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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Profesional Adolfo López Mateos 
 
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 
 
 
 
 
 
 
SISTEMA DE GRABADO CON LÁSER 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA 
 
 
P R E S E N T A: 
ING. DAVID DIEGO VALLEJO 
 
 
 
 
ASESOR: 
 
DR. JOSÉ MANUEL DE LA ROSA VÁZQUEZ 
 
 
MÉXICO D.F. JULIO 2007 
 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
RESUMEN. 
 
El presente trabajo describe el diseño, construcción y caracterización de un sistema de grabado 
de materiales utilizando un láser de CO2 de flujo axial lento excitado por CD, de 11.9 Watts 
con eficiencia de 10.9%. El prototipo está basado en una mesa de posicionamiento XY, un 
sistema de entrega del haz, un cabezal de enfoque para concentrar la luz en un área pequeña, 
una etapa electrónica para controlar los mecanismos del sistema, una interfaz de comunicación 
con una computadora y una interfaz de usuario. El haz láser puede desplazarse con una 
repetibilidad de 403 µm a una velocidad lineal máxima de 2.11 mm/s en la totalidad del área 
de trabajo que es de 646.05 cm2. La altura del cabezal de enfoque puede ser ajustada para 
trabajar piezas con espesor de 3 a 55 mm con repetibilidad de 0.98 mm. El haz puede 
concentrarse en un punto de 231 µm de diámetro mínimo. La interfaz de comunicación está 
basada en dos microcontroladores en configuración maestro-esclavo y permite recibir la 
información enviada al sistema por una computadora con una velocidad de 2 kbits/s. La 
interfaz de usuario permite importar imágenes, detectar sus bordes y binarizarlas para 
posteriormente enviarlas al sistema. Se realizó grabado sobre materiales como madera, cartón, 
cuero, tela, vidrio, plástico y cerámica. La velocidad de grabado varía de acuerdo a la 
complejidad del diseño pero tiene un valor medio de 4.41 bits/s. 
 
Palabras clave: Grabado de materiales, Procesamiento con láser, Láser de CO2. 
 
I 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
ABSTRACT. 
 
This work describes the design, construction and characterization of a materials engraving 
system using a DC low axial flow CO2 laser of 11.9 Watts with an efficiency of 10.9%. The 
prototype is based on a positioning XY table, a beam delivery system to focus the light on a 
small area (which is integrated by mirrors and a nozzle head), an electronic stage to control the 
mechanisms of the system, a computer communication interface and a user interface. The laser 
beam can be displaced with a repeatability of 403 µm at a maximum linear speed of 2.11 
mm/sec over a working area of 646.05 cm2. The height of the nozzle head can be adjusted to 
work pieces of 3 to 55 mm of thickness with a repeatability of 0.98 mm. The beam can be 
focused on a minimum 231 µm spot diameter. The communication interface is based on two 
microcontrollers in a master-slave configuration and can receive the information from the 
computer at a speed of 2 kbits/sec. The computer interface allows users to import images, 
detect their borders and binarize them to be worked by the system after it. Engraving was 
made on wood, cardboard, leather, cloth, glass, plastic and ceramic. The speed of engraving 
depends on the complexity of the design and has an average value of 4.41 bits/sec. 
 
Key Words: Materials engraving, Laser processing, CO2 laser. 
 
II 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
INDICE. 
 
 Página
RESUMEN. I
ABSTRACT. 
 
II
INDICE. III
INDICE DE TABLAS. VI
INDICE DE FIGURAS. VII
NOMENCLATURA. 
 
XII
1. INTRODUCCIÓN. 1
 1.1 Antecedentes. 1
 1.2 Definición del problema. 3
 1.3 Justificación. 3
 1.4 Objetivo. 5
 1.5 Organización de la tesis. 
 
5
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. 7
 2.1 Principio de funcionamiento del láser. 10
 2.2 Características del láser de CO2. 12
 2.3. Sistema de entrega y enfoque del láser. 13
 
III 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 2.4 Principio del grabado con láser. 16
 2.5 Estado del arte - Sistemas Comerciales. 17
 2.6 Parámetros considerados importantes para el diseño y construcción. 
 
19
3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA. 21
 3.1. Etapa mecánica. 22
 3.1.1. Sistema de transmisión mecánica. 22
 3.1.2. Cabezal de enfoque. 26
 3.1.3. Obturador. 29
 3.2. Fuente láser. 31
 3.2.1. Láser de CO2. 31
 3.2.2. Sistema de alineación y guía. 32
 3.2.3. Fuente de alto voltaje. 34
 3.3. Etapa electrónica de comunicación y control. 37
 3.3.1. Interfaz de comunicación. 38
 3.3.2. Control de mecanismos. 39
 3.4. Interfaz de usuario. 
 
43
4. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA. 47
 4.1. Etapa mecánica. 47
 4.1.1. Sistema de transmisión mecánica. 47
 4.1.2. Cabezal de enfoque. 50
 4.1.3. Obturador. 52
 
IV 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 4.2. El láser. 53
 4.2.1. Fuente de alto voltaje del láser. 53
 4.2.2. Láser de CO2. 56
 4.2.3. Sistema de alineación y guía. 59
 4.3. Etapa electrónica de comunicación y control. 61
 4.3.1. Interfaz de comunicación. 61
 4.3.2. Control de mecanismos. 61
 4.4. Interfaz de usuario. 64
 4.5. Pruebas sobre materiales. 
 
66
5. CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE MEJORA. 69
 5.1. Conclusiones. 69
 5.2. Propuestas de mejora. 
 
70
REFERENCIAS. 
 
73
ANEXO A. CARACTERÍSTICAS DE Atmega8515 Y Atmega16L. 80
ANEXO B. ANÁLISIS DE CIRCUITOS. 85
ANEXO C. IMÁGENES USADAS PARA LAS PRUEBAS DE GRABADO. 92
 
 
 
V 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
INDICE DE TABLAS. 
 
 Página
Tabla 3.1. Comparación de características de sistemas de transmisión usando 
motores similares. 
22
Tabla 3.2. Comparación de características de tipos de tornillos de transmisión. 23
Tabla 3.3. Pasos estándar de cuerda ACME. 24
Tabla 3.4. Comparación de características de dos tipos de motores. 25
Tabla 3.5. Comparación de características de mecanismos para el eje Z. 26
Tabla 3.6. Características de la lente de concentración. 28
Tabla 3.7. Comparación de características de actuadores eléctricos. 30
Tabla 3.8. Comparación de características de controladores electrónicos. 
 
37
Tabla 4.1. Mediciones de distancia para encontrar repetibilidad y precisión de la 
mesa XY con un valor real de 14.12 mm. 
50
Tabla 4.2. Mediciones de distancia para encontrar repetibilidad del cabezal de 
enfoque con un valor real de 2.54 mm. 
51
Tabla 4.3. Mediciones de diámetro mínimo de concentración del haz. 52
 
 
 
 
VI 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
INDICE DE FIGURAS. 
 
 Página
Figura 2.1. Arreglo general para grabado y corte por láser a) óptica transmisiva; 
b) óptica reflectiva. 
9
Figura 2.2. Diagrama a bloques de las partes de un sistema de grabado con láser. 10
Figura 2.3. Oscilador óptico. 11
Figura 2.4. Emisión estimulada. 11
Figura 2.5. a) Láser sellado, b) láser de flujo (rápido o lento). 13
Figura 2.6. Divergencia de un haz gaussiano. 15
Figura 2.7. a) Lente que provoca aberración, b) lente aesférica que reduce la 
aberración. 
15
Figura 2.8. Concentración de un haz gaussiano usando una lente. 
 
16
Figura 3.1. Sistema general. 1) Elementos de transmisión, 2) guías de movimiento, 
3) motores, 4) cabezal de enfoque, 5) obturador, 6) láser de CO2, 7) espejos de guía, 
8) lente de concentración, 9) circuitos de control y comunicación, 10) interfaz de 
usuario en computadora y 11) pieza de trabajo. 
21
Figura 3.2. Perfil de cuerda ACME. 23
Figura 3.3. Perfil de guías de cola de milano. 24
Figura 3.4. Sistema de transmisión. a) vista general de los ejes XY, b) vista a detalle 
de tornillo y tuerca. 
25
 
VII 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Figura 3.5. Motor acoplado por medio de una junta universal. 26
Figura 3.6.Mecanismo de biela-manivela. 27
Figura 3.7. Mecanismo de cabezal de enfoque. 27
Figura 3.8. Propuesta de boquilla de cabezal de enfoque. 1) Lente de concentración, 
2) entradas de gas, 3) salida de gas y 4) aro-sellos. 
28
Figura 3.9. Boquilla del cabezal de enfoque. 29
Figura 3.10. Propuesta de obturador. 29
Figura 3.11. Obturador. 30
Figura 3.12. Cámara de descarga del láser de CO2 (acotaciones [mm]). 
1) Conexiones de agua, 2) conexiones de gas, 3) electrodos, 4) tubo de descarga y 
5) tubo de circulación de agua. 
31
Figura 3.13. Sistema porta espejo. 1) Tubo de cristal, 2) placa de sujeción, 3) pieza 
de unión placa-tubo, 4) pieza porta espejo, 5) espejo, 6) pieza de sello de espejo, 
7) aro-sellos, 8) tornillos de alineación y 9) tornillos de fijación. 
33
Figura 3.14. Sistema de alineación y guía del haz láser. 1) Punto de salida de láser 
He-Ne, 2) espejo de alineación (fijo), 3) divisor de haz, 4) espejo de salida de láser 
de CO2, 5) espejo de fondo de láser de CO2, 6) espejo de guía (fijo), 7) espejo de 
guía en el eje Y (móvil), 8) espejo de guía en el eje X (móvil), 9) lente de 
concentración, y 10) punto de trabajo. 
33
Figura 3.15. Dibujo del sistema láser completo. 1) Láser de CO2, 2) láser de He-Ne, 
3) espejo de alineación, 4) divisor de haz, 5) espejo de guía y 6) conexiones de gas, 
agua y voltaje. 
34
Figura 3.16. Láser de CO2 operando. 35
 
VIII 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Figura 3.17. Diagrama de la fuente de alto voltaje. 36
Figura 3.18. Fuente de alto voltaje. a) vista lateral, b) vista superior. 36
Figura 3.19. Diagrama a bloques de la etapa electrónica de comunicación y control. 38
Figura 3.20. Diagrama del circuito de accionamiento de motores a pasos. 39
Figura 3.21. Diagrama del circuito de accionamiento de obturador. 39
Figura 3.22. Diagrama del circuito de control del eje Z. 40
Figura 3.23. Principio de funcionamiento del sensor de proximidad del eje Z. 41
Figura 3.24. Diagrama del circuito de sensor de proximidad del eje Z. 41
Figura 3.25. Sensor de proximidad del eje Z. 42
Figura 3.26. Circuitos impresos de la etapa electrónica. 42
Figura 3.27. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador en modo de 
barrido. 
43
Figura 3.28. Interfaz de usuario. 44
Figura 3.29. Codificación de imagen. 45
Figura 3.30. Diagrama de flujo del programa de la interfaz de usuario. 
 
