Mi maquina de CNC

El proyecto de hacerme un maquina de CNC surgió a raíz de mi pasión de construir aviones de aeromodelismo. Como he construido algún que otro avión desde plano, poco a poco va surgiendo el reto de hacer cosas mas complicadas y me entraron ganas de hacer una maqueta o semi maqueta para un motor de gasolina de 50cc.
Al charlar con mi querido amigo Alfonso Cortina me soltó algo así como: "A que no te cortas tu mismo las piezas con una CNC hecha por ti".
De esta frase hace mas o menos un año y medio (primavera del 2010).
Empece a investigar por Internet y a recoger información. Yo no sabia nada de maquinas de CNC y la investigación partió desde cero.
Descubrí que el conjunto de la maquina constaba de 3 partes:

• Maquina en si, que podía ser de metal o de madera.
• Parte electrónica, que consta de los motores "paso a paso" que mueven los ejes,  controlador o placa controladora de los motores y la fuente de alimentación de la controladora.
• Y la parte de informática, que consta de un ordenador viejo, pero no mucho y de los programas que permiten que el conjunto corte piezas.

Poco a poco, iré describiendo las partes y las soluciones que encontré. Así de paso esto puede ser de ayuda para otras personas que se quieran construir su maquina de CNC.

Parte mecánica:

Empecemos por la parte mecánica que es la que mas me gusta y la que mejor se me da. Mi maquina esta basada en este dibujo encontrado en Internet:

Primero un vídeo (a baja resolución) de la parte mecánica terminada para que se pueda ver el resultado final y que es lo que se persigue:

Como se ve en el vídeo, en mi caso, consta de una maquina de tres ejes. Eje X,Y y Z.

El bastidor esta hecho con tablero de DM (tablero de fibras de densidad media) de 19 mm comprado en centro de bricolaje (Leroy Merlin). Hay que aprovechar los cortes rectos y a escuadra que te pueden hacer en estos sitios, cosa que es muy difícil de hacer en casa. Descarté construir en metal, porque me gusta mas la madera. También barajé las opciones de otras maderas: contrachapado de 16 o 20 mm también habría sido una buena opción. Aglomerado descartado por la calidad del material. Madera-madera descartado porque se reviran las piezas y nunca sabes hacia donde. El DM tiene la ventaja que que no revira, se puede cortar y fresar en cualquier dirección, porque prácticamente no tiene veta.  

Tornilleria comprada en la ferretería del barrio (del pueblo en mi caso). Ensamblado con cola blanca de carpintero y tornillos tipo ABC. Los tornillos tipo ABC son muy cómodos, por que entran con el taladro sin hacer agujeros previos. 

Los tres ejes de la maquina se desplazan sobre guías  (consta de barra calibrada, soportes y rodamientos) En este tema la diversidad de soluciones es enorme. En Internet se pueden encontrar soluciones desde muy económicas hasta muy caras. Yo opte por una solución medio buena.  Material comprado en Internet  en una empresa de Gran Bretaña que te envía el material por agencia de transporte. La empresa en cuestion vende por Ebay y es : http://stores.ebay.es/marchantdiceltd

 Foto de arriba se ve la barra calibrada y el soporte. En la foto de abajo se ve la barra calibrada y los rodamientos.

La ultima fase de la parte mecánica son los tornillos sin fin. Que convierte el movimiento angular de los motores, en movimiento lineal de los ejes X,Y y Z.

Los tonillos sin fin los compre en una tienda física en Madrid. No salí contento, porque el material fue caro y la barra no estaba derecha del todo y el acero era de un material mas blando de lo que esperaba. Las barras/tonillos sin fin que compre eran/son de rosca trapezoidal, paso de 3 mm y diámetro 12 mm. 

En la foto de abajo se ve la unión del tornillo sin fin con el motor. 

Esta union se hace con acoples, en mi caso el eje del motor tiene un diametro de 1/4 de pulgada (6,35 mm) y el tornillo sin fin 12 mm. Yo compre unos acoples en China a traves de Ebay.

