1.
INTRODUCCIÓN
La problemática en las líneas de producción, demandan que se
cumplan estándares que resultarían difíciles de implementar mediante métodos
convencionales. Un referente en la evolución del
desarrollo tecnológico fue el control numérico computarizado adoptado en la
segunda revolución industrial. Es importante estudiar y conocer teórica y
prácticamente el comportamiento de una máquina CNC y experimentar su uso en
procesos de producción
y control de calidad de productos. El uso de máquinas CNC tiene la ventaja de efectuar trayectos que manualmente
serían difíciles de lograr. La característica principal del uso
de dispositivos automatizados es realizar incisiones muy limpias y finas con
mucha precisión. Las políticas tanto en
la industria, así como en la academia es crear, desarrollar, implementar o
adaptar mecanismos que permitan generar un grado de innovación en sus procesos,
la adaptabilidad para el uso de tecnología permite acoplar las mejoras necesarias. [1] [2]
En el mercado se presentan algunos fabricantes de CNC,
entre los que enumerar como los más utilizados FANUC, SIEMENS, HEIDENHAIN y
FAGOR y MITSUBISHI. En la actualidad, es común el uso de la tecnología láser en
entornos de oficina e incluso domésticos. Tanto los fabricantes industriales, así
como pequeñas empresas, diseñadores de productos, creadores e incluso aficionados
utilizan esta tecnología de grabado. A
continuación, se presenta máquinas de grabado láser comerciales. [3]
[4]
Tabla 1. Características de máquinas de grabado láser. [4]
|
Máquina
de grabado láser |
Tipo
de láser |
Área
de trabajo (mm) |
Potencia
del láser |
|
NEJE
DK-8-KZ |
CO2 |
42
x 42 x 76 |
1
000 mW |
|
SuperCarver
K2 |
CO2 |
38
x 38 |
500
o 1 000 mW |
|
Mophorn |
CO2 |
305
x 203 |
40
W |
|
Orion
Motor Tech |
CO2 |
305
x 203 |
40
W |
|
Cubiio |
Láser
diodo azul |
100
x 100 |
800
mW |
|
Flux
Delta+ |
CO2 |
170
(diámetro) |
200
mW |
|
Snapmaker |
Láser
diodo azul |
125
x 125 |
200
mW |
|
TEN-HIGH
de 40 W |
CO2 |
380
x 280 |
40
W |
|
Emblaser
2 |
Diodo
de estado sólido |
500
x 300 |
5
W+ |
|
Glowforge
Plus |
CO2 |
508
x 457 |
45
W |
|
ZMorph
VX |
Láser
diodo azul |
250
x 235 x 165 |
2
800 mW |
|
Dremel
Digilab LC40 |
CO2 |
455
x 305 |
40
W |
|
Triumph |
Fibra |
N/A |
30
W |
|
Epilog
Zing 16 |
CO2 |
406
x 305 |
30/40
W |
Una
máquina de grabado fabricada, está compuesta principalmente por el láser ya sea
de CO2 o de diodo azul. La estructura y el sistema de desplazamiento se
constituye por perfiles de aluminio, acrílico, bandas dentadas, rodamientos y
poleas para su desplazamiento en dos y tres ejes XY y XYZ respectivamente. El sistema electrónico dispone de elementos
como driver, tarjetas de control, servomotores y fuente de energía. [1] [2] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Con el uso de programas vectoriales es
posible crear dibujos, que posteriormente generan un fichero codificado con
códigos G. El archivo contiene las
coordenadas que el hardware y software controlador los interpreta y mueve el
cabezal láser para grabar o mecanizar el dibujo. [14] [15] [16] [17]
2. METODOLOGÍA Y MATERIALES
El
proyecto toma como base una metodología de investigación experimental en donde
se estudia las condiciones particulares de desplazamiento en un sistema
cartesiano de tres coordenadas aplicados al movimiento de bandas, rodamientos y
poleas y el control del mismo a través de un dispositivo electrónico. Para realizar las pruebas se establece una
cierta cantidad de piezas de madera que son el objeto y población de estudio en
la cual se plasma el grabado. Se comprueba
la calidad del grabado final en la superficie al variar la distancia del
cabezal láser en su eje Z.
