer una comunicación en paralelo con la computadora que será la que nos mande las señales
de control.
6.3 Set de instrucciones
Como se menciono al inicio de esta sección, el microcontrolador PIC16F877A cuenta con 35
instrucciones, las cuales nos permitirán poder utilizarlo para realizar un control correcto de los
motores a pasos que se necesitan para el mini centro de maquinado con control numérico.
Estas instrucciones tienen un formato como el que se muestra a continuación:
A su vez, los tipos de operandos que podemos utilizar en una instrucción son:
f: Indica un nº de registro dentro de un banco de la RAM. Es un valor de 7 bits.
d: Operando destino. Es un bit que si vale 0 indica que el resultado debe almacenarse en W y si vale
1 en el registro usado como primer operando.
b: Es usado en las instrucciones que afectan a un único bit, y apunta al bit destino de la instrucción.
k: Constante. Las instrucciones van a manejar dos tipos de constantes, si la instrucción es CALL o
GOTO la constante es de 11 bits (k11) y hace referencia a la dirección a la que se va a saltar. En
cualquier otro caso se trata de un valor de 8 bits (k8) que se usará como valor inmediato en una
operación que siempre involucra a la ALU y al acumulador.
Dentro de este set de instrucciones podemos encontrar instrucciones de los siguientes tipos:
6.3.1 De transferencia






CLRF
CLRW
MOVLW
MOVWF
MOVF
SWAPF
29
6.3.2 Aritméticas




ADDLW
ADDWF
SUBLW
SUBWF
6.3.3 Lógicas







ANDLW
ANDWF
COMF
IORLW
IORWF
XORLW
XORWF
6.3.4 Decrementos


DEC
INC
6.3.5 De rotación


RLF
RRF
6.3.6 De manipulación de bits


BCF
BSF
30
6.3.7 De control


CLRWDT
SLEEP
6.3.8 De salto incondicional





CALL
GOTO
RETFIE
RETLW
RETURN
6.3.9 De salto condicional




BTFSC
BTFSS
DECFSZ
INCFSW
En la figura 18, se muestra una tabla con la descripción de estas operaciones ordenada de manera
alfabética que se encuentran en este microcontrolador.
31
Figura 18 Set de instrucciones en orden alfabético del microcontrolador PIC16F877A
32
7 Fabricación de circuitos impresos
En esta sección se mencionaran los pasos para la fabricación de un circuito impreso y las distintas
técnicas que hay para imprimir el circuito en la placa de fibra de vidrio y cobre de manera breve y
se profundizara en la técnica utilizada para la realización de este proyecto, la cuál es la técnica de la
serigrafía, por ser económica, rápida y con resultados de calidad profesional.
7.1 Circuito impreso
Entendiéndose por circuito impreso aquel que se plasma con pequeñas y muy delgadas áreas
conductoras de cobre, sobre una superficie plana y aislante (fibra de vidrio), sobre la cual se
insertan diversos componentes electrónicos por pequeños orificios, realizando contacto eléctrico,
entre las terminales de cada componente y las áreas de cobre con soldadura de estaño, dando como
resultado la interconexión de componentes electrónicos de forma precisa y confiable.
7.2 Pasos para la elaboración de un circuito
Al diseñar un proyecto o prototipo electrónico, primero se debe probar, armándose en una placa de
pruebas o protoboard. Cuando funcione correctamente, se dibujará el diagrama esquemático, ya
sea a mano o en la computadora, usando programas especializados como:
1.
2.
3.
4.
TopSpice
Proteus
Eagle
Pspice
Después de tener el diagrama del circuito se procede con la fabricación del mismo el cuál tiene el
nombre de placa de circuito impreso (PCB por sus siglas en ingles). Ya que tenemos esta placa, le
tenemos que montar los componentes los cuales soldaremos en las posiciones adecuadas dentro de
la placa, y finalmente es recomendable colocarlo en un chasis o gabinete para proteger los
componentes y darle una presentación final a nuestro proyecto.