46
Figura 4.1. Área de trabajo efectiva del sistema. 48
Figura 4.2. Señal del optointerruptor para determinar la velocidad lineal del tornillo 
a) en el tiempo, b) en la frecuencia. 
49
Figura 4.3. Desplazamiento lineal Z del cabezal. 51
Figura 4.4. Señal del optointerruptor para determinar la velocidad de obturación 
a) en el tiempo, b) en la frecuencia. 
53
 
 
IX 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Figura 4.5. Relación de voltaje medido en el osciloscopio y valor mostrado en la 
carátula de la fuente. 
54
Figura 4.6. Histograma del voltaje entregado por la fuente en 10 s. 54
Figura 4.7. Relación del voltaje en un circuito RC contra el tiempo. 55
Figura 4.8. Medición del tiempo de descarga del circuito RC de la fuente. 56
Figura 4.9. Esquema de medición de parámetros del láser. 57
Figura 4.10. Corriente contra presión de la mezcla láser. Voltaje de alimentación de 
11.6 kV. 
57
Figura 4.11. a) Potencia láser y b) eficiencia en función de la presión a un voltaje de 
alimentación de 11.6 kV. 
58
Figura 4.12. Voltaje en función de la corriente en el láser a una presión de la mezcla 
de 35 mbar. 
59
Figura 4.13. Esquema de medición de la potencia perdida por cada espejo de guía 
a) antes y b) después del espejo del eje Y. 
60
Figura 4.14. Curva de velocidad de transmisión. 62
Figura 4.15. Curva de respuesta del sensor de desplazamiento. 62
Figura 4.16. Curva de velocidad de grabado. 63
Figura 4.17. a) Imagen original, b) Imagen en escala de grises, c) Imagen con sus 
bordes detectados. 
64
Figura 4.18. a) Ventana de selección de umbral, b) Imagen binarizada. 65
Figura 4.19. Ventana de selección de resolución de grabado. 65
Figura 4.20. Grabado sobre a) madera, b) macocel y c) cuero. 66
Figura 4.21. a) Grabado sobre mezclilla y corte en b) gabardina y c) piel. 67
 
X 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Figura 4.22. a) Corte en acrílico y grabado sobre b) acrílico y c) plástico. 67
Figura 4.23. Grabado sobre a) vidrio, b) cerámica y c) asbesto. 68
 
 
XI 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
NOMENCLATURA. 
 
C Valor de capacitancia [F]. 
D1 Diámetro de perforación del haz en acrílico en el origen [m]. 
D2 Diámetro de perforación del haz en acrílico para una distancia de 387.5 
mm al origen [m]. 
e Porcentaje de eficiencia de un láser. 
F Longitud focal de la lente de concentración [m]. 
p Paso del tornillo [rev/m]. 
r Porcentaje de rizo de una señal. 
R Valor de resistencia eléctrica [Ω]. 
rS Diámetro mínimo de enfoque teórico del láser [m]. 
t Tiempo [s]. 
T Constante de tiempo de un circuito RC [s]. 
V0 Voltaje inicial de un capacitor [V]. 
VC Voltaje en función de tiempo en un capacitor [V]. 
VCD Voltaje de corriente directa de una señal [V]. 
Vl Velocidad lineal del tornillo del eje Y [m/s]. 
VrRMS Valor RMS del voltaje de rizo de una señal [VRMS]. 
Vθ Velocidad angular del motor [rev/s]. 
W0 Radio mínimo del haz (cintura del haz) [m]. 
W(z) Radio del haz [m]. 
z Distancia recorrida por el láser [m]. 
 
XII 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
λ Longitud de onda de la radiación láser [m]. 
σ Desviación estándar. 
θ Ángulo de divergencia del haz láser [rad]. 
 
 
XIII 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
1. INTRODUCCIÓN. 
 
1.1 Antecedentes. 
 
El grabado de materiales fue una de las primeras expresiones artísticas del ser humano y se 
remonta al grabado en cuevas (arte parietal) y huesos en el periodo paleolítico [1]. El 
duplicado de imágenes grabadas se presentó con los sumerios hace 3000 años quienes 
grabaron sellos cilíndricos de piedra [2]. El grabado de metal comenzó siendo una técnica 
decorativa en el siglo V AC y era realizada con cinceles y martillos, o a mano usando una 
herramienta filosa y resistente que producía líneas más finas, siendo un método popular en 
Grecia en los siglos IV y III AC [3]. 
En Egipto y Babilonia se usaron sellos de madera para marcar tabiques. Los romanos 
grababan madera y metal para ser usados como negativos sobre vasijas y otros utensilios [4]. 
Los japoneses hicieron las primeras impresiones autentificadas, grabando en bloques de 
madera tablas budistas en el siglo VIII [2]. En los primeros cuatro siglos de nuestra era fue 
cuando se comenzó a realizar grabado en cristal [5]. 
El trabajo artístico sobre madera y otros materiales tuvo un nuevo auge en el siglo XV en 
Europa y era principalmente usado para decoraciones religiosas [4]. En el siglo XVI se 
difundió con más fuerza el uso del grabado de cristal usando martillo y cincel con punta de 
diamante [6]. Posteriormente, el grabado en madera y metales se usó en el desarrollo de la 
imprenta y para hacer portadas y dibujos en libros [4]. Se desarrolló al mismo tiempo el 
grabado con chorro de arena (sand blast) que consiste en poner una máscara sobre el material 
y dejar caer un chorro de arena hasta lograr la profundidad deseada de grabado, obteniendo 
 
1 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
resultados altamente estéticos en metales, cristal y madera [7]. Hasta este punto en la historia, 
todos los métodos de grabado estaban basados en la acción de golpear o raspar el material con 
herramientas hechas de algún material más duro que el que se deseaba grabar. 
Los métodos fotográficos de grabado (fotogalvanografía), comenzaron a desarrollarse a 
principios del siglo XIX por Niépce y se basaban fundamentalmente en el uso de sustancias 
químicas que reaccionaban al contacto con la luz para afectar las zonas deseadas del grabado, 
siendo usado principalmenteen metales para fines de impresión [8]. 
Los métodos electrolíticos de grabado (electro erosión) se presentaron a mediados del siglo 
XIX con Walker como principal recopilador de información, dichos métodos se basaban en la 
inmersión de una placa de cobre cubierta por alguna solución metálica en un electrolito y el 
uso de una corriente eléctrica para fijar los materiales [8]. 
El rotograbado fue usado por primera vez a finales del siglo XIX por Klic siendo el primer 
método de grabado hecho con máquina y fue igualmente usado para imprentas. A partir del 
siglo XIX se comenzó a usar el ataque con ácido en metales, piedras y vidrio [8]. 
En el siglo XX se desarrollaron mejoras en la mayoría de métodos convencionales, siendo 
auxiliados por el uso de máquinas y control eléctrico. Con el desarrollo de nuevos materiales 
industriales, como plásticos y nuevas aleaciones, algunos métodos convencionales 
comenzaron a presentar deficiencias en el trabajo de los mismos. 
El uso del láser para realizar trabajo sobre materiales comenzó en la década de los 70s y 
cambió la manera en que varios procesos se realizaban, además permitió el grabado sobre 
algunos de los materiales industriales más difíciles de trabajar como el titanio [9]. 
 
2 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Se han desarrollado no solo mejoras en la técnica de grabado, sino que también se han 
producido materiales especiales para ser trabajados con láser que dan resultados asombrosos 
en contraste y precisión. 
Actualmente, el grabado con láser no se usa únicamente en la industria para realizar marcaje 
de piezas y decoración de las mismas de forma rápida y precisa, sino que también es utilizado 
por artistas y diseñadores gráficos para dar vida a sus obras. 
Hoy en día existe un gran número de compañías a nivel mundial enfocadas en el desarrollo de 
sistemas integrales de grabado con láser, ofreciendo una amplia gama de posibilidades para la 
industria, tanto en precio como en características de operación, impulsando ampliamente el 
uso de esta tecnología. 
 
1.2 Definición del problema. 
 
Como se mencionó en párrafos anteriores el grabado con láser es un método de procesado de 
materiales relativamente nuevo que ha tenido un desarrollo acelerado en los últimos años. 
Éste, como todas las nuevas tecnologías, incorpora elementos de diversas áreas del 
conocimiento que deben ser unificados en un solo producto. 
El problema que se aborda en este trabajo es la integración de elementos mecánicos, 
electrónicos, ópticos y computacionales en un sistema de grabado con láser. 
 
1.3 Justificación. 
 
El grabado con láser ha venido a sustituir métodos convencionales por su versatilidad, 
precisión y velocidad en el trabajo, entre otros factores. A diferencia del resto de métodos de 
 
3 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
grabado, el usar láser no provoca contacto sobre la superficie a grabar, evitando así algún daño 
sobre ésta [10]. Contrario al grabado rotatorio, el trabajo con láser no presenta el problema del 
desgaste mecánico de las herramientas ni residuos de material, además de que permite trabajar 
sobre materiales frágiles como el vidrio y los cerámicos. 
Comparando el grabado con láser con los métodos tradicionales de grabado en madera y piel 
se observa un trabajo más rápido y detallado. 
A diferencia del ataque con ácido y otros métodos químicos, el grabado con láser no provoca 
residuos de difícil manejo que tengan que ser tratados en plantas para su posterior desecho, 
evitando los gastos que esto implica [11]. 
Tanto el método de grabado con arena como los métodos fotográficos hacen necesario el uso 
de máscaras para definir la imagen a grabar, además de que presentan una gran pérdida de 
resolución en la realización de detalles en imágenes, problemas que no se tienen con el trabajo 
con láser [8]. 
Un punto muy importante por lo que el grabado con láser constituye la mayor aportación a las 
ventas de láseres para procesado de material en los últimos años [12], es que su versatilidad no 
solo se aprecia en la gran cantidad de materiales diferentes que pueden ser trabajados con un 
mismo sistema, sino que también se pueden implementar sistemas de grabado sobre una línea 
de producción dando como resultado un ahorro no solo económico, sino también en tiempo 
[9,13]. 
A diferencia de otros métodos de grabado, el láser produce marcas indelebles y con un 
excelente contraste [10]. 
 