Con los acoples, tuve un problema de concepto que no entendí, hasta que no puse en marcha el sistema. Los acoples son necesarios, porque si el sistema es rígido no funciona, por no ser posible dejar todo tan alineado que funcione sin problemas. Los acoples son necesarios para absorber los problemas de torsión. Los movimientos longitudinales al eje hay que impedirlos con un rodamiento extra. Al principio no puse los rodamientos extra que impedían el movimiento longitudinal al eje y el sistema no tenia precisión. 

En el vídeo de abajo, se ve el movimiento que hay que impedir con el rodamiento extra. Como se ve en el vídeo lo intente con silicona, pero el resultado mejoró pero no es óptimo. 

La solución optima es esta, como se ve en la foto de abajo, el eje interior del rodamiento tiene un tornillito con cabeza allen que impide el desplazamiento longitudinal al eje. 

Abajo resultado final de la unión del motor con el tornillo sin fin.

Abajo, finalmente opte por darle un poco mas de rigidez al amortiguador con tubo termoretractil en vez de con silicona. 

De la parte mecánica, he olvidado comentar como solucione la parte de la fresadora o herramienta de corte. En la maquinas profesionales y caseras la herramienta de corte puede ser una fresadora o puede ser láser, o puede ser chorro de agua a muy alta presión o hilo caliente para cortar foam. 

En mi caso, como quería cortar contrachapado y balsa, la mejor solución es la fresadora.

Opte por una fresadora manual de tamaño medio y de bajo costo comprada en centro de bricolaje (Leroy Merlin). Tuve que hacer algunas modificaciones en la fresadora para que sirviera para mis propósitos. Las modificaciones consisten basicamente en quitarle todo lo que no es el cuerpo de la maquina y en sustituir el pulsador por un interruptor, Con el pulsador tenia que apretar continuamente para que no se parase la fresa, con el interruptor, la fresadora se apaga y enciende a voluntad.. 

Parte Electrónica:

Ahora voy a empezar con una breve descripción de la parte electrónica:

Consta de los motores "paso a paso" los mas conocidos con los "Nema" serie 23 los hay mas y menos potentes. Los menos potentes son mas cortitos y los mas potentes son mas largos. 

La placa controladora es la que hace de intermediaria entre los motores y el ordenador.  Las placas las hay para 3, 4 y 5 ejes. Para mi propósito me vale una de 3 ejes. (X,Y y Z). La placa y los motores los compre en Ebay. Si se hace una búsqueda en Ebay de por ejemplo "3 Axis CNC Kit" salen muchas opciones, en las que puedes comprar placa sola, motores solos y fuente de alimentación.

Ejemplo en foto de abajo:

 Este conjunto viene para conectar al ordenador por el puerto paralelo e incluye el cable. Falta la fuente de alimentación. En mi caso en la placa ponía que se podía alimentar desde 12V. al 36V. y yo busque una fuente de 24 V. (ni mucho ni poco). Las primeras pruebas se pueden ver en el siguiente vídeo, también a baja resolución. 

Como las instrucciones de los productos chinos, o no vienen o están en chino o son muy malas, tuve algunas dudas sobre la conexión del cableado de los motores a la placa, (cuatro cables y cuatro colores). Finalmente fue un poco por intuición y lo saque a la primera. 

Parte Informática:

La ultima parte de la instalación  es parte de informática: esto a su vez consta de hardware y se software.

Para el hardware, es necesario un ordenador de sobremesa ni muy nuevo ni muy antiguo. Tiene que disponer de puerto paralelo y una potencia mínima de 1 a 2 GHz. y con 1 Gb de RAM es suficiente. Algunos ordenadores modernos no tienen puerto paralelo. Los portátiles no valen, porque las opciones de ahorro de energía de los portátiles se llevan mal con el programa Mach3 del que hablaremos luego.  Ordenador con su teclado, ratón y monitor.