33
7.3 Prueba del circuito
La placa de pruebas (protoboard), es una herramienta muy común en el estudio de la electrónica,
ya que nos permite interconectar componentes electrónicos como: resistencias, capacitores,
inductores, circuitos digitales etc., sin necesidad de soldarlos en un circuito impreso,
permitiéndonos así, hacer una gran cantidad de pruebas de manera fácil, hasta obtener el
comportamiento deseado de nuestro circuito.
El protoboard está compuesto por segmentos plásticos con perforaciones y láminas delgadas de una
aleación de cobre, estaño y fósforo, las cuales pasan por debajo de las perforaciones, creando una
serie de líneas de conducción paralelas. Estas líneas están distribuidas en forma transversal y
longitudinalmente. Las líneas transversales están interrumpidas en la parte central de la placa, para
facilitar la inserción de circuitos integrados tipo DIP (Dual Inline Packages), y que cada pata del
circuito integrado, tenga una línea de conexión por separado. En la cara opuesta de la placa, trae un
forro con pegante, que sirve para sellar y mantener en su lugar las láminas metálicas.
Al momento de hacer un circuito en el protoboard, se utilizan las líneas transversales para
interconectar los componentes y las longitudinales para su alimentación. En la figura 19 podemos
observar un protoboard y la configuración de sus líneas nodo y de alimentación.
Figura 19 Imagen de un protoboard donde se ven los nodos enumerados y las líneas de alimentación con colores azul y rojo
7.4 Diagrama esquemático (schematic)
Cuando el circuito está funcionando a la perfección en el protoboard, se procede a realizar el
diagrama esquemático. Esto consiste en dibujar el circuito, utilizando los símbolos electrónicos. Se
puede hacer a mano, o en la computadora, utilizando programas como:
1.
2.
3.
4.
TopSpice
Eagle
Proteus
Pspice
En la figura 20 se muestra un ejemplo de un diagrama esquemático.
34
Figura 20 Diagrama esquemático de ejemplo
7.5 Circuito impreso para la fabricación del PCB
Este circuito es el que se necesita para poder fabricar el circuito en una placa de cobre y aunque
también puede ser hecho a mano se recomienda el uso de un software especializado, como por
ejemplo:
1.
2.
3.
4.
PCB Wizard
KiCad
gEDA Project
EAGLE
Lo más recomendable para circuitos complejos es utilizar software especializado ya que este nos
permite, mediante la colocación manual de los elementos, el trazado de las pistas de manera
automática, y así, evitamos errores en la fabricación de circuitos con una gran complejidad. En la
figura 21 podemos ver un ejemplo de este circuito impreso.
Figura 21 Circuito impreso para la fabricación del PCB
35
7.6 Fabricación del PCB
Comenzaremos por hablar un poco del material con el que están hechos los circuitos impresos. El
material más usado para la fabricación de circuitos impresos o también conocido como placa
fenólica, es la baquelita (Bakelite), es un fenoplástico resistente al calor y a los solventes, desarrollado
por el belga-americano, Leo Hendrik Baekeland, entre 1902 y 1907. Otro material muy
comúnmente utilizado en la fabricación de circuitos impresos es la fibra de vidrio con resina de
poliéster. Este material es de mayor costo, pero de mejor calidad y presentación.
Ambos materiales llevan un baño de cobre en una o en ambas caras. La función del cobre es
conducir la electricidad. Al momento de hacer un circuito impreso, se imprime en la tarjeta; ya sea
en baquelita o en fibra de vidrio, el diagrama de pistas sobre el cobre de esta, para así, transferir las
pistas que interconectarán los componentes que irán en la tarjeta.
7.7 Técnicas para la impresión del circuito impreso
Existen diferentes técnicas para la fabricación de los circuitos impresos (PCB). Dependiendo del
presupuesto con el que se disponga y la complejidad del circuito, escogemos la técnica más
adecuada al caso particular de entre las siguientes:
1. Tinta indeleble
2. Técnica de planchado (con papel termo transferible o impresión láser)
3. Técnica de serigrafía.
7.7.1 Tinta indeleble
Es la forma más económica de hacer circuitos impresos. Solo se necesita un marcador o plumón de
tinta indeleble. Lo primero es dibujar las pistas del circuito sobre la tarjeta del lado bañado en cobre.
Esta técnica por ser netamente manual y con una calidad de impresión regular, se recomienda para
hacer circuitos de mediana complejidad, para principiantes o aficionados a la electrónica, que
desean realizar pequeños proyectos a muy bajo costo. En la figura 22 se muestra un ejemplo de un
circuito impreso con esta técnica.