4 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
La gran inversión inicial al comprar un sistema de láser se compensa por la baja cantidad de 
repuestos necesarios y por la cantidad de piezas que pueden ser grabadas antes de requerir 
alguna inversión extra como es el repuesto del láser. 
El láser permite trabajar diferentes estilos de grabado e inclusive simular trabajos hechos a 
mano, realizándolos en una pequeña fracción del tiempo que le tomaría a un artista hacerlos 
manualmente. 
La gran facilidad que proporciona el uso de un sistema automático controlado por una 
computadora, que si bien no es exclusivo del grabado con láser, permite que cualquier persona 
con conocimientos básicos de computación desarrolle trabajos rápidamente, ya que su uso es 
como el de una impresora común. 
Con todo esto se justifica plenamente el desarrollo de este tipo de tecnología en el presente 
proyecto de tesis, tecnología que aun no ha mostrado su máximo potencial. 
 
1.4 Objetivo. 
 
El objetivo global de la tesis es el diseñar, construir y caracterizar un sistema capaz de grabar 
diversos materiales usando la luz láser como herramienta de trabajo, contando con las partes 
fundamentales que componen los sistemas comerciales 
 
1.5 Organización de la tesis. 
 
La tesis comienza con el presente capítulo que expone los antecedentes del grabado de 
materiales, define el problema a resolver, el objetivo de la tesis e informa de la importancia del 
 
5 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
producto de la misma. El capítulo 2 aborda los fundamentos teóricos para la realización del 
sistema, hablando de la fuente láser, los tipos de sistemas comerciales que existen, incluyendo 
sus etapas mecánicas, electrónicas y de software. El capítulo 3 muestra el método de diseño y 
construcción del sistema, dividido en cada una de sus partes principales. El capítulo 4 describe 
los resultados de la caracterización del sistema completo y finalmente, el capítulo 5 enuncia 
las conclusiones obtenidas tras la construcción del sistema y las recomendaciones para 
modificar el mismo en un futuro, buscando dar un valor agregado al producto final de esta 
tesis. 
 
6 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. 
 
Actualmente existe un gran número de compañías dedicadas a la integración de sistemas de 
grabado con láser y a la oferta de servicios relacionados con este tipo de trabajo. Las máquinas 
que se pueden encontrar comercialmente satisfacen un amplio espectro de necesidades de los 
consumidores, desde el productor en pequeña escala de regalos o recuerdos con nombres o 
imágenes grabadas, hasta la gran industria manufacturera que cuenta en su línea de producción 
con una estación de etiquetado de piezas con láser para control de calidad. 
A pesar de la gran variedad de diseños y formas que tienen las máquinas de grabado con láser, 
cualquier sistema cuenta con las siguientes partes básicas: mecanismo de desplazamiento del 
punto de trabajo, fuente de luz láser, óptica de entrega y concentración del haz, sensores, 
circuitos electrónicos asociados a la comunicación y control e interfaz de usuario [9]. 
Para realizar el desplazamiento del punto de trabajo existen diferentes configuraciones 
comúnmente usadas en los sistemas de procesado con láser, listadas a continuación. 
- Haz fijo pieza móvil. Esta configuración presenta un haz enfocado siempre sobre un punto 
sobre la mesa de trabajo y una mesa de coordenadas móvil donde se coloca la superficie atrabajar, se usa cuando se trabaja con láseres muy grandes y piezas pequeñas. 
- Láser móvil. Se coloca un láser en la posición del actuador final y se desplaza sobre la mesa 
de trabajo manteniendo fija la pieza, es una configuración común cuando el láser es ligero y 
las piezas pesadas. 
- Óptica flotante (flying optics). Tanto el láser como la superficie a trabajar se encuentran 
fijos, la manera en que se realiza el movimiento del haz es por medio de óptica móvil colocada 
sobre los ejes de la mesa que dirige el haz láser hasta el punto de trabajo. 
 
7 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
- Híbridos. Son configuraciones en las que se combinan el movimiento del láser y el 
movimiento de la mesa. 
- Multiejes. Mesas que cuentan con más de tres grados de libertad y que gracias a la 
redundancia del sistema logran tolerancias en el orden de micrómetros. Se combina 
movimiento de la pieza con movimiento del haz. Se usan para trabajo en 3D. 
- Robots. Sistemas parecidos a brazos humanos que cuentan con varios grados de libertad que 
permiten realizar movimientos más versátiles que las mesas, lo que los hace ideales para ser 
utilizados en líneas de producción. El láser está fijo y se dirige al punto de trabajo con óptica 
móvil o fibras ópticas, dependiendo del láser empleado [9,14]. 
Los tipos de láser más comunes para procesado de materiales y en el caso particular del 
grabado son el láser de CO2 y el de Nd:YAG. El láser de CO2, por la longitud de onda a la que 
trabaja (10.6 µm), realiza un mejor trabajo sobre materiales orgánicos que sobre metales; el 
costo de éstos es menor que los sistemas de Nd:YAG, además de que son más eficientes. El 
láser de Nd:YAG trabaja mejor sobre metales, es más compacto pero está limitado en cuanto a 
la potencia que entrega a la salida [9,14]. 
La manera en la que se lleva el haz al punto de trabajo depende del tipo de láser con el que se 
esté trabajando; en el caso del láser de CO2, debido a la longitud de onda a la que opera, 
solamente puede ser guiado a través de espejos, mientras que el láser de Nd:YAG tiene la 
ventaja de poder utilizar fibras ópticas de cuarzo [14]. 
Para concentrar la luz en un pequeño punto de trabajo se utilizan lentes (óptica transmisiva) o 
espejos (óptica reflectiva) como se muestra en la figura 2.1 [15]. 
Las lentes se ocupan cuando se trabaja con potencias bajas (menores a 5 KW) ya que el 
material del que están hechas puede sobrepasar su tolerancia de esfuerzo térmico y fracturarse 
 
8 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
[15] mientras que los espejos (parabólicos o cilíndricos) con algún mecanismo de enfriamiento 
[9] son más adecuados para el manejo de potencias más altas. 
 
 
Figura 2.1. Arreglo general para grabado y corte por láser a) óptica transmisiva; b) óptica reflectiva. 
 
Los materiales que se usan para construir lentes para un láser de CO2 son generalmente 
Selenuro de Zinc (ZnSe) y Arseniuro de Galio (GaAs) mientras que para el láser de Nd:YAG 
se usa cuarzo [14]. Los espejos se construyen por lo general de cobre o silicio, siendo el 
segundo más barato y muy eficiente si se trabaja a potencias menores de 2 kW [9]. 
Los sensores que se utilizan en un sistema de procesado de materiales con láser son muy 
diversos y comprenden: sensores de presión, de potencia óptica [9], de desplazamiento y de 
altura, entre otros. 
 
9 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
En particular, en los sistemas de grabado, los más comunes son sensores de desplazamiento 
(para saber en que posición se encuentra el actuador con respecto al origen), de altura (para 
realizar tareas de autoenfoque) y de límite (para limitar la carrera de la mesa a manera de 
protección). 
El sistema electrónico es el encargado de interpretar las señales de dichos sensores, controlar 
los actuadores y realizar la comunicación con la computadora. Generalmente está basado en 
un microprocesador o en un DSP. 
La computadora a través de una interfaz de usuario envía la información de la imagen a grabar 
al sistema electrónico de control. Las interfaces de usuario son sistemas complejos que 
permiten realizar múltiples funciones como la edición y procesamiento de imágenes, lectura 
en tiempo real del avance actual del grabado y control de parámetros del sistema de grabado. 
En la figura 2.2 se muestran las partes que conforman un sistema de grabado con láser. 
 
Mesa XY 
Láser 
Sistema de entrega 
de haz
Cabezal de 
enfoque 
Interfaz de 
usuario
Electrónica de 
comunicación y 
control 
 
Obturador 
 
 Punto de 
 trabajo 
 
 
 
 
 
Figura 2.2. Diagrama a bloques de las partes de un sistema de grabado con láser. 
 
2.1 Principio de funcionamiento del láser. 
 
Un láser consiste básicamente en un par de espejos colocados paralelo uno con otro para 
formar un oscilador óptico que es una cámara donde, de no ser por las pérdidas, la luz oscilaría 
 
10 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
eternamente. Entre los espejos se encuentra un medio activo capaz de amplificar las 
oscilaciones de luz por el mecanismo de emisión estimulada. El espejo de salida es 
parcialmente transparente permitiendo que un porcentaje de la energía contenida en el sistema 
escape y se manifieste como un haz de luz láser. Suele usarse un espejo de fondo cóncavo para 
reducir las pérdidas por difracción y para facilitar su alineación [9,15]. En la figura 2.3 se 
muestra un esquema de un oscilador óptico y sus componentes. 
 
 
Figura 2.3. Oscilador óptico. 
 
La emisión estimulada, figura 2.4, se presenta cuando al tener una partícula en un nivel alto 
de energía (E2) es golpeada por un fotón que libera otro con la misma energía, fase y 
dirección, teniendo ahora una partícula en un nivel bajo de energía (E1) y dos fotones con las 
mismas características. 
 
 
Figura 2.4. Emisión estimulada. 
 
