UNIVERSIDAD DE LA SERENA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA “DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PROTOTIPO CNC DE TRES EJES” LABORATORIO DE PROCESOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA UNIVERSIDAD DE LA SERENA GERMÁN ARAYA VALENZUELA. FELIPE MIRANDA ESCOBAR. Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico DICIEMBRE 2009

CONTENIDOS Introducción. Objetivos y alcance. Metodología de trabajo. Criterios de diseño. Diseño de la estructura. Sistema de control. Selección de componentes. Fabricación y operación del prototipo CNC. Conclusiones y Recomendaciones.

INTRODUCCIÓN Control numérico computacional(CNC) se refiere a control de maquinas a través de códigos numéricos. Las maquinas CNC ofrecen mayor flexibilidad, posibilidad de resolver problemas de forma sencilla y gran precisión. CAD y CAM son todos los procesos en los cuales se utilizan computadores para mejorar los diseños y la fabricación. El CAD y CAM genera grandes ventajas a las empresas que las tienen implementadas, pero esto requiere un gran costo de implementación. Para dar solución a esta problemática se diseñara y fabricara un prototipo CNC de bajo costo para potenciar los conocimientos de los futuros ingenieros mecánicos en el área de fabricación asistida por computador.

OBJETIVOS Objetivo General Diseñar y fabricar un prototipo de un control numérico computacional de tres ejes para el Laboratorio de Procesos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de La Serena, con el propósito de aportar una nueva herramienta que complementará la enseñanza docente en el área de la fabricación asistida por computadora.

OBJETIVOS Objetivos Específicos Aplicar conocimientos de electrónica básica en un proyecto mecatrónico. Diseño y fabricación de un prototipo de una máquina herramienta automática. Estudiar y aplicar el lenguaje del control numérico computacional. Lograr un sistema integrado uniendo el CAD y CAM.

ALCANCE Lograr aportar una herramienta que permita la comprensión y aprendizaje a los estudiantes de Ingeniería Mecánica sobre los sistemas CAD y CAM, mejorando y re-potenciando el perfil de los ingenieros mecánicos de la Universidad de La Serena. Esto se lleva a cabo con la fabricación de un prototipo de CNC de tres ejes con una mesa de trabajo de 250 x 250 x 100 mm, comandado automáticamente por computador, en el cual se diseñará y post procesará la pieza en un programa CAD/CAM.

FLUJO DE INFORMACION PARA LA FABRICACION DE UNA PIEZA

METODOLOGÍA DE TRABAJO La metodología de trabajo para el diseño del prototipo, se realizo primeramente en visitas a empresas de la región que utilizan maquinas herramientas para la selección de la forma adecuada de la estructura del prototipo. Una vez seleccionada la forma de la estructura se realizó el diseño, selección de materiales, componentes mecánicos y componentes electrónicos. Posteriormente se prosiguió a la fabricación del prototipo, selección del software más adecuado logrando un sistema integrado CAD/CAM.

CRITERIO DE DISEÑO Los criterios de diseño están sujetos a : disponibilidad de materiales en el mercado, disponibilidad de herramientas y laboratorios disponibles de la Universidad. Diseñar un prototipo CNC capaz de fresar y taladrar en maderas con una resistencia máxima a la tracción de 913 Kg/cm2. El prototipo deberá realizar operaciones de: Fresado 2D. Fresado 3D. Taladrado. Grabados. Lijado. Pulido de superficies.

CRITERIO DE DISEÑO Las dimensiones del área máxima de trabajo serán: Desplazamiento en eje X 250 mm. Desplazamiento en eje Y 250 mm. Desplazamiento en eje Z 100 mm. La velocidad máxima de avance de la herramienta de corte será 200 mm/min y la velocidad de giro de la herramienta debe ser entre 6.000 y 30.000 RPM y una potencia de 150 W

CRITERIO DE DISEÑO El diámetro máximo del vástago de las herramientas de corte será de 3,2 mm (1/8 pulg). Para efectos de cálculo se debe considerar un corte de una profundidad de 1 mm a una velocidad de 150 mm/min, para maderas blandas o materiales con una resistencia a la tracción máxima de 913 Kg/cm2. La estructura del prototipo debe ser liviana, rígida, resistente y fácil de manipular. El prototipo debe ser controlado por un computador con puerto paralelo DB25, a través de un programa de control que permita mover motores paso a paso

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Para diseñar la forma de la estructura, se observaron modelos existentes en el mercado, con el fin de satisfacer los criterios de diseño.