Figura 22 Circuito impreso con la técnica de tinta indeleble
36
7.7.2 Técnica de planchado
El papel transfer es un material utilizado en la elaboración de circuitos impresos de cualquier tipo.
Gracias a este papel podemos traspasar a la placa de cobre virgen el diseño del circuito impreso que
hayamos hecho (a mano o en la computadora) de manera fácil, rápida y económica.
Es recomendable usar un papel especialmente diseñado para este propósito y de que sea de marca.
Aunque también se pueden utilizar algunos papeles gruesos usados en dibujo como el papel glossy,
el papel para fotografía o el papel propalcote de unos 120 gramos.
Para empezar debemos obtener el circuito del diseño impreso. Este no es otra cosa que el dibujo de
las pistas de cobre. El diseño del circuito impreso que obtengamos deberá corresponder a las pistas
de cobre vistas desde la cara de los componentes (modo espejo).
Teniendo el diseño del circuito impreso en la computadora, se imprime en alta resolución sobre el
papel transfer usando una impresora láser. Se imprime sobre cualquier cara del papel, ya que las dos
caras son iguales. Si la imprimimos en un tipo de impresora diferente a láser, el papel transfer no
servirá (porque las impresoras láser utilizan tóner en vez de cartuchos de tinta). Si poseemos el
diseño del circuito impreso en una hoja de papel común y corriente o fue hecho a mano, debemos
sacar una fotocopia de este, sobre el papel transfer. Las fotocopiadoras utilizan el mismo sistema de
impresión que las impresoras láser.
Una vez obtenido el diseño del circuito impreso sobre el papel transfer, este se recorta con unas
tijeras o una navaja, dejando una margen que nos permita manipularlo. El papel transfer restante se
guarda para la elaboración de futuros circuitos impresos.
Ahora se debe cortar la baquelita con el cobre virgen a la medida del circuito impreso y
posteriormente lavarla por el lado del cobre con jabón desengrasarte de lavaplatos y una esponja de
ollas no abrasiva. Se tiene que secar muy bien la baquelita con un trapo limpio o de preferencia con
una servilleta desechable. La placa de cobre deberá estar seca, brillante como el oro y limpia de
polvo y grasa. En este punto es de suma importancia no tocar la superficie de cobre con los dedos o
cualquier otra cosa.
A continuación se coloca la baquelita sobre una superficie dura, con el lado del cobre mirando hacia
arriba. Luego se coloca el papel transfer con el diseño del circuito impreso sobre la placa de cobre,
de tal manera que el dibujo haga contacto con el cobre. Por último se coloca una hoja de papel
común y corriente sobre el papel transfer y entonces tenemos todo listo para el planchado.
Finalmente, haciendo uso de una plancha casera a temperatura máxima, planchamos durante 10
minutos sobre la parte impresa del papel transfer, haciendo énfasis en los bordes y el centro de la
placa. Dependiendo de la marca del papel termo transferible, cambia la temperatura de la plancha.
Algunos papeles de dibujo, exigen más calor y por eso es necesario usar la plancha a la máxima
temperatura.
37
Después de 10 o 15 minutos de planchado y observando que el papel se haya adherido bien al
cobre, se deja enfriar un instante y se introduce la placa con el papel transfer adherido en una
cubeta con agua fría, para dejarla sumergida un mínimo de 5 minutos. Al cabo de este tiempo se
revisa que el papel esté húmedo en su totalidad. Esto es fácil de notar porque el papel se hace
transparente y se alcanza a ver la tinta del dibujo.
Después de los 5 minutos o en el momento en que se observe que el papel esté húmedo, se retira de
la superficie de cobre el papel transfer de manera suave con la yema de los dedos. Se seca la placa
por el lado del cobre y se revisa que no queden restos de fibras de papel o gelatina adheridos a la
superficie del cobre ya que este debe de quedar lo mas limpio posible. En caso de haber restos de
papel, estos pueden eliminarse frotando muy suave con la yema de los dedos teniendo la placa
sumergida en el agua. Antes de pasar a la siguiente fase, la placa deberá estar seca y libre de fibras
de papel no deseadas.