Para
el desarrollo del proyecto, se requirió seguir una serie de pasos y etapas, que,
en conjunto, cumplen con el objetivo planteado. Cada etapa desempeña una
función específica dentro del esquema global, y también sirve de apoyo para la
siguiente etapa, haciendo que la implementación sea un sistema funcional, se referencia
estos procedimientos en la Figura 1.
- Diseño mecánico, eléctrico-electrónico de la estructura.
- Manejo de la Interfaz Hombre-Máquina
- Proceso general de funcionamiento
- Pruebas y resultados
Figura 1. Diagrama de procedimientos
A. DISEÑO MECÁNICO, ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO DE LA ESTRUCTURA
1) Cabezal láser:
El
proceso grabado es factible debido a la luz generada por el láser que se
focaliza en punto determinado. Sus características son: potencia de 35W, longitud
de onda 445nm láser azul, voltaje de 12vcc, corriente 1.3A, forma de haz punto
enfocable, ver Figura
2.
Figura 2. Cabezal láser.
2) Diseño Mecánico:
La
máquina CNC dispone de un sistema mecánico de tipo cartesiano con movilidad tridimensional. La estructura contiene las consideraciones
necesarias para el funcionamiento de sistemas CNC, ver Figura 3. [3] [15]
Figura 3. Sistema cartesiano
El sistema cartesiano cuenta con dos ejes de movimiento (X,
Y), el eje X dispone de cuatro ruedas, como se muestra en la Figura
4.
Figura 4. Eje línea X
El
cabezal se moviliza lateralmente en el eje Y, contiene dos ruedas como se muestra
en la Figura
5.
Figura 5. Eje línea Y
El eje Z permite modificar la distancia vertical del
cabezal láser, dispone de dos ruedas como se observa en la Figura 6.
Figura
6. Eje línea Z
La
máquina en su totalidad se observa en la Figura 7.
Figura 7. Máquina CNC de corte láser.
3) Eléctrico-electrónico:
Para
el diseño eléctrico y electrónico se consideró elementos obtenidos del
reciclaje de impresoras como motores paso a paso, bandas dentadas, fuentes de
poder, cables y conectores. El circuito electrónico cuenta con una tarjeta arduino
UNO en la cual se carga y modifica el programa de acuerdo a los requerimientos
de la máquina CNC. Para el sistema de control se utilizó hardware y software libre,
debido al costo y la fácil programación del código fuente; alcanzando de esta forma
disponer de una máquina personalizada, la tarjeta Arduino
UNO, se acopla el CNC Shield y un driver A4988 para el control de los
servomotores por cada eje, ver Figura 8.
[15]
Figura 8. Shield CNC y driver A4988
Conectados los elementos electrónicos se configura los
drives determinando los pasos en los motores calculando la corriente y voltaje
debido. [15]
(1)
𝐼𝑇𝑟𝑖𝑝𝑀𝑎𝑥 = Corriente
máxima (A)
𝑉ref = Voltaje de
referencia
𝑅𝑠 = Resistencia
(Ω)
Para
hallar el voltaje de referencia, se despeja 𝑉ref de la formula.
(2)
La
corriente máxima de los motores es de 400 mili amperios y la sensibilidad de la resistencia en los drives A4988 se
representa en ohmios, en este caso es de 0,1Ω.
El
voltaje de referencia será de 0,32, pero como se va a utilizar pasos completos se
debe limitarla al 70%.
El
driver A4988 se regula con un trimmer, el valor del voltaje de referencia final
es de 0.224 V.
Para
configurar los pasos de los motores, los cuales están configurados con 200
pasos X 0,8 mm, seria calcularlos para que avance 10 mm, es necesario realizar
una regla de 3.
A.
MANEJO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA
Se
utilizó los diferentes programas como son:
- XLoader
v1.00: Este programa sirve para flashear sobre el
microcontrolador de Arduino UNO el firmware para comunicarse con la Shield
CNC.
- Inkscape: El software permite
genera un archivo con códigos G a partir del diseño previamente realizado.
- Universal
Gcode Sender v 2.0 (UGS): Este programa se usa para
configurar la máquina, además de enviar los gcode que se haya generado con
Inkscape.
- LaserGRBL: Este es
un software que permite importar imágenes, ajustar tonos, “vectorizar” y
directamente imprimir con el láser, además ajusta los valores de la
máquina.
1)
Generación de
códigos G
El programa utilizado para generar los códigos G es
Inkscape. Es posible vectorizar
imágenes, texto u otro elemento que se cree con el software.
