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25/10/2022

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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“ROUTER CNC
APLICADO AL DESARROLLO DE PCB´s.”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN
DAZA MURGADO ULISES ROGELIO
LUENGAS ZEPEDA SEBASTIÁN
ASESORES
M. en C. JESICA AZUCENA ESCOBAR MEDINA
ING. EDGAR QUINTANA ORTEGA
CIUDAD DE MÉXICO, SEPTIEMBRE DE 2016
III

Contenido
Capítulo 1. Introducción ................................................................................... 11
1.1 Planteamiento. ........................................................................................ 12
1.2 Objetivos................................................................................................. 13
Objetivo general ........................................................................................ 13
Objetivos particulares ................................................................................ 13
1.3 Justificación. ........................................................................................... 14
Capítulo 2. Marco teórico ................................................................................. 18
2.1 Origen y características. ......................................................................... 18
Códigos de funcionamiento. ...................................................................... 19
Códigos Generales .................................................................................... 20
Códigos Misceláneos ................................................................................ 21
2.2 Sistema Eléctrico. ................................................................................... 22
Control por lazo cerrado. ........................................................................... 22
Control por lazo abierto. ............................................................................ 23
Motores a pasos ........................................................................................ 24
Grados por paso ........................................................................................ 24
Motores a pasos bipolares ........................................................................ 25
2.4 Sistema Mecánico-Motriz del Router CNC. ............................................. 26
Sistema de movimiento en dirección “X”.................................................... 27
Sistema de movimiento en dirección “Y”.................................................... 28
Sistema de movimiento en dirección “Z”. ................................................... 28
Sistema de sujeción para el PCB (mesa de maquinado). .......................... 29
IV

Montaje final de las estructuras. ................................................................ 30
2.4 Sistema Electrónico. ............................................................................... 31
Microcontrolador AVR ATMEGA644. ......................................................... 31
Controlador DRV8825. .............................................................................. 33
Driver de comunicación serial por RS232, MAX232N. ............................... 38
Capítulo 3. Construcción de la parte mecánica del Router CNC ...................... 42
3.1 Guías. ..................................................................................................... 42
3.2 Husillos. .................................................................................................. 43
3.3 Acopladores Flexibles ............................................................................. 44
3.4 Sujetadores de motor a pasos. ............................................................... 44
3.5 Tuercas................................................................................................... 45
3.6 Bujes. ..................................................................................................... 46
3.7 Barras de desplazamiento. ..................................................................... 46
3.8 Bases de unión de los ejes. .................................................................... 47
3.9 Estructura sujetadora del router. ............................................................. 48
3.10 Eje X e Y ensamblado. ......................................................................... 48
3.12 Eje Z ensamblado. ................................................................................ 49
3.13 Mesa de trabajo. ................................................................................... 50
3.14 Router CNC completo. .......................................................................... 51
Capítulo 4. Desarrollo del circuito electrónico .................................................. 53
4.1 Placa controladora. ................................................................................. 53
4.2 Fuente de voltaje. ................................................................................... 55
Capítulo 5. Características del software e interfaz. .......................................... 61
5.1 Software. ................................................................................................ 61
V

5.2 Interfaz. .................................................................................................. 65
Capítulo 6 Puesta a punto y pruebas. .............................................................. 68
6.1 Detección de errores en placa fenólica. .................................................. 68
6.2 Calibración y verificación en papel. ......................................................... 69
6.3 Resultados finales. ................................................................................. 70
CONCLUSIÓN ................................................................................................. 74
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 75
Anexo 1. Espesificaciones Router CNC .............................................................. ii
Alimentación .................................................................................................... ii
Área de Trabajo ............................................................................................... ii
Dimensiones ................................................................................................... iii
Accionamiento de los ejes .............................................................................. iii
Otros .............................................................................................................. iii
Especificaciones de motores de avance ......................................................... iv
Características eléctricas ................................................................................ iv
Especificaciones de motor de fresado ............................................................ iv
Características ............................................................................................ iv
Anexo 2. Manual de uso del Router CNC y cargar el código G ........................... v
Anexo 3. Librerías Modificadas .......................................................................... vi

Índice de figuras
Figura 1. Diagrama de control para un Motor a pasos. .................................... 23
Figura 2. Distribución del bobinado de un motor bipolar. ................................. 25
Figura 3. Secuencia de pulsos para un motor bipolar. ..................................... 26
Figura 4. Circuito de manejo para un motor bipolar. ........................................ 26
Figura 5. Eje X. ................................................................................................ 27
Figura6. Eje Y. ................................................................................................ 28
Figura 7. Eje Z. ................................................................................................ 29
Figura 8. Mesa de trabajo. ............................................................................... 30
Figura 9. Ensamblado. ..................................................................................... 30
Figura 10. Descripción de pines. ...................................................................... 33
Figura 11. Driver DRV8825. ............................................................................. 34
Figura 12. Esquema de conexión driver DRV8825. ......................................... 34
Figura 13. Diagrama esquemático DRV8825. .................................................. 37
Figura 14. Descripción de pines RS232. .......................................................... 39
Figura 15. Diagrama esquemático general del sistema. ................................... 40
Figura 16. Barras de acero coll rold. ................................................................ 42
Figura 17. Guías de los ejes. ........................................................................... 43
Figura 18. Husillo de cuerda acme ................................................................... 43
Figura 19. Acoplador flexible. ........................................................................... 44
Figura 20. Sujetadores de motor