En algunos casos al desprender el papel, se levantan partes del dibujo, echándose a perder el
trabajo. Esto sucede por varios factores; cuando no se lava bien la placa virgen del lado del cobre,
cuando se deja grasa ya que esta evita la buena adherencia del tóner o la mala calidad del papel
utilizado en este proceso. Cuando se compre el papel, se tiene que tomar en cuenta que sea grueso,
de material fino y liso. Otro factor que también influye en el agarre del dibujo en el cobre es la
temperatura de la plancha. Si las partes levantadas del dibujo son muchas, se debe repetir el proceso
de planchado, pero si sólo son pequeños detalles los que se han dañado, se puede utilizar un plumón
indeleble para retocarlos a mano y así evitar repetir todo el proceso.
7.7.3 Método serigráfico
El método empleado para la impresión del circuito impreso en la placa virgen de cobre es el de
serigrafía. En este proceso se utiliza un bastidor o marco de madera, el cual tienen una malla muy
fina de nylon la cual se cubre con una delgada capa de emulsión fotosensible. Por medio de un
proceso fotográfico y con la imagen del circuito impreso en modo positivo y colocando la
impresión del lado de la emulsión, se somete al bastidor a una exposición de luz para que de esta
manera, se sellen aquellas áreas de la emulsión que quedan expuestas a la luz y queden sin sellar
aquellas áreas que no fueron expuestas a la luz por estar cubiertas con el circuito impreso. Al
finalizar la exposición a la luz se remueve por completo la emulsión de la malla con un lavado a
presión.
El bastidor así grabado tiene áreas de la malla obstruidas por la emulsión curada y otras áreas libres
que corresponden fielmente a las áreas de cobre diseñadas en nuestro circuito impreso.
El positivo se obtiene haciendo una impresión láser de alta calidad de la imagen de nuestro circuito
impreso sobre una hoja de acetato o papel albanene, la impresión debe de ser de la máxima calidad
ya que de lo contrario, no obtendríamos los resultados esperados. La emulsión y el proceso
fotográfico se debe hacer en un recito adecuado, con una ventilación e iluminación adecuada. Para
este caso, al carecer de esas instalaciones, se opto por mandar a hacer solo ese proceso a un local
38
dedicado a la serigrafía. La relación costo beneficio es muy favorable, pues en pocas horas el
trabajo esta listo, a un bajo precio y sin la necesidad de tener complejas instalaciones.
Una vez que tenemos el bastidor listo, se coloca sobre la placa virgen perfectamente limpia, y
encima de la malla se le pone tinta para serigrafía, la cuál puede ser cualquiera que no tenga como
base agua y que no contenga pigmentos minerales. Con ayuda de un rasero se corre la tinta de arriba
a abajo dejando una capa uniforme a lo largo del bastidor, de esta forma la tinta pasara solo por
aquellas partes de la malla que están libres de emulsión, al separar el bastidor de la placa de cobre,
se obtiene la imagen del circuito impreso marcada con tinta sobre el cobre. Se deja secar unas horas
al sol para que la tinta quede completamente seca y esté lista para el siguiente paso. Este paso se
puede acelerar si se utiliza una pistola de calor para secar rápidamente la pintura.
7.8 Ataque químico con Cloruro férrico (HClFe3)
Una vez obtenido el circuito impreso con tinta sobre la placa de cobre y perfectamente seca, se
inicia el ataque químico. Se usa una solución que se vende para esta tarea y que es comúnmente
conocida como Cloruro Férrico, la cual esta constituida por una parte de hidrogeno, una de cloro,
tres de fierro y seis de agua, esta solución es muy lenta para grabar circuitos impresos, pero tiene un
grado de peligrosidad bajo y no causa severos daños a las personas. No obstante su manejo debe
hacerse con mucho cuidado y se recomienda utilizar guates de látex por precaución.
Para comenzar el ataque primero debemos contar con un espacio con una ventilación adecuada y
disponibilidad de agua, estas son las únicas características que debemos cubrir para realizar este
paso, entonces es fácil hacerlo en un lugar a cielo abierto auxiliados de una manguera o cubeta con
agua.