En cuanto al software, son necesarios varios programas: sistema operativo, preferiblemente Windows Xp, un programa que envié las señales a los motores a traves de la placa controladora, en mi caso Mach3 : http://www.machsupport.com/ , un programa de Cad, para dibujar las piezas que quieras cortar, en mi caso Autocad 10, aunque luego hay que guardar los dibujos en formato DXF en versión 2004, y finalmente un programa que traduzca el dibujo de dxf a Gcode que es el que entiende Mach3. El programa en cuestión en mi caso es LazyCam. 

Mach3 y LazyCam tienen programas de prueba gratuitos que sirve para hacer las pruebas. Y si te gustan los programas, puedes pagar para quitar las limitaciones, como hice en mi caso. El Mach3 en versión de prueba, tiene limitadas las lineas de código y por lo tanto solo puedes hacer pruebas pequeñas. LazyCam en versión de prueba tiene limitadas algunas funciones, por ejemplo el Offset que es una función que tiene en cuenta el grosor de la fresa que estas utilizando. En teoría esto lo puedes tener en cuenta en el programa de dibujo (Autocad) al dibujar la pieza. Pero en la practica es mas cómodo que el grosor de la fresa te lo tenga en cuenta el programa traductor de código que se llama LazyCam. 

Ahora voy a poner unos vídeos que ilustran todo esto: 

En este primer vídeo se ve la amortiguación de los ejes, mas tarde descubrí que la amortiguación debía ser en el sentido de torsión y no en sentido longitudinal.

En el vídeo de abajo, se ve como a través del ordenador puedes mover la fresadora en los 3 ejes del plano de forma manual.

En el vídeo de abajo cargamos en Mach3 los códigos generados con LazyCam, se ve la pieza que queremos cortar y la CNC se pone en marcha para iniciar el corte de la pieza.

La maquina cortando, al ser una pieza hueca hay que cortar primero el corte interior, después el corte exterior.

Se ve en pantalla como progresa el corte, a la vez que se ve como se corta la pieza.

Termina el corte interior, se levanta la fresa, hace un desplazamiento rápido e inicia el corte exterior.

Continua con el corte exterior y se ve en la huella que deja la fresa, que el corte esta un "pelin" quemado, lo que indica que la maquina se puede desplazar mas deprisa o que la fresa debe girar mas despacio

Termina el corte, se levanta la fresa y paramos la fresadora.

Bueno, esto me ha costado bastantes meses, sobre todo teniendo en cuenta que cuando empece no sabia ni siquiera lo que era una maquina CNC.

Resolución de Problemas:

A partir de aquí, continuaron muchos meses de resolver "pequeños-grandes" problemas de ajustes. Estos problemas parece que están solucionados.

Voy a tratar de resumir estos problemas. 

• La maquina, como podéis ver, es bastante grande y las barras que sujetan el eje X son gruesas (16mm) pero no lo suficiente, como estas barras sujetan prácticamente todo el peso de la maquina ceden ligeramente. En el centro están caídas unos 2 milímetros. No pasa nada, entre la mesa y la pieza a cortar se pone una tabla buffer-comodín o como se quiera llamar. Como quiero la maquina para cortar piezas no importa que la fresa asome mas o menos por abajo.

Imagen de abajo se ve la pieza que he llamado buffer, puede ser un tabla vieja.

En la imagen de abajo se ve la longitud de las barras que sujetan el eje X.