Figura 9. Software Inkscape
Se procede a escribir un texto, en este caso será
“TECNOLÓGICO CARLOS CISNEROS”. Ver Figura 10.
Figura 10. Crear y editar objetos de texto
El resultado final se observa el la Figura 11.
Figura 11. Texto Vectorizado, generado los códigos G.
B.
PROCESO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO
Comunicación
Maquina – Ordenador: Se utilizó el programa Universal Gcode Sender v2.0
para las pruebas en la maquina CNC. Está basado en Java, Carga los archivos
Gcode y contro que a su vez se comunica entre la máquina CNC a través de las
tarjetas Arduino y CNC Shield enviando pulsos a los motores, por cada pulso un
paso.
Figura 12. Software
Gcode Sender v2.0
Los
parámetros para configurar los códigos G se realiza a través de una serie de
comandos esto lo realiza el programa Universal Gcode Sender, regula las
distancias del diseño con los pasos de los motores para establecer el tamaño
exacto del diseño o texto. Ver Figura 13.
Figura 13. Parámetros a configurar en el software
Para
el proceso se busca el archivo generado a través del software Inkscape. Se
puede visualizar la imagen vectorizada antes de proceder a grabar en la madera,
ver Figura 14 y Figura 15.
Figura 14. Imagen vectorizada.
Figura 15. Texto grabado en la madera.
3. RESULTADOS
Para determinar el correcto funcionamiento se comprobó el
grabado a diferentes distancias calibradas en el eje Z, desde la mira del láser
hacia la parte superior de la superficie de la madera, como se observa en la Tabla 2.
Tabla 2.
Distancias definidas en el eje Z.
|
Distancia |
Grabado |
|
50mm |
Grabado
1 |
|
40mm |
Grabado
2 |
|
30mm |
Grabado
3 |
|
20mm |
Grabado
4 |
La
potencia del láser se configuró a una potencia baja de 35W, asegurando que el
haz de luz no corte la madera. En
la Figura 16, se aprecia el
grabado del texto calibrado a las
distancias expuestas en la Tabla 2.
Figura 16. Texto grabado en la madera calibrado a
diferentes distancias del eje Z.
4.
CONCLUSIóN
El
prototipo desarrollado cuenta con 2 ejes ortogonales X, Y además de un eje
Z. La movilidad del cabezal láser lo controla
el módulo arduino UNO, la shield CNC y el driver A4988,
los cuales activan el movimiento de los cuatro motores paso a paso. Las calibraciones de los pasos tanto a nivel
hardware, así como software permiten plasmar el diseño creado en la práctica a
través del nivel de calidad del grabado.
Se
utilizó el software Inkscape y Universal Gcode Sender para realizar los
diseños, generación de los códigos G y calibrar los parámetros de movimiento y
trayectoria del prototipo través del sistema operativo Windows 10.
Se escogió perfiles de aluminio para la construcción
de la estructura, debido a constitución, permitiendo la adecuación de las
bandas y rodamiento para desplazar el cabezal láser.
En comparativa con otras máquinas existentes en el
mercado y prototipos realizados en distintas investigaciones se escogió el
diodo láser azul en vez de un CO2, debido a su mejor operatividad y menor impacto
en el medio ambiente.
La potencia del láser es de 35W, útil para la
realización de grabados, dispositivos con más potencia permiten realizar el
corte de materiales como maderas, acrílico o
cuero. El material que se coloca puede
ocasionar efectos de reflexión por lo cual se debe tener las debidas
precauciones ya que puede ocasionar accidentes.
La velocidad es un factor importante en la
construcción de una maquina CNC de grabado a laser, se debe tomar en cuenta la
dimensión lo que explica que a menor velocidad mayor calidad y nitidez en la
resolución; esto en el caso de grabado en madera fina con un grosor de 2 mm y a
una velocidad de 250rpm lo que va proporcionando buenos acabados, Otro factor a
tomar en cuenta es el aumento brusco de la intensidad durante el proceso de
grabado porque genera una evaporación agresiva lo cual deja manchas en la
superficie del grabado terminado con un grabado de baja calidad.
Al modificar la distancia del eje focal del cabezal
láser, se producen diferentes efectos en la superficie
de la madera, como quemaduras o leves hendiduras a distancias más cortas o
lejanas respectivamente. Utilizando
técnicas de observación e instrumentos de registro documental y fotográfico se
determina que la mejor calidad posible, sin existir imperfecciones,
quemaduras o cortes en la madera es definir la distancia del eje X del cabezal
láser a la superficie a grabar en 30mm.