Se vierte la solución de cloruro férrico en un recipiente en donde quepa la totalidad de la placa y
esta sea cubierta por el fluido, es indispensable que el recipiente sea de un material no ferroso, tal
como plástico o vidrio, en ningún caso se podrá utilizar un recipiente o utensilios de aluminio,
cobre, acero inoxidable etc.
El ataque químico comienza cuando la solución entra en contacto con las áreas de cobre
desprotegidas por la tinta. La corrosión y remoción total de dichas áreas puede tardar varios
minutos, pudiendo reducirse el tiempo si existe una ligera agitación de la solución al momento de
realizar el ataque. Cabe señalar que la temperatura juega un papel importante, en un día muy gélido
la corrosión tardara mas que en un día caluroso, sin embargo no se recomienda inducir calor a la
solución por ningún método diferente a la radiación solar.
Una vez consumada la corrosión de las áreas indeseadas de la placa, se puede extraer de la solución
para enjuagarla con agua y secarla con un paño. Es indispensable hacer una revisión visual para
determinar si ya no existe cobre en las áreas que no están cubiertas con tinta ya que deben estar
limpias. En caso de encontrarse rastros de cobre se puede volver a sumergir en la solución hasta
eliminar todo lo restante.
39
Una vez limpiada la placa y sin rastros de cobre en las partes sin tinta, se remueve la tinta que forma
las pistas con solvente para así obtener el circuito grabado. Una vez removida la tinta ya no podrá
sumergirse de nuevo a la solución.
7.9 Corte y perforaciones del circuito impreso
El último paso para obtener nuestra placa lista para soldarle los componentes es el de corte y
perforación. Los cortes se hacen para dejar a la placa de las dimensiones adecuadas y las
perforaciones se realizan para obtener los orificios en donde se montarán los elementos que
componen el circuito completo.
El corte se realiza con una maquina mecánica tipo cizalla y las perforaciones se hacen con un
taladro pequeño conocido como mototool el cual va montado en una base firme con movimiento
vertical. Para los diferentes circuitos se emplean diversos tamaños de broca siendo el más pequeño
1/32” y el más grande de 1/8” empleado únicamente para tornillos de sujeción. Para las resistencias,
capacitores y circuitos integrados la medida estándar de la broca es la de 1/32”, mientras que para
componentes más robustos como diodos, transistores, etc., se utiliza una broca de 3/64” y para los
dispositivos de potencia como transistores, diodos y cables de alimentación se utiliza una broca de
1/16”.
40
8 Mini centro de maquinado con control numérico
Como comentamos al inicio de este reporte, la mayoría de las piezas utilizadas en este proyecto
fueron compradas en mercados de deshueso y por lo tanto el proyecto se adecuo a las características
de los elementos adquiridos. En esta sección se describirá el proceso de adquisición de los diversos
elementos adquiridos, así como la influencia de estos para el diseño y construcción de este mini
centro de maquinado.
8.1 Fuente de alimentación
Para diseñar la fuente de alimentación necesaria para este proyecto, primero se tuvieron que
considerar los valores de consumo de los motores a pasos los cuáles fueron adquiridos primero ya
que se encontraron 3 iguales y a un costo muy reducido. Estos valores fueron de 3.6 Volts a 5
Amperes, por lo cual fue necesario construir una fuente de voltaje capaz de suministrar por lo
menos 15 A. Una vez obtenido este dato se busco un transformador de gran tamaño el cuál fuera
capaz de dotarnos de semejante amperaje.
El transformador conseguido perteneció a una fotocopiadora ya descompuesta y como no se
conocían los valores de este, se procedió a conectarlo a la línea de alimentación y medir el voltaje y
corriente en sus salidas.
Con estos valores se conoció el voltaje que entregaba a la salida el transformador y con las
siguientes formulas se precedió a calcular el valor del capacitor para el filtro.
Se diseño siguiendo los siguientes pasos.
Cálculo del capacitor
Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 5 V a 15 A. El rizado
deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 25 V y 20 A y de un
rectificador en puente que soporta hasta 20 A. Para elegir el valor del capacitor se realizan los
siguientes cálculos:
1.- Se calcula la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será
suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a
alimentar.
Como este valor se conocía por medición no fue necesario calcularlo. Cabe señalar que el
transformador tiene que ser de más corriente de la que se desee obtener en la carga.