• Otro de los problemillas, fue como fijar a la mesa la pieza a cortar. Si cortas madera de balsa, la fresa desintegra la balsa  a no ser que la tengas bien sujeta, solución: cinta de doble cara para pegar la balsa a la tabla que he llamado buffer.  Si cortas contrachapado y este tiene suficiente grosor o rigidez es suficiente con sujetarlo con las "mordazas" que se ven en las fotos. Si el contrachachapado es finlandés de menos de 1,5 mm seria interesante algo de cinta de doble cara. Si es contrachapado normal de carpintería de 3 mm o menos y la pieza es grande seria interesante la cinta de doble cara. 
• Las primeras fresas para la CNC eran de centro de bricolaje y el diámetro mas fino que encontré era de 4mm. Buscando en Internet encontré fresas de 2 mm de diámetro que solo necesitaban un offset de 1 mm.  enlace:  http://www.frs-cnc.com/es/tienda-mainmenu-47/ferreteria/herramientas.html?page=shop.browse&category_id=15
• Para evitar accidentes, a la maquina se le deben instalar interruptores de fin de recorrido y un interruptor de pánico o stop de emergencia. Las piezas están compradas pero no instaladas. 

El problema mas grande me lo encontré al empezar a cortar piezas para usar en serio. Resulta que las piezas no tenían el ancho y el largo que indicaba el plano. Resolver este problema me costo muchos meses y consultas. Colaboraron activamente en aportar ideas y soluciones Juan Antonio P., Alfonso C., Francisco Javier H. y Juanchi:

• Empece por lo evidente, que era calibrar el software de Mach3 para regular los pasos por mm, pero por mas pruebas que hice daba resultados aleatorios y no concluyentes.
• Como parecía que unos ejes iban bien y otros no, pensé que era un problema mecánico. El eje X desde el principio iba bien y el eje Y regular y el Z mal. Estuve intercambiando ejes, engrasando, cambiando acoples de motores, pero el problema no se resolvió. 
• Luego pensé que era falta de potencia de los motores y compre unos motores mas grandes, dentro de los limites que admitía la placa. Resultado: algo mejor, pero este no era el problema. La maquina seguía perdiendo pasos al cortar.
• Luego se pensó que el cable paralelo tenia una derivación a masa  y por eso se perdían pasos de forma aleatoria. Pues no era el cable paralelo.
• Luego se pensó que el puerto paralelo del ordenador era el problema y se cambio de ordenador con la consiguiente instalación de software. Nada, no era el ordenador. 
• También se pensó en la configuración de los interruptores de la placa controladora. La placa lleva 6 interruptores que regulan 3 parametros por eje. -1- la cantidad de corriente que se envía a cada motor  (Current Setting) .    -2- los micropulos  (MicroStep Settings) que son necesarios para mover cada paso.  -3- y un parámetro que se llama  Decay Mode Settings  que no se para que sirve, ¿¿ quizás algo parecido al avance de encendido??.    Cada vez que se cambiaba un parametro de estos había que reajustar el software del ordenador, con sus consiguientes perdidas de tiempo.
   

  Current Setting	1	2	Decay Mode Settings	3	4	MicroStep Settings	5	6
  100%	ON	ON	FAST	ON	ON	1	ON	ON
  75%	ON	OFF	25%	ON	OFF	1/2	ON	OFF
  50%	OFF	ON	50%	OFF	ON	1/8	OFF	ON
  25%	OFF	OFF	SLOW	OFF	OFF	1/16	OFF	OFF

Bueno, pues por muchas combinaciones que hacia no se arreglo el problema.

A partir de estas pruebas se me encendió un luz, parecía que poniendo mas "current seting" el problema empeoraba y bajando el parámetro mejoraba, pero no se solucionaba.

Ya estaba convencido que la placa estaba defectuosa y dispuesto a cambiarla cuando se me ocurrió probar con una fuente de alimentación de 12V. en vez de la de 24 V.  

¡Milagro! ¡parece que el problema esta resuelto! Tengo que hacer mas pruebas, pero ya me hace piezas del tamaño que le indico en el dibujo. Sigo pensando que el problema es de la placa controladora, pero de momento parece que funciona con una fuente de 12V. 

Ruego a las personas que hayan tenido la paciencia de leerme, colaboren con comentarios constructivos.

Algunas de las descripciones son evidentes y elementales, pero tengo la esperanza de que sirvan para algún principiante para iniciarse y entender los problemas que tuve como novato.

Terminado de escribir el 31 de diciembre  2012.