5. Referencias Bibliográficas
[1] Ortega, C. A. Sistema CNC de Corte por Láser
[Ingeniería Thesis]. México, DF: Instituto Politécnico Nacional, 2008.
[2] Gavilema, C. P. Construcción de un prototipo
CNC de grabado laser para optimizar el tiempo de producción gráfica en madera y
cuero en el laboratorio de robótica de la Universidad Técnica Cotopaxi periodo
2016. [Ingeniería Thesis]. Latacunga, Ecuador: Universidad Técnica de Cotopaxi,
2016.
[3] Octavio Maciel Dinorin. Historia, Evolución y
Tendencias del CNC - Manufactura Asistida por Computadora. Disponible en: https://xdocs.net/documents/historia-del-cnc-5cc60657a09ad
[consultado el 20 de octubre de 2019]
[4] Max von Über. Las 14 mejores máquinas de
grabado láser de 2020. Disponible en: https://all3dp.com/es/1/maquina-grabado-laser-grabador-laser/
[consultado el 20 de febrero de 2020]
[5] Padilla, R. Diseño
y construcción de una cortador láser para papel con interfaz gráfica. [Ingeniería
Thesis]. Ibarra: Universidad Técnica del Norte, 2017.
[6] Castro, A. P. Diseño y construcción de una
máquina CNC para el corte y grabado en madera utilizando láser de CO2,
implementado con hardware y software de uso libre como sistema de control. [Ingeniería
Thesis]. Latacunga, Ecuador: Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, 2015.
[7] Maldonado, F.
Vargas, N. Diseño y construcción
de una cortadora CNC para fomix y sus derivados. [Ingeniería Thesis]. Latacunga:
Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, 2015.
[8] Guamán, D. Castro, A. Terán, H. Trávez,
W. Diseño y construcción de una máquina
CNC para el corte y grabado en madera utilizando láser de CO2, implementado con
hardware y software de uso libre como Sistema de control, Universidad de las
Fuerzas Armadas - ESPE, 2015.
[9] Balladares, C. Vásquez, W. Diseño y
construcción de un prototipo de cortadora por láser de dióxido de carbono con control
numérico computarizado para el laboratorio CNC de la ESPE Extensión Latacunga. [Ingeniería
Thesis]. Latacunga: Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, 2015.
[10] Hurtado, F. J. Diseño y construcción de una máquina de
control numérico por corte CO2 láser de 40 watts para acrílico de hasta 4 mm. [Ingeniería
Thesis]. Quito: Universidad Internacional del Ecuador, 2014.
[11] Fuentes, J. D. Méndez, M. A. Muñoz, J. A.
Romero, F. A. Moreno, S. P. Diseño y construcción de un prototipo de máquina
tipo cartesiano para corte y grabado láser en papel. [Ingeniería Thesis]. Bogotá:
Universidad de San Buenaventura, 2015.
[12] Riquelme, M.
Diseño y fabricación de una fresadora CNC de 3 ejes para el mecanizado
de PCB con plataformas de desarrollo abiertas. [Ingeniería Thesis]. Cartagena: Universidad
Politécnica de Cartagena, 2014.
[13] León, P. Aguilar, D. Maldonado, F. Vargas, N.
Fernández, C. Foamy CNC Laser Cutting
Machine, IEEE, 2016.
[14] Campoverde, J. F. y Obando, C. Máquina CNC
(Control Numérico Computarizado) de 3 ejes para el grabado de placas
conmemorativas, Universidad técnica del Norte, 2017.
[15] De la hoz, J. A. Díaz, J. A. Pacheco, G.
Ortega, F. Ochoa C. Implementación de
máquina CNC para la fabricación de placas PCB’S usando hardware libre
(open-hardware), Universidad Simón Bolívar, 2018.
[16] Rodríguez, C. Trabajo técnico diseño y fabricación
de máquina de grabado y corte láser CNC. [Ingeniería Thesis]. Almería, España: Universidad
de Almería, 2017.
[17] Roberto Sanz Benito. Diseño y fabricación de
una máquina CNC con Arduino y Software. Disponible en: https://www.slideshare.net/RobeSanz/diseo-y-fabricacin-de-una-mquina-cnc-con-arduino-y-software-libre
[consultado el 20 de octubre de 2019]