41
2.- Se calcula
, la cual es la salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de
tensión en los diodos (conducen dos a dos), ya que con este voltaje se cargara el capacitor en la
etapa de filtrado.
(
)
Esta será aproximadamente la tensión de salida del puente de diodos.
3.- Calculamos el valor del capacitor considerando una perdida del 10% como aceptable
Donde:
Despejando tenemos que:
Con este valor se acudió a buscar un capacitor de mayor capacidad que la calculada y se encontró
uno de
el cuál cubrió de manera excelente lo que se necesitaba para hacer el filtro.
Por último se colocaron reguladores de corriente y uno de voltaje ya que necesitaríamos únicamente
5 volts para todos los motores y para la alimentación de la parte digital que es la de control
mediante el PIC16F877A. En la siguiente figura se observa la colocación de estor transistores
reguladores de corriente de tipo corcholata.
42
Figura 23 Fuente de alimentación con los reguladores de corriente
La fuente armada se muestra en la figura 24.
Figura 24 Fuente de alimentación terminada
43
8.2 Driver para motor a pasos
Para el diseño de los drivers se tomaron en cuenta las características de los motores PaP. Como los
motores con los que se cuenta son de tipo unipolar se requieren 5 pines de entradas digitales, un par
de pines de entrada del voltaje regulado para alimentar las salidas hacia el motor PaP y los 6 pines
de salida del motor.
8.2.1 Pruebas en protoboard
Para el diseño de los drivers para controlar a los motores paso a paso primero se probo en un
protoboard el circuito y se ajusto hasta que se consiguió el comportamiento deseado, esto es que el
motor avanzara correctamente un paso cada vez que se le enviara la señal de avanzar, retroceder y
funcionar con una señal de pulsos modulando la frecuencia para probar que no se sobrecalentara
con un uso demandante. En la figura 25 se muestra el driver montado en la protoboard.
Figura 25 Pruebas del driver en el protoboard
44
8.2.2 Diseño de circuito impreso
Una vez verificado el correcto funcionamiento del driver en la protoboard se procedió a diseñar el
circuito impreso en un software especializado. Ya que como se menciono anteriormente se tomó la
decisión de usar la técnica de la serigrafía para la fabricación de nuestro circuito impreso y para
conseguir una calidad profesional se requiere tener un diseño de circuito impreso de una calidad
también profesional la cuál solo se consigue con la ayuda de este tipo de software. El circuito se
puede previsualizar dentro del software para así poder ver como quedara en la vida real al terminar
de soldar todos los componentes, esto se muestra en la figura 26.
Figura 26 Visualización real del driver
Una vez diseñado el circuito impreso se imprimió en una hoja de papel albanene y se llevó a grabar
en un marco serigráfico a un local especializado.
El diseño del circuito impreso quedó como se muestra en la figura 27.
45
Figura 27 Circuito impreso
8.2.3 Marco serigráfico
Como se mencionó en la sección 7, este es un proceso de suma importancia ya que de el dependerá
la calidad de la impresión final sobre la placa de cobre. Y como para realizar este paso se
necesitaban de unas condiciones muy específicas para trabajar con las cuales no se contaba, se
acudió a un local especializado, donde a parte de ser muy rápido el proceso, fue muy económico y
quedó excelente como se muestra en la figura 28.
Figura 28 Marco serigráfico con el circuito impreso
46
8.2.4 Impresión serigráfica
Para el siguiente paso, que era la impresión serigráfica, se necesitaba de un mecanismo de agarre
del marco serigráfico llamado pulpo, el cual tiene la función de sostener de manera fija el marco
serigráfico para garantizar una correcta impresión del circuito y que por lo tanto es de vital
importancia para obtener una buena calidad. Como no se contaba con dicho mecanismo se opto por
construir uno usando elementos que se encontraban a la mano en ese momento y el resultado fue
muy bueno y se puede observar en las figuras 29 y 30.
Figura 29 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico abierto
47
Figura 30 Pulpo construido, sosteniendo el marco serigráfico cerrado
Contando con el pulpo se procedió a la impresión del circuito impreso sobre la placa de cobre
quedando como se muestra en la figura 31.