 
11 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Si se logra tener un gran número de partículas en un nivel de energía alto, al caer una de ellas 
al nivel basal de energía emite espontáneamente un fotón que al chocar con otra partícula 
libera otro fotón y así sucesivamente creando un efecto de avalancha, teniendo más y más 
fotones iguales. 
Para lograr tener más partículas en un estado de energía alto, hecho que no es normal en la 
naturaleza ya que todo tiende a estar en el nivel de energía basal, es necesario excitarlas de 
alguna manera; el método que se ocupa en láseres de CO2 es la excitación directa por electrón 
que se logra haciendo circular una corriente eléctrica, ya sea de CD o CA, a través del medio 
activo del resonador óptico consiguiendo lo que se conoce como inversión de población, 
creando un amplificador óptico [16]. 
De esta forma se tiene una gran cantidad de fotones con las mismas propiedades y cuando 
éstos escapan a través del espejo parcialmente reflejante crean lo que conocemos como haz de 
luz láser. 
 
2.2 Características del láser de CO2. 
 
Para tener un láser de CO2 es necesario usar como medio activo una mezcla de CO2, N2 y He 
(con proporciones de 2-5, 10-60 y 40-90% respectivamente) predominando el He por el papel 
que juega en el enfriamiento del sistema al ser un buen conductor térmico, ya que el mantener 
el CO2 a baja temperatura (menor a 200°C) es una condición necesaria para la operación del 
láser [17]. 
Los láseres de CO2 que se usan para grabado pueden ser sellados (que tienen una ganancia de 
60 W/m), de flujo axial lento (el gas circula a menos de 50 m/s dentro de la cámara de 
 
12 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
descarga y tienen ganancias de 50 – 60 W/m) o de flujo axial rápido (trabajan a velocidades 
mayores de 50 m/s con una ganancia superior a 1 kW/m, son más compactos y eficientes que 
los de flujo lento) [14, 18]. En la figura 2.5 se muestra un esquema de los tipos de láseres 
mencionados. 
 
 
a) b)
Figura 2.5. a) Láser sellado, b) láser de flujo (rápido o lento). 
 
Los láseres de CO2 presentan una alta eficienciade entre el 5 y el 20 % [19]. 
Las presiones de trabajo van desde 13 a 130 mbar aproximadamente [9]. 
En los láseres de CO2 comúnmente se remueve el residuo de calor del sistema, recirculando 
aire o agua alrededor de la cámara de descarga o liberando el gas a la atmósfera. Los láseres 
de CO2 emiten longitudes de onda entre 9 y 11 µm pero sus emisiones más fuertes están en 
10.6 µm. Estás longitudes de onda son fuertemente absorbidas por materiales orgánicos y 
altamente reflejadas por metales. 
 
2.3. Sistema de entrega y enfoque del láser. 
 
Los espejos para trabajar con láseres de CO2 por lo general están hechos de cobre o silicio y en 
algunos casos cuentan con un recubrimiento de oro mejorando sus propiedades de reflexión 
 
13 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
pero haciéndolos más costosos, otro material que se utiliza por su bajo costo es el aluminio 
[9]. Las lentes para usarse a esta longitud de onda por su gran transparencia están construidas 
de selenuro de zinc (ZnSe). 
Los espejos y lentes deben limpiarse constantemente con acetona y trapo para lentes para 
retirar residuos que al ser expuestos a la luz del láser pueden quedar fundidos 
permanentemente y estropear el elemento óptico. 
Una lente es un dispositivo óptico capaz de llevar toda la luz que en ella incide a un punto 
focal determinado por las características físicas de la lente. 
El diámetro mínimo de concentración está determinado por la longitud de onda, la divergencia 
del haz (conforme avanza un haz la misma potencia se distribuye en una mayor superficie) 
como se muestra en la figura 2.6 y las características de la lente (la distancia focal y la forma 
de la lente) [20]. Teóricamente un haz gaussiano puede ser concentrado como máximo en un 
punto de una longitud de onda de diámetro, de forma práctica esto no es posible por 
limitaciones físicas. 
Un haz gaussiano es aquel que tiene un perfil transversal descrito por una función gaussiana, 
donde la mayor concentración de potencia se da en el punto central del haz y disminuye a sus 
extremos [19]. 
Si se tiene una lente de longitud focal F y un haz con ángulo de divergencia de θ, el diámetro 
mínimo rS al que se puede enfocar el haz está dado por la ec 2.1 [9] 
 
 θFrS = (2.1) 
 
 
 
14 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 2.6. Divergencia de un haz gaussiano. 
 
Para enfocar la luz en un diámetro pequeño es necesario reducir la distancia focal, pero con 
esto se incrementa la aberración esférica, que se manifiesta cuando los haces que llegan a una 
lente son llevados a diferentes puntos focales [21]. 
Al tener una distancia focal pequeña es conveniente usar lentes aesféricas las cuales reducen la 
aberración de una lente normal al momento de concentrar la luz de un haz gaussiano como se 
aprecia en la figura 2.7. 
 
 
a) b)
Figura 2.7. a) Lente que provoca aberración, b) lente aesférica que reduce la aberración. 
 
Debido a su divergencia, los haces gaussianos tienen la característica de expandirse una vez 
que salen del resonador óptico, punto en el cual se tiene lo que se conoce como cintura del 
haz, que es el punto donde el haz (sin ayuda de una lente) tiene su diámetro mínimo. 
 
15 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Al usar una lente para concentrar el haz se logra tener de nueva cuenta una cintura de haz de 
radio W a una distancia z descrita por la ecuación 2.2 y mostrada en la figura 2.8 
 
 
2
2
0
0 1)( ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
W
zWzW
π
λ
 (2.2) 
 
donde W0 es el radio mínimo del haz y λ es la longitud de onda. 
 
 
Figura 2.8. Concentración de un haz gaussiano usando una lente. 
 
2.4 Principio del grabado con láser. 
 
El grabado con láser puede presentarse de varias formas: carbonización, aclaración o cambio 
de color, cambio físico del acabado de la superficie del material (se marca el material debido a 
un cambio de reflectividad en la superficie), vaporización (cuando el material de la superficie 
es removido debido a una fuente de calor muy intensa), derretimiento y soplado (cuando se 
calienta la superficie a su punto de fusión y con la ayuda de un gas se extraen los residuos 
derretidos permitiendo que el calor del láser sea aprovechado en la superficie) [15] o 
 
16 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
combinaciones de algunas de las anteriores [9] y depende del nivel de absorción de luz que 
cada material presenta [14]. 
En materiales orgánicos el láser de CO2 puede penetrar la superficie, creando un grabado 
(marca profunda); en metales, con ayuda de un recubrimiento de plástico o pintura, se logra 
obtener un marcaje (huella superficial) muy preciso que cambia el color de la pieza [9]. 
 
2.5 Estado del arte - Sistemas Comerciales. 
 
Los sistemas comerciales de grabado utilizados para decoración son el tipo de máquina en la 
que está basado el prototipo de esta tesis. Son los más pequeños y por lo general usan la 
configuración de mesa XY de óptica flotante y láseres de CO2 de potencias menores a los 100 
Watts. 
Las principales características de los sistemas comerciales se enuncian a continuación: 
Tipo de láser. El más común es el láser sellado de CO2 por su reducido precio y tamaño, 
además de no ser necesario el manejo de gas en las instalaciones. También se usan láseres de 
flujo cuando se debe trabajar con potencias altas. 
Potencia del láser. Se logra grabado de materiales orgánicos desde los 10 watts [22, 23, 24, 25] 
y de metales con 500 watts [26]. 
Tipo de transmisión mecánica. Por lo general en sistemas pequeños se utilizan bandas debido 
a su rapidez [24, 25, 27] pero si se trata de sistemas más robustos es común el uso de tornillos 
de bolas que no son tan rápidos pero transmiten mejor la potencia del motor [9, 28, 29, 30]. 
Tipo de motor. Generalmente se usan servomotores de CD por su velocidad, precisión y 
torque [9, 24, 25, 27, 31, 32, 33, 34], aunque para aplicaciones de microposicionamiento 
 
17 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
también es común el uso de motores a pasos, además de que su control es mucho más sencillo 
[9, 25, 35, 36, 37]. En sistemas más robustos que requieren de mayor torque también se 
utilizan servomotores de CA [38]. 
Velocidad de desplazamiento. En las máquinas que usan servos se tienen velocidades de hasta 
7.93 m/s [39], mientras que aquellas que utilizan motores a pasos alcanzan velocidades de 
hasta 0.84 m/s [35]. 
Diámetro mínimo de enfoque. Dependiendo del tipo de óptica de concentración utilizada se 
pueden lograr puntos de trabajo de diámetros de hasta 150 µm [40] para láseres de CO2. 
Tipo de sistema de guía. El método más común de entrega de la luz de un láser de CO2 es por 
espejos fijos sobre las guías móviles de la mesa (óptica flotante) [24, 25, 27, 32, 33, 34], 
aunque también existen sistemas que dirigen la luz a través de espejos fijos que giran gracias a 
galvanómetros que cambian su orientación y llevan la luz hasta el punto de trabajo [14, 41, 
42]. Este último es un método que tiene el inconveniente de perder resolución al trabajar áreas 
grandes [9]. 
Tipo de obturador. Lo más común es utilizar obturadores electromecánicos operados por 
solenoides rotatorios [9, 15, 43, 44, 45, 46, 47]. 
Control de potencia óptica. La potencia de salida del láser se controla a través de su voltaje de 
alimentación. 
Tipo de electrónica. Muchos sistemas de grabado utilizan microprocesadores [15, 48, 49, 50] 
para realizar el control y comunicación, aunque los sistemas más recientes se valen de DSP’s 
para realizar dichas tareas [29, 50, 51, 52, 53]. 
Sensor de altura. Hay diferentes tipos de sensores de altura que ayudan al sistema a realizar un 
autoenfoque; existen magnéticos [15, 54, 55], capacitivos [9, 55], ultrasónicos [15, 55], 
 
18 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
mecánicos [15, 55] y ópticos[55], todos con diferentes características que pueden ser 
aprovechadas de acuerdo a la aplicación. 
Método de grabado. Todas las máquinas actuales permiten al usuario trabajar tanto en modo 
Raster como en modo Vector. El primero trabaja en forma de barrido y es el que alcanza la 
mayor velocidad; se usa para realizar imágenes de mapa de bits [56]. El modo Vector (o 
scribing) está basado en movimientos de una coordenada a otra, siendo capaz de trazar una 
línea solo conociendo sus puntos inicial y final [9], se utiliza principalmente en aplicaciones 
de seguimiento de contorno y trabaja con imágenes de paquetes como CorelDraw y AutoCad 
[56]. 
 