SISTEMA DE CONTROL El computador entrega señales de voltaje desde el puerto paralelo LPT1 de 0 y 5 volts, los cuales se utilizan para comandar dispositivos externos. Esta señal llega a las placas de control en forma de dos instrucciones ”paso” y “dirección”, donde el estado significa 1 binario y el estado 0 V es el cero binario.

SELECCIÓN DE COMPONENTES Selección de herramienta de corte Se selecciono el equipo marca Bauker MP 150, que es una herramienta multipropósito de 150 W de potencia, capaz de generar una fuerza de Fmc=24.47 N, ya que la fuerza de corte necesaria para cortar un 1mm, a una velocidad de 150 mm/min con una fresa de 6.4 mm de diámetro es de Fc= 0.287 N.

SELECCIÓN DE COMPONENTES Selección de motor paso a paso Se selecciono un motor paso a paso disponible en el mercado modelo 17HS4002, con un torque máximo de 0,23 N-m. en atención a que el torque necesario para mover la herramienta bajo las condiciones de diseño es igual a T=0,0002662 N-m.

MOTOR PASO A PASO

SELECCIÓN DE COMPONENTES Selección de placa de control Un computador entrega por su puerto paralelo señales entre 0 y 5V, y operando con una fuente de poder de 12 V, se selecciono la placa modelo EasyDriver v3.

PUERTO PARALELO

SELECCIÓN DE COMPONENTES Selección de fuente de poder Al funcionar las placas en un amplio rango de voltaje se selecciono una fuente de poder de 12V y 4 A, por motivos ya que estas fuentes son las más comunes en el mercado y por ser las más económicas.

Fabricación de prototipo CNC La fabricación se llevo a cabo de la siguiente manera: Adquirir materiales. Dimensionar estructura según planos. Ensamblar estructura. Instalación de ejes y motores. Fabricación de placas y cableados. Fabricación de caja de control. Configuración de computador y calibrar la máquina. Ejecución de piezas de prueba

Fabricación de prototipo CNC

Fabricación de prototipo CNC

Fabricación de prototipo CNC

MasterCam

MasterCam

MasterCam

MasterCam

MasterCam (video)

MasterCam

Mach 3

Mach 3

Operación del prototipo video

CONCLUSIONES Se fabricó una herramienta didáctica, de fácil operación y bajo costo de mantención, para la enseñanza de la fabricación asistida por computadora, la cual muestra claramente como es el funcionamiento de este tipo de máquinas y sus ventajas en comparación a las máquinas tradicionales. Se cumple la aplicación de conocimientos de electrónica básica debido a que se realizaron conexiones de las placas de control, los motores, interpretación de planos, lectura de datasheet, configuración del pines del puerto paralelo, selección de componentes, fabricación de una tarjeta de mando y selección de fuente de poder.

CONCLUSIONES Se logra diseñar y fabricar un sistema de herramienta automática, que por medio de un computador y un modulo de control pueda fabricar piezas siguiendo un programa previamente determinado. Se aplica y entiende el lenguaje del control numérico en la generación de instrucciones para la fabricación de piezas mediante el programa mach3. Finalmente se cumple con diseñar un sistema integrado CAD/CAM, que a través del programa MasterCAM se diseñan las piezas, sus trayectorias de corte y se generan los códigos G que son enviados al programa Mach 3, el cual ejecuta el programa y se fabrica la pieza físicamente mediante el prototipo diseñado.

RECOMENDACIONES Conexión inalámbrica. Control a distancia. Agregar el cuarto eje al prototipo. Aspiradora de virutas.

Gracias por su atención