Figura 31 Placas de cobre con el circuito impreso del driver
48
8.2.5 Ataque químico con cloruro férrico
Una vez impreso el circuito en las placas de cobre se procedió a acelerar el secado de la tinta con el
uso de una pistola de calor, cuando se logro secar completamente la pintura de sumergieron las
placas, de una en una, a la solución de cloruro férrico como se muestra en la figura 32.
Figura 32 Ataque químico con cloruro férrico
Para acelerar este proceso de ataque químico se mantuvo en movimiento constante el recipiente con
el cloruro férrico y así se termino en un tiempo aproximado de 3 minutos. Se retiro la placa de la
solución química y se observó que se el ataque disolviera en su totalidad las zonas expuestas de la
placa de cobre, al verificar esto se obtuvo la placa como se muestra en la figura 33.
49
Figura 33 Placa de cobre después del ataque químico con cloruro férrico
El siguiente paso fue quitar la tinta con un solvente especial y que las placas quedaran como se
muestra en la figura 34.
Figura 34 Placas de circuito impreso terminadas
50
8.2.6 Ensamble y soldado de los componentes
Por último antes de poder soldar los componentes sobre la placa se realizaron las perforaciones por
donde atravesarían las patitas de los componentes con un mototool y una broca de 1/32”.
Una vez realizadas estas perforaciones, se procedió a montar los componentes. Los primero
componentes que se colocaron fueron los rectificadores IRF644, y como estos transistores son los
que disipan mucho calor se les coloco un disipador de gran tamaño para todos, ver figura 35.
Figura 35 Colocación de los rectificadores con disipador de calor
Posteriormente se procedió a colocar el resto de los componentes para obtener el circuito como se
muestra en la figura 36.
51
Figura 36 PCB con todos los componentes montados
Por último se soldaron los componentes para proceder a realizar las pruebas con un motor a pasos.
En esta etapa se aprendió a soldar ya que no se contaba con una experiencia previa y los resultados
se muestran en la figura 37.
Figura 37 Cara de cobre del PCB con los componentes soldados
52
8.3 Pruebas del driver fabricado
Para poder probar el driver fabricado se requirió diseñar un circuito de pruebas muy básico con un
microcontrolador PIC16F877A y así poner en funcionamiento a los 3 motores a pasos para también
probar que la fuente fuera capaz de alimentarlos al mismo tiempo. Este circuito de pruebas se
muestra en la figura 38.
Figura 38 Circuito de pruebas con el microcontrolador PIC16F877A
Finalmente se probaron los motores en funcionamiento con un programa sencillo el cual los ponía a
girar en distintas velocidades. Una imagen de como se veía el circuito de pruebas con un driver y un
motor se muestra en la figura 39.
Figura 39 Circuito de pruebas con un solo motor
53
Posteriormente también se fabrico el circuito de pruebas con el microcontrolador y en la figura 40
se muestra su diseño.
Figura 40 Diseño del circuito de pruebas para su fabricación
8.4 Estructura del mini centro de maquinado
En esta sección se describe la estructura que le brinda el soporte necesario a nuestro mini centro de
maquinado. Como se mostró al inicio de este reporte, existen diversos tipos de maquina
herramienta, las cuales se encuentran en distintas configuraciones. Para este proyecto se optó por
una maquina de tipo vertical por el tipo de uso que se le pretende dar.
8.4.1 Diseño de la estructura principal
Para el diseño de la estructura principal, una vez seleccionado el tipo de maquina que se quiere
construir, primero se consiguió el material necesario. Se acudió a una tienda de desperdicios
industriales donde se encontró un material de perfil rectangular de aluminio el cual pareció
adecuado para el armado de la estructura principal del mini centro de maquinado. Se procedió a el
diseño de la estructura principal, y como se necesitaba cortar el material, y soldarlo. Y tomando en
cuenta que como se trataba de aluminio se necesitaría de soldadura especial se acudió al taller de
materiales de la UAMI para que ellos llevaran a cabo este trabajo (Ver Anexo B). La maquina ya
soldada quedo como se muestra en la figura 41.