2.6 Parámetros considerados importantes para el diseño y construcción. 
 
Al conocer las principales características de los sistemas comerciales de grabado con láser se 
está en posibilidad de construir un prototipo que cumpla con dichas características. Al no ser 
posible atacar todos los aspectos del sistema, en el presente trabajo se definieron las siguientes 
metas: 
• Aumentar la precisión del mecanismo de desplazamiento a costa de la velocidad. 
• Realizar un sistema simple y funcional en todas sus etapas. 
• Utilizar partes de costo reducido. 
• Construir piezas mecánicas robustas. 
• Obtener la eficiencia más alta posible en el láser. 
• Diseñar electrónica con posibilidad de expandirse. 
• Utilizar el menor número de espejos posibles para guiar el haz al punto de trabajo. 
 
19 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
• Usar tornillos del paso más fino posible para realizar el ajuste óptico. 
 
Con todo esto en mente se procedió a realizar el diseño y la posterior construcción del sistema 
de grabado, tareas que se describen en el capítulo 3. 
 
 
20 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA. 
 
Como se describió en el capítulo 2 en el apartado del estado del arte, las formas en que están 
compuestos los sistemas comerciales de grabado con láser son muy diversas, de manera que 
para diseñar el prototipo de esta tesis se evaluaron las ventajas y desventajas que cada una de 
estas configuraciones ofrecían y se eligió una solución en base a los parámetros considerados 
más importantes listados en el capítulo 2. 
La figura 3.1 presenta un bosquejo del sistema de grabado, mostrando de manera general los 
elementos que necesita para su operación, los cuales fueron la base del presente diseño. 
 
 
6) 7)
 
5) 
 
3) 
10) 1)
 
2) 3) 
 
 
 7) 7) 
 
1) 
8) 4) 9) 
11) 
2) 
Figura 3.1. Sistema general. 1) Elementos de transmisión, 2) guías de movimiento, 3) motores, 4) cabezal de 
enfoque, 5) obturador, 6) láser de CO2, 7) espejos de guía, 8) lente de concentración, 9) circuitos de control y 
comunicación, 10) interfaz de usuario en computadora y 11) pieza de trabajo. 
 
 
21 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Se optó por usar la configuración de mesa XY de óptica flotante ya que es la manera en la que 
están hechas la mayoría de las máquinas de grabado comerciales, debido a que es posible 
utilizar gran parte del espacio de construcción como área de trabajo [9]. 
A continuación se describe la selección, diseño y construcción de los elementos del sistema. 
 
3.1. Etapa mecánica. 
 
3.1.1. Sistema de transmisión mecánica. Entre los métodos para transmitir movimiento a la 
mesa XY se consideró el trabajar con bandas dentadas o con tornillos de potencia. En la tabla 
3.1 se muestra una tabla comparativa entre estos sistemas de transmisión [57, 58, 59]. 
 
Tabla 3.1. Comparación de características de sistemas de transmisión usando motores similares. 
Características. Banda. Tornillo. 
Velocidad. 5 m/s 1 m/s 
Precisión. 0.15 mm 0.025 mm 
Repetibilidad. 0.05 mm 0.005 mm 
Carga. 5,000 N 12,000 N 
 
De acuerdo a las prioridades en la construcción del prototipo, la repetibilidad y precisión del 
sistema son primordiales, por eso se eligió trabajar con tornillos ya que presentan una mayor 
precisión que las bandas, además de soportar cargas más pesadas. Los tornillos se clasifican de 
acuerdo al perfil de su cuerda, los candidatos fueron los tornillos: triangular, ACME y de bolas 
[28]. 
De acuerdo a la tabla 3.2 se observa que el tornillo de bolas es el tipo que mejor transmite la 
potencia, pero su precio y el no poder construirlo fueron un inconveniente muy grande por lo 
 
22 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
que se optó por el tornillo con cuerda ACME [57, 60]. Este perfil se muestra en la figura 3.2, 
donde p es el paso del tornillo. 
 
Tabla 3.2. Comparación de características de tornillos de transmisión. 
Características. Triangular. ACME. Bolas. 
Eficiencia de transmisión. 20% 30% 90% 
Costo. <$700 <$700 >$3,000 
Facilidad de construcción. 6 hrs 6 hrs - 
 
 
Figura 3.2. Perfil de cuerda ACME. 
 
Como se mencionó en el capítulo 2, el diámetro mínimo de concentración teórico del haz es de 
una longitud de onda del láser de CO2 (10.6 µm), por lo que originalmente se propuso tomar 
ese valor como la resolución del sistema. 
La elección del paso del tornillo se basó en la resolución antes mencionada y en la facilidad 
de construcción de cada uno, inclinándose por tornillos de 5/8 de pulgada de diámetro y un 
paso de 8 hilos por pulgada que permiten obtener la resolución deseada con movimientos 
angulares de 1.2°, desplazamientos que pueden ser conseguidos fácilmente con varios tipos de 
actuadores [61]. En la tabla 3.3 se muestran los pasos estándar de cuerda ACME [57]. 
 
 
23 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Tabla 3.3. Pasos estándar de cuerda ACME. 
Diámetro [pulgadas]. Hilos por pulgada. 
1/4 16 
3/16 14 
3/8 12 ó 10 
7/16 12 ó 10 
1/2 10 
5/8 8 
3/4 6 
7/8 6 ó 5 
1 5 
 
Para trabajar con tornillos es necesario contar con un sistema de guías que permiten reducir la 
fricción del sistema de transmisión tanto como sea posible, por lo que se eligieron guías de 
tipo cola de milano que son comúnmente utilizadas en las bancadas de máquinas herramientas 
[62]. Si bien no son el único tipo de guías, si son las más fáciles de realizar. En la figura 3.3 se 
muestra el perfil de las guías utilizadas. 
 
 
Figura 3.3. Perfil de guías de cola de milano. 
 
La construcción de los tornillos y guías se hizo en acero inoxidable y las tuercas se fabricaron 
de bronce para tener un deslizamiento suave [61]. En la figura 3.4 se observa el sistema de 
transmisión construido. 
 
24 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
 a) b) 
Figura 3.4. Sistema de transmisión. a) vista general de los ejes XY, b) vista a detalle de tornillo y tuerca. 
 
Para realizar el desplazamiento de los tornillos se pueden usar diferentes tipos de motores, los 
candidatos se comparan en la tabla 3.4 [63, 64, 65]. 
 
Tabla 3.4. Comparación de características de dos tipos de motores. 
Características. A pasos. CD con escobillas. 
Costo. Hasta $2,136 Hasta $8,600 
Velocidad. Hasta 1,500 rpm Hasta 6,000 rpm 
Torque. 8.7 – 1425 N·cm 0.11 – 35.32 N·cm 
Tipo de control. Lazo abierto Lazo cerrado 
Suavidad de movimiento. Salto entre pasos (baja) Movimiento continuo (alta) 
 
Se decidió usar motores a pasos por sobre servos de CD debido a su facilidad en el control y 
alto torque. 
Los motores adquiridos cuentan con un torque sostenido de 60 N·cm y trabajan con un ángulo 
de paso de 1.8° [62]. 
Para evitar que la desalineación entre los tornillos y los motores fuera un problema se usaron 
juntas universales que absorbieran dicha desalineación [63]. En la figura 3.5 se muestra el 
motor a pasos del eje Y acoplado al tornillo con una junta universal. 
 
25 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 3.5. Motor acoplado por medio de una junta universal. 
 
3.1.2. Cabezal de enfoque. Para realizar el desplazamiento en el eje Z se consideraron los 
mecanismos que se presentan en la tabla 3.5 [58, 66]. 
 
Tabla 3.5. Comparación de características de mecanismos para el eje Z. 
Características. Biela-Manivela. Cremallera.Tornillo. 
Precisión. 0.129 mm 0.022 mm 0.025 mm 
Carga. Menos de 1,000 N Hasta 8,451 N Hasta 12,000 N 
Suavidad de 
movimiento. 
Movimiento 
continuo (alta) 
Movimiento no 
uniforme (baja) 
Movimiento no 
uniforme (media) 
 
En base a la suavidad de movimiento se eligió construir un sistema de biela-manivela [62]. En 
la figura 3.6 se muestra un esquema de este mecanismo [58]. 
En la tabla 3.4 se observa que el motor que ofrece mayor suavidad es el de CD con escobillas 
por lo que se decidió utilizarlo; a cambio de esos beneficios éste es más difícil de controlar. 
En la figura 3.7 se muestra el mecanismo construido; se usó aluminio para realizar las piezas 
por su ligereza y resistencia, en las uniones de los eslabones del mecanismo se colocaron 
rodamientos para disminuir la fricción al girar uno sobre otro, la flecha del motor se acopló 
 
26 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
por medio de un par de engranes a un potenciómetro lineal que además sirve de sistema de 
retroalimentación. 
 
 
Figura 3.6. Mecanismo de biela-manivela. 
 
 
Figura 3.7. Mecanismo de cabezal de enfoque. 
 
 
27 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Se contaba con una lente de concentración aesférica con las características que se muestran en 
la tabla 3.6 y a partir de ella se dimensionaron el resto de las piezas del cabezal y la boquilla. 
 
Tabla 3.6. Características de la lente de concentración. 
Material de construcción. ZnSe (Selenuro de Zinc). 
Diámetro exterior. 2.54 cm. 
Distancia focal. 2.54 cm. 
 
Para realizar la entrega del haz concentrado hasta el punto de trabajo se construyó una boquilla 
que contiene a la lente y que además permite el flujo axial de un gas que evita que el humo 
producido al grabar se deposite sobre la lente, dañándola permanentemente. Si además de usar 
un gas que limpie el punto de trabajo se cuenta con un gas que ayude a trabajar ciertos 
materiales se tiene una boquilla más completa [15]. Por esta razón se decidió utilizar un 
sistema similar a la boquilla de “corte limpio” de la compañía AMADA [15]. Un diagrama de 
la boquilla se muestra en la figura 3.8. 
 
 
 1) 
 4) 
 2) 
 4) 
 2) 
 
 3) 
Figura 3.8. Propuesta de boquilla de cabezal de enfoque. 
1) Lente de concentración, 2) entradas de gas, 3) salida de gas y 4) aro-sellos. 
 
28 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
La figura 3.9 muestra la boquilla construida con sus dos entradas para gas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9. Boquilla del cabezal de enfoque. 
 
3.1.3. Obturador. Para controlar el acceso de la luz láser al punto de trabajo es necesario un 
sistema de obturación capaz de contener el haz y realizar movimientos continuos de apertura y 
cierre; para esto se implementó un mecanismo que permite realizar el movimiento mostrado 
en la figura 3.10. 
 
 
Figura 3.10. Propuesta de obturador. 
 
 
29 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Para realizar dicho movimiento se consideró utilizar un motor a pasos, uno de CD o un 
solenoide, eligiéndose el último por la simplicidad que ofrece en el control y bajo costo, de 
acuerdo a la tabla 3.7 [65, 67]. 
 
Tabla 3.7. Comparación de características de actuadores eléctricos. 
Características. Motor a pasos. Motor de CD. Solenoide. 
Costo. Hasta $2,136 Hasta $8,600 Hasta $384 
Velocidad. Hasta 1,500 rpm Hasta 7,500 rpm Hasta 1,880 rpm 
Torque. 8.7 – 1425 N·cm 2.9 – 52.65 N·cm 1.7 – 25 N·cm 
Tipo de control. Lazo abierto Lazo cerrado Lazo abierto 
 
El material usado para contener el calor producido por el láser es una placa de asbesto que 
además de ser un excelente aislante térmico es muy ligero, permitiendo que aún un actuador 
de torque reducido como el solenoide logre moverlo fácilmente [63, 68]. 
En la figura 3.11 se muestra el obturador construido con dos solenoides lineales de diferentes 
tamaños y torques, uno para la apertura y el otro para el cierre del sistema para activar solo 
uno de ellos a la vez y así no utilizar demasiada corriente. 
 
 
Figura 3.11. Obturador. 
 
30 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
3.2. Fuente láser. 
 
3.2.1. Láser de CO2. La cámara de descarga del láser está basada en un tubo interno de pirex, 
según muestra la figura 3.12, cuyo diámetro interior es de 9 mm. La distancia entre los 
electrodos es de 55 cm y la separación entre espejos es de 68 cm. También se aprecia un tubo 
exterior que permite circular agua alrededor del tubo interior y enfriar el medio activo, CO2, el 
cual se hace fluir desde un extremo a otro del tubo. 
El sistema consta de un par de piezas donde se colocan los espejos, mismas que hacen sello de 
vacío en la cámara de descarga y al mismo tiempo permiten realizar un ajuste en la alineación 
de los espejos para obtener la mayor eficiencia posible del láser. 
 
 
3) 3) 
 
4) 
5) 
 2) 2) 
1) 1)
Figura 3.12. Cámara de descarga del láser de CO2 (acotaciones [mm]). 
1) Conexiones de agua, 2) conexiones de gas, 3) electrodos, 4) tubo de descarga y 5) tubo de circulación de agua. 
 
 
31 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Para conseguir lo anterior, se usa una configuración donde una placa se sujeta al chasis del 
sistema; en un lado se monta una pieza porta espejo y del otro se introduce el tubo de vidrio. 
Dicha placa es de baquelita para evitar que el alto voltaje salte a la pieza. 
El sistema porta espejo se muestra en la figura 3.13 donde se aprecia que en las uniones de 
cada una de las piezas que lo componen se usan aro-sellos para evitar fugas. 
La alineación de los espejos se logra mediante un juego de tornillos que buscan juntar la pieza 
porta espejo con la placa de sujeción y por medio de otro juego de tornillos rodeados de 
resortes que ejercen presión en dirección opuesta se logra la fijación del sistema. 
 
3.2.2. Sistema de alineación y guía. Para realizar la alineación de los espejos se usa el 
esquema que se muestra en la figura 3.14. La luz del láser de He-Ne 1) se lleva al interior del 
resonador óptico gracias al espejo 2) y al divisor de haz 3) para alinear los espejos del láser. El 
haz que sale del espejo 4) ilumina la trayectoria que sigue el láser de CO2 y permite ajustar la 
orientación de los espejos 6), 7) y 8) para llevar la radiación láser hasta el punto de trabajo 10) 
[61]. 
Como los espejos utilizados son de aluminio se procuró usar el menor número posible de ellos 
para evitar pérdidas de potencia óptica, ya que teóricamente absorben un 2% de la luz que en 
ellos incide [9, 61]. 
El sistema láser completo se muestra en la figura 3.15 donde se aprecia el láser de CO2 y junto 
a él un apuntador de He-Ne cuya radiación es guiada por un espejo y un divisor de haz. Una 
vez que el haz sale del resonador óptico pasa de nueva cuenta por el divisor de haz en 
dirección de un espejo que lo guía hacia la mesa XY. 
 
 
32 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
 2) 4) 8) 
3) 
 6) 
 5) 
7) 
1) 7) 
9) 
Figura 3.13. Sistema porta espejo. 1) Tubo de cristal, 2) placa de sujeción, 3) pieza de unión placa-tubo, 
4) pieza porta espejo, 5) espejo, 6) pieza de sello de espejo, 7) aro-sellos, 8) tornillos de alineación y 
 9) tornillos de fijación. 
 
 
5) 8) 
 7) 
 4) 
 9) 6) 
 3) 
 
 
 10) 
 1) 
 2) 
Figura 3.14. Sistema de alineación y guía del haz láser. 1) Punto de salida de láser He-Ne, 2) espejo de alineación 
(fijo), 3) divisor de haz, 4) espejo de salida de láser de CO2, 5) espejo de fondo de láser de CO2, 
 6) espejo de guía (fijo), 7) espejo de guía en el eje Y (móvil), 8) espejo de guía en el eje X (móvil), 9) lente de 
concentración, y 10) punto de trabajo. 
 
 
33 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
El divisor de haz es una hoja de acetato común como el utilizado en transparencias, este 
material solo permite alinear una sola vez el láser, ya que al momento de poner en 
funcionamiento el láser de CO2 se quema y deja de funcionar como divisor. 
Para protección del usuario se construyó una caja de acrílicopara poder observar el 
funcionamiento del láser y proporcionar el soporte para las conexiones de gas, agua y alto 
voltaje [61]. 
En la figura 3.16 se muestra el sistema láser construido y operando como se puede observar 
por el resplandor rosado en el interior del tubo. 
 
 
6) 
1) 
4) 2) 
 5) 
3) 
Figura 3.15. Dibujo del sistema láser completo. 1) Láser de CO2, 2) láser de He-Ne, 3) espejo de alineación, 4) 
divisor de haz, 5) espejo de guía y 6) conexiones de gas, agua y voltaje. 
 
3.2.3. Fuente de alto voltaje. Para poder operar el láser es necesario contar con una fuente de 
CD de alto voltaje para la excitación del gas. 
El intervalo de voltajes a los que operan los láseres de CO2 está entre los 10 y los 25 kV [17, 
61]. 
 
34 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 3.16. Láser de CO2 operando. 
 
Se usó un transformador de una sola fase de 127:25000 volts, por lo que se propuso un puente 
rectificador de onda completa con diodos que trabajan a 25 kV, los que se construyeron con un 
arreglo serial de diodos con una resistencia de 1 MΩ en paralelo a cada uno de ellos para 
evitar las corrientes de fuga inversas. Se utilizó un filtro RC para reducir el rizo de la señal de 
salida con un capacitor de 0.25 µF a 25 kV y una resistencia de 80 kΩ para obtener un rizo 
teórico de 6.25% [69]. 
Para evitar posibles accidentes al quedar cargado el capacitor, se colocó una resistencia de un 
valor muy alto (48 MΩ) en paralelo al capacitor para descargarlo paulatinamente, a esa 
resistencia se agregó un galvanómetro en serie para medir el voltaje a la salida de la fuente. El 
diagrama de la fuente se muestra en la figura 3.17. 
 
 
35 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 3.17. Diagrama de la fuente de alto voltaje. 
 
Un par de fotografías de la fuente construida se observan en la figura 3.18. 
 
 
a) 
b)
Figura 3.18. Fuente de alto voltaje. a) vista lateral, b) vista superior. 
 
 
 
 
36 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
3.3. Etapa electrónica de comunicación y control. 
 
Para controlar todos los mecanismos descritos anteriormente y para establecer comunicación 
con la computadora se desarrolló un sistema electrónico capaz de llevar a cabo ambas 
funciones. 
En la tabla 3.8 se muestra la comparación entre los dispositivos que figuraban como 
candidatos para ser utilizados como unidad central de la etapa electrónica [70, 71]. 
 
Tabla 3.8. Comparación de características de controladores electrónicos. 
Características. Microcontrolador. Microprocesador. DSP. 
Costo. $1617 $2799 $4740 
Velocidad. 16 MHz 16 MHz 167 MHz 
Escalabilidad. Mismos 
componentes (alta) 
Mismos componentes 
(media) 
Diferentes 
componentes (baja) 
 
Debido al bajo costo y simplicidad de programación se eligió usar un microcontrolador por 
sobre las otras alternativas, ya que la gran velocidad de los DSP’s no es necesaria debido a que 
el sistema mecánico a controlar no es rápido. 
Se usó la configuración mostrada en la figura 3.19, basada en AVR’s de la marca ATMEL, 
donde se observa que se está utilizando un par de microcontroladores en una configuración 
maestro-esclavo; mientras el maestro se encarga de la comunicación con la computadora, el 
almacenaje de la información en una memoria SRAM externa y el movimiento del obturador, 
el esclavo controla los actuadores de la mesa XY y el eje Z. 
 
 
37 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
3.3.1. Interfaz de comunicación. La comunicación con la computadora se realiza de forma 
serial usando el protocolo RS232 que soporta el microcontrolador mediante la comunicación 
USART (Receptor y Transmisor serial Universal Síncrono y Asíncrono). 
 
Obturador
Computadora
Sensor 
obturador Motores XY
Fin de carrera XY
Motor Z
Sensor Z
SRAM
Fin de carrera Z
Micro -
contro-
lador
Maestro
Micro-
contro-
lador
Esclavo
USART SPI 
Obturador
Computadora
Sensor 
obturador Motores XY
Fin de carrera XY
Motor Z
Sensor Z
SRAM
Fin de carrera Z
Micro -
contro-
lador
Maestro
Micro-
contro-
lador
Esclavo
USART SPI 
 
Figura 3.19. Diagrama a bloques de la etapa electrónica de comunicación y control. 
 