54
Figura 41 Estructura del mini centro de maquinado
8.5 Sistema de desplazamiento lineal
El sistema de desplazamiento es aquel que le permite al mini centro de maquinado realizar
desplazamientos lineales y de manera suave, impidiendo así, que hayan movimientos que generen
desviaciones en la trayectoria o vibraciones que afecten con la calidad del maquinado que se espera
obtener. Para seleccionar este sistema se acudió al mercado de deshueso antes mencionado y se
encontraron unos baleros cilíndricos que son específicos para conseguir un desplazamiento lineal
con la ayuda de unas guías llamadas flechas rectificadas. Como estos baleros cilíndricos cuentan
con unas hojas de especificación, ahí se pudo consultar la medida necesaria de las flechas
rectificadas, y como no es una medida estándar, se tuvo que hacer una nueva solicitud al área de
taller mecánico para maquinar una barra de aluminio, adquirida previamente en una tienda de
metales, y así obtener las flechas rectificadas que necesitamos para construir la maquina. En la
figura 42 podemos observar una imagen de los baleros de desplazamiento lineal y en la figura 43 se
muestra una imagen de las flechas rectificadas.
Figura 42 Baleros de desplazamiento lineal marca THK
55
Figura 43 Flechas rectificadas para los baleros de desplazamiento lineal
8.6 Sistema de torque
El sistema de torque es el que sirve para transformar los giros de los motores a pasos en
desplazamientos lineales mediante un acople entre el motor a pasos y el sistema de torque. En este
caso se selecciono como sistema de torque un tornillo sin fin de tipo comercial por encontrarse en
un precio económico aunque tiene la desventaja de que necesita mantenerse muy bien lubricado.
Esto es porque al no ser especial para desplazamiento lineal, sus cuerdas no son tan inclinadas como
las del tornillos sin fin especiales. A continuación, en la figura 44 se muestra el tornillo sin fin
comprado.
Figura 44 Tornillo sin fin comercial
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9 Conclusiones y trabajo a futuro
Podemos concluir primeramente que es posible conseguir los elementos necesarios para la
construcción de un mini centro de maquinado a un bajo costo sabiendo buscar en los mercados de
deshueso ya que así se consiguieron la mayoría de los componentes a una fracción de su precio
normal.
Las pruebas realizadas en este proyecto únicamente incluyeron aquellas descritas en la sección del
driver para el motor a pasos, ya que lamentablemente por el corto tiempo que se tuvo para
desarrollar este proyecto, así como algunos retrasos en la parte de talleres, incluida la pérdida de
material, solo se consiguió llegar a este punto que es el de diseño completo y fabricación de las
piezas por separado. Cabe destacar que la experiencia y conocimiento generado a partir de este
proyecto es bastante ya que en él se conjuntan diversas áreas del conocimiento como lo son, la
electrónica digital, la electrónica de potencia, la mecánica, las estructuras metálicas, la
programación, y la fabricación de circuitos electrónicos. Es por esto que este proyecto cuenta con lo
suficiente para ser un proyecto terminal que abre la brecha para seguir trabajando en el y terminar
su desarrollo para que lleve a cabo las tareas para las que fue pensado.
9.1 Trabajo a futuro
Como trabajo a futuro podemos señalar que quedan pendientes:



La programación de la interfaz computacional con el mini centro de maquinado por puerto
paralelo o, si se rediseña el circuito de pruebas, podría ser compatible con el puerto USB.
Terminar con el ensamblado de la parte mecánica, con la estructura metálica y la circuitería
digital para el control de los motores.
Continuar con una segunda etapa donde se diseñe un nuevo modelo de este primer mini
centro de maquinado, utilizando al primero para la construcción del segundo de mejor
calidad.
57
Bibliografía
José Castañeda, Uriel Gutiérrez y Miguel Urquidez, “Manejo de máquinas de control numérico”,
Centro Nacional de Actualización Docente Mecatrónica, DGETI, 2000.
José Angulo U., Susana Romero Y. e Ignacio Angulo M., “Microcontroladores PIC: Diseño
práctico de aplicaciones 2ª parte”, Ed. Mc Graw Hill, 2ª edición, 2006.
R. Boylestad y L Nashelsky, “Electrónica: Teoría de circuitos”, Ed. Pearson Educación, Sexta
edición, 1997.
A. L. Casillas, “Maquinas: Cálculos de taller”, manual técnico
58
Apéndice A.- Hoja de datos del balero de desplazamiento lineal
59
Apéndice B.- Solicitudes de trabajo al Taller de materiales
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61
Apéndice C.- Plano de la base de la estructura del mini centro de
maquinado.
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