El uso de la memoria externa se debe a que las imágenes ocupan una gran cantidad de espacio 
de memoria y los microcontroladores tienen capacidades internas muy limitadas. 
El microcontrolador maestro elegido fue el ATMega8515, ya que cuenta con comunicación 
USART, capacidad de direccionar una memoria SRAM externa de hasta 64 kBytes y además 
permite la comunicación con otros microcontroladores por medio de la SPI (Interfaz Periférica 
Serial) [72]. 
El microcontrolador esclavo escogido fue el ATMega16 debido a que cuenta con la 
comunicación vía SPI y tiene un puerto de 8 bits donde cada línea se puede utilizar como una 
entrada ADC (Convertidor Analógico-Digital), permitiendo leer directamente señales 
analógicas entre cero y cinco volts, siendo muy útil en el uso de sensores [73]. En el anexo A 
se enuncian con mayor detalle las características de ambos microcontroladores. 
 
38 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
3.3.2. Control de mecanismos. El circuito de control de los motores a pasos de la mesa XY 
(figura 3.20) así como el de los solenoides del obturador (figura 3.21) se realiza mediante 
interruptores a base de transistores, donde con una pequeña corriente en la base proveniente 
del microcontrolador se pueden tener corrientes altas en el colector. 
 
 
Figura 3.20. Diagrama del circuito de accionamiento de motores a pasos. 
 
 
Figura 3.21. Diagrama del circuito de accionamiento de obturador. 
 
 
39 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Para controlar el motor de CD que mueve el eje Z se utilizó el circuito mostrado en la figura 
3.22. Donde el microcontrolador envía la señal de control al motor por ocho líneas digitales, 
posteriormente con un DAC (Convertidor Digital-Analógico) se obtiene una señal que varía 
entre -12 y +12 volts, esta señal entra a un acoplador de impedancias, para finalmente llegar a 
un par de transistores de potencia que controlan el sentido del giro del motor; acoplado a la 
flecha del motor se encuentra un potenciómetro lineal que permite conocer la altura del 
cabezal en cualquier instante [69]. 
 
 
Figura 3.22. Diagrama del circuito de control del eje Z. 
 
Para garantizar un correcto enfoque del haz se construyó un sensor de proximidad de contacto 
de tipo resistivo basado en un potenciómetro como se muestra en la figura 3.23. 
Se construyó una punta con un balín en el extremo para que pudiera rodar y se colocó dentro 
de una guía la cual tiene en su interior una cinta resistiva que de acuerdo a la posición de la 
punta variará su resistencia, de tal forma que al descender el cabezal si el sensor toca la 
superficie a trabajar se tendrá una lectura diferente de resistencia, buscando colocar al cabezal 
en el punto exacto de enfoque. 
 
40 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 3.23. Principio de funcionamiento del sensor de proximidad del eje Z. 
 
Como se está trabajando con un sensor resistivo su circuito de acondicionamiento de señal es 
sencillo y consiste en un amplificador diferencial donde se resta la señal del sensor con una 
señal de referencia, para posteriormente amplificar el voltaje y así tener únicamente valores 
entre 0 y 5 volts [74]. En la figura 3.24 se muestra el circuito usado. 
El sensor construido se muestra en la figura 3.25. 
 
 
Figura 3.24. Diagrama del circuito de sensor de proximidad del eje Z. 
 
 
41 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
En la figura 3.26 se muestra una fotografía de los circuitos impresos conectados y montados 
en el chasis del sistema. 
En el anexo B se analizan los circuitos utilizados en este apartado. 
 
 
Figura 3.25. Sensor de proximidad del eje Z. 
 
 
Figura 3.26. Circuitos impresos de la etapa electrónica. 
 
 
42 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
NO
Abrir 
obturador 
Abrir 
obturador 
Movermotor 
de eje Y 
 
2
 
3
 ¿Es dato 
 para X?
 ¿Dato 
 es cero?
Mover motor 
de eje X 
 
2
NO ¿Dato 
 es cero?
NO
Decodificar 
dato 
Cerrar 
obturador 
SI
Cerrar 
obturador 
 
3
Recibir 
datos 
Almacenar 
datos en SRAM
 
 ¿Memoria 
 llena?
Activar 
bandera 
SI
NO
 ¿Hay 
 datos? 
 
INICIO
Enviar mesa y 
cabezal a origen
Leer puerto 
serial 
 
1
Mover cabezal a 
posición de 
enfoque máximo
Leer dato de 
SRAM 
 
2
 ¿Hay 
 datos? 
SI
NO ¿Bandera 
 activa? 
 
FIN
 
1
SI
NOCerrar 
obturador 
 SI 
SI 
 
Figura 3.27. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador en modo de barrido. 
 
43 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
El programa del microcontrolador maestro establece la comunicación con la interfaz de 
usuario, procesa los datos recibidos y realiza el control de los actuadores del sistema para 
conseguir el grabado. Un diagrama de flujo de las funciones que desempeña se muestra en la 
figura 3.27. 
 
3.4. Interfaz de usuario. 
 
Para que cualquier persona pueda utilizar el sistema y realizar el grabado de alguna imagen se 
implementó una interfaz amigable al usuario. Con esta se puede importar imágenes de los 
formatos más comunes (bmp y jpg), convertirlas en imágenes en escala de grises y binarias, 
detectar sus bordes y codificarlas para posteriormente enviarlas al sistema de grabado. 
En la figura 3.28 se muestra la interfaz de usuario programada en C++ Builder 6.0 donde se ve 
el resultado de la detección de bordes de una imagen en escala de grises usando una máscara 
de Prewitt de 3x3. 
 
 
Figura 3.28. Interfaz de usuario. 
 
44 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Para realizar el envío de una imagen al sistema de grabado una imagen debe ser codificada en 
píxeles como unos o ceros en la forma que se muestra en la figura 3.29, donde se observan las 
primeras tres filas de píxeles de una imagen. Posteriormente la secuencia de Bytes codificados 
es enviada por el puerto serial al microcontrolador maestro [62]. 
 
 
Figura 3.29. Codificación de imagen. 
 
En la figura 3.30 se muestra un diagrama de flujo de las operaciones realizadas por la interfaz 
de usuario. 
 
En el capítulo 4 se realiza la caracterización de cada una de las partes descritas en el presente 
capítulo con el fin de realizar una validación de las soluciones propuestas y posteriormente 
concluir en una serie de beneficios y mejoras al sistema listados en el capítulo 5. 
 
 
 
 
 
 
 
45 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Enviar datos 
a microcon-
trolador
 
 FIN 
 
 ¿Binarizar? 
Realizar 
dibujo 
Codificar 
imagen 1
NO
1
 
 INICIO 
 ¿Crear 
 fondo?
Crear fondo 
blanco 
SI
Cargar 
imagen 
 NO
 ¿Es 
 binaria? 
SI
SI
Procesar imagen 
(bordes, escala 
de grises)
NO
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.30. Diagrama de flujo del programa de la interfaz de usuario. 
 
 
 
46 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
4. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA. 
 
En el capítulo 3 se describieron las partes que conforman el sistema de grabado y el por qué de 
los componentes usados en su construcción, en este capítulo se presentan los rasgos distintivos 
del prototipo construido. 
 
4.1. Etapa mecánica. 
 
4.1.1. Sistema de transmisión mecánica. Las características más importantes de la mesa XY 
son su área de trabajo, la velocidad lineal de desplazamiento que alcanza cada uno de sus ejes 
y la resolución, repetibilidad y exactitud que ofrece. 
Para conocer el área de trabajo fue necesario conocer la carrera total de cada eje, para esto se 
midieron las distancias totales entre los interruptores de límite de inicio y fin de cada eje y se 
restó la dimensión del carro sobre el cual se desplaza el cabezal obteniendo como resultado 
una distancia de 29.5 y 21.9 cm en los ejes X y Y, respectivamente, por lo que el área de 
trabajo efectiva es de 646.05 cm2 como se muestra en la figura 4.1. 
La velocidad lineal de desplazamiento se conoce al medir la frecuencia de giro del tornillo de 
potencia mediante un optointerruptor que en cada revolución genera un pulso de voltaje 
medido en un osciloscopio, posteriormente la señal adquirida en el dominio del tiempo se 
transforma al dominio de la frecuencia para conocer la frecuencia de giro, las gráficas de la 
señal tanto en tiempo como en frecuencia se muestran en la figura 4.2. 
 
47 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 4.1. Área de trabajo efectiva del sistema. 
 
De acuerdo a la figura 4.2b la frecuencia de giro del tornillo es de 0.667 Hz, valor con el que 
se obtiene la velocidad angular Vθ del motor y del tornillo que es de 40 rpm, con estos datos y 
sabiendo que el tornillo tiene un paso p de 8 hilos por pulgada se determina la velocidad del 
tornillo con la ecuación 4.1 
 
 == pVV θ1 2.11 mm/s (4.1) 
 
Este valor indica la velocidad máxima para la cual se puede tener un movimiento continuo del 
eje Y donde se encuentra el tornillo que tiene la mayor cantidad de carga, por lo que a pesar de 
que el otro eje puede girar más rápido, se optó por trabajar con velocidades iguales en ambos 
ejes. 
 
48 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
a) 
b) 
Figura 4.2. Señal del optointerruptor para determinar la velocidad lineal del tornillo 
 a) en el tiempo, b) en la frecuencia. 
 
La resolución del sistema está determinada por la combinación de tornillos y motores a pasos, 
ya que al trabajar con tornillos de 8 hilos por pulgada y motores de 200 pasos por revolución 
se tiene una resolución de 15.87 µm por cada paso del motor [61]. 
Para conocer el valor de la repetibilidad de la mesa XY se realiza el marcaje de dos puntos con 
una separación fija en varias piezas y se mide la distancia entre puntos para observar como 
varía en cada muestra. En la tabla 4.1 se exhiben los valores de la distancia medida con un 
calibrador entre los dos puntos. 
 
 
 
49 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Tabla 4.1. Mediciones de distancia para encontrar repetibilidad y precisión de la mesa XY con un valor real de 
14.12 mm. 
Distancia [mm]. Distancia [mm]. Distancia [mm]. Distancia [mm] 
14.2 14.05 14.2 14.02 
14.35 14.02 14.15 14.1 
14.12 14.22 14.2 14.17 
14.3 14.28 14.02 14.07 
 
Con los valores de la tabla 4.1 se obtiene el valor medio de las mediciones que es de 14.15 
mm. Como el desplazamiento que se indicó en la computadora al sistema es de 14.12 mm el 
valor de la exactitud se obtiene a partir de la ecuación 4.2 
 
 verdaderovalorresultadoabsolutoerror −= = 14.15 – 14.12 = 0.03 mm (4.2) 
 
donde se obtiene el valor de inexactitud de 0.03 mm que representa el 0.21% del valor 
verdadero, por lo que se puede decir que se tiene una distancia de 14.12 ± 0.03 mm. 
La repetibilidad del sistema se define como el valor por debajo del cual se encuentra, con una 
probabilidad del 95%, el valor absoluto de la diferencia entre dos resultados individuales [75]. 
Conociendo que aproximadamente el 95.5 % de todos los valores de mediciones se encuentran 
en el intervalo de ±2σ para una distribución de probabilidades gaussiana [76], la repetibilidad 
de la mesa XY se puede calcular como 4σ, y dado que σ = 0.10075 mm, la repetibilidad tiene 
un valor de 0.403 mm. 
 
4.1.2. Cabezal de enfoque. Para describir el cabezal de enfoque construido basta con definir 
su desplazamiento lineal, repetibilidad, exactitud y el diámetro mínimo de concentración del 
haz. 
 
50 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Para determinar el desplazamiento lineal en el eje Z se mide la distancia entre los interruptores 
de fin de carrera del cabezal, obteniendo como resultado Z = 52 mm, con esta carrera y 
considerando las dimensiones del cabezal, es posible trabajar con piezas de espesores entre 3 y 
55 mm. En la figura 4.3 se muestra la carrera total en el eje Z. 
Para determinar la repetibilidad del cabezal de enfoquese hace bajar el cabezal sobre 
materiales a diferentes alturas y se mide la separación entre el material y la boquilla para así 
asegurar que siempre se coloque a la misma distancia de la superficie a trabajar. En la tabla 
4.2 se muestran los valores de las mediciones realizadas con un calibrador. 
 
 
Figura 4.3. Desplazamiento lineal Z del cabezal. 
 
Tabla 4.2. Mediciones de distancia para encontrar repetibilidad del cabezal de enfoque con un valor real de 2.54 
mm. 
Distancia [mm]. Distancia [mm]. Distancia [mm]. Distancia [mm] 
3.05 2.41 2.79 2.52 
2.92 2.54 2.46 2.67 
2.34 3.2 2.87 2.79 
2.54 2.79 2.36 2.49 
 
 
51 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
Al igual que en el caso de la determinación de la exactitud y la repetibilidad de la mesa XY y 
considerando como valor real 2.54 mm, se obtienen el valor medio, el error absoluto y la 
desviación estándar para el cabezal de enfoque, dando como resultado 2.67, 0.13 y 0.247 mm, 
respectivamente. Por lo que la exactitud en el eje Z es de 2.67 ± 0.13 mm con un error relativo 
del 4.87 % y la repetibilidad es de 4σ igual a 0.988 mm. 
El valor medio del diámetro mínimo de enfoque es de 233 µm de acuerdo a las mediciones 
hechas con un calibrador de la tabla 4.3. 
 
Tabla 4.3. Mediciones de diámetro mínimo de concentración del haz. 
Diámetro [µm]. Diámetro [µm]. Diámetro [µm]. Diámetro [µm]. 
210 250 250 220 
200 300 200 270 
280 200 220 220 
210 280 210 210 
 
4.1.3. Obturador. El parámetro más importante del obturador es el tiempo en el que cierra y 
abre, para medirlo se usó un optointerruptor que entrega al sistema una señal de 5 volts cuando 
el obturador está cerrado y 0 volts al estar abierto. En la figura 4.4 se muestra la respuesta del 
sistema al abrir y cerrar constantemente el obturador. 
 
De acuerdo a la figura 4.4a, el tiempo de apertura es de 0.207 s, que es el tiempo en el que el 
obturador pasa de estar cerrado a estar abierto, y el tiempo de cierre es de 0.134 s, y según se 
aprecia en la figura 4.4b la frecuencia de obturación es de 2.93 Hz, 
 
 
52 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
a) 
b) 
Figura 4.4. Señal del optointerruptor para determinar la velocidad de obturación 
 a) en el tiempo, b) en la frecuencia. 
 
4.2. El láser. 
 
4.2.1. Fuente de alto voltaje del láser. La fuente de alto voltaje se caracteriza por el valor 
máximo de voltaje que puede entregar al sistema láser, el factor de rizo de la señal y el tiempo 
de descarga del capacitor. 
El valor medio del voltaje máximo entregado es de 21.8 kV como se aprecia en la figura 4.5 
que además muestra la relación entre el valor de voltaje medido en el osciloscopio y el 
observado en la carátula de la fuente. 
 
 
 
53 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 4.5. Relación de voltaje medido en el osciloscopio y valor mostrado en la carátula de la fuente. 
 
En la figura 4.6 se muestra el histograma de la señal obtenida en el osciloscopio medida con 
una punta de alto voltaje 1000:1 a la salida de la fuente, cuando la carátula marca 250 mA. 
 
 
Figura 4.6. Histograma del voltaje entregado por la fuente en 10 s. 
 
54 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
En la figura 4.6 se aprecia que el valor medio de la señal es de 11.6 kV y sus variaciones son 
de 400 V tanto hacia arriba como hacia abajo, por lo que con la ecuación 4.3 [69] 
 
 %100*
CD
RMS
V
Vr
r = (4.3) 
 
se obtiene un valor de rizo de 2.438 %. 
El tiempo de descarga del capacitor es el tiempo en el cual el valor VC de la ecuación 4.4 
tiende a cero de acuerdo a la figura 4.7. 
 
 
Tt
C eVV
−= 0 (4.4) 
 
donde T = RC es la constante de tiempo del circuito [77]. Sabiendo que el capacitor y 
resistencia empleados tienen valores de 0.25 µF y 46 MΩ respectivamente, y partiendo de un 
valor (V0) de 11.6 kV, el tiempo t de descarga es de 81.15 s. En la figura 4.8 se muestran 20 
segundos del tiempo de descarga del capacitor medido con el osciloscopio. 
 
 
Figura 4.7. Relación del voltaje en un circuito RC contra el tiempo. 
 
 
55 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 4.8. Medición del tiempo de descarga del circuito RC de la fuente. 
 
4.2.2. Láser de CO2. Los parámetros que caracterizan el láser construido son la potencia 
óptica de salida y la eficiencia del sistema. Para realizar la medición de dichos parámetros se 
usó el esquema mostrado en la figura 4.9. 
Con los voltajes en el punto V1 y las corrientes para diferentes presiones se tabula la gráfica 
de la figura 4.10 utilizando una mezcla de CO2, N2 y He con proporciones de 10, 10 y 80%. 
 
Para obtener el valor de la potencia óptica se hizo variar la presión de alimentación del gas al 
sistema y se utilizó un medidor Coherent LabMaster Ultima con una punta sensora LM-10 (P0 
en la figura 4.9) de capacidad máxima de 10 Watts para buscar el mayor nivel de potencia de 
salida como se muestra en la figura 4.11a. 
 
56 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 4.9. Esquema de medición de parámetros del láser. 
 
 
Figura 4.10. Corriente contra presión de la mezcla láser. Voltaje de alimentación de 11.6 kV. 
 
El valor de la eficiencia está dado por la ecuación 4.5. 
 
57 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
)(
)(
eléctricaentradadepotencia
ópticasalidadepotenciae = x 100 (4.5) 
 
Utilizando los valores obtenidos de potencia óptica y midiendo con una punta de alto voltaje 
de atenuación 1000:1 en el nodo V1 se obtiene la gráfica de la figura 4.11b. 
 
 
 a) b) 
Figura 4.11. a) Potencia láser y b) eficiencia en función de la presión a un voltaje de alimentación de 11.6 kV. 
 
Como se observa en la figura 4.11 la mayor potencia óptica, 11.9 Watts, y eficiencia, 10.9 %, 
se obtienen en 35 mbar, por lo que se eligió ésta como presión de trabajo. 
 
Una vez elegida la presión de 35 mbar se midió el voltaje en el láser (V2) para diferentes 
corrientes con el fin de conocer la impedancia de la cámara de descarga, la cual es la pendiente 
de la gráfica de la figura 4.12, obteniendo un valor de 343.25 kΩ aproximadamente. 
 
58 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
 
Figura 4.12. Voltaje en función de la corriente en el láser a una presión de la mezcla de 35 mbar. 
 
4.2.3. Sistema de alineación y guía. Para caracterizar el sistema de alineación y guía se midió 
la pérdida de potencia aproximada por cada espejo; para realizarlo se utilizó el esquema 
mostrado en la figura 4.13 donde se coloca el medidor de potencia P0 antes y después de 
incidir sobre uno de los espejos. 
 
Los valores medios de las mediciones hechas son 6.38 watts para la potencia antes del espejo 
y 5.71 watts para después del espejo con lo que se obtiene un valor de 89.5 % de reflectividad 
en los espejos de aluminio utilizados, mientras que el valor para el aluminio puro es del 98% 
[9]. 
 
 
59 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
El ángulo de divergencia del láser se aproxima usando la ecuación 2.1 que se rescribe en este 
capítulo como la ecuación 4.6, ya que se conoce el diámetro mínimo de concentración y la 
distancia focal de la lente. 
 
 θ=F
rS (4.6) 
 
El valor calculado del ángulo de divergencia teórico es de 9.1 mrad. 
 
 
a) b)
 P0 
 P0
Figura 4.13. Esquema de medición de la potencia perdida por cada espejo de guía 
 a) antes y b) después del espejo del eje Y. 
 
El ángulo de divergencia del láser se puede medir de forma indirecta al conocer el diámetro de 
la perforación producida en una pieza de acrílico en dos puntos diferentes del recorrido del 
haz. De acuerdo a la figura 2.6, θ se podrá calcular mediante la ecuación 4.7 
 
 ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ +
=
z
DD
2
1
2
2
arctanθ (4.7) 
 
60 
Sistema de grabado con láser. 
 
 
donde D2 es el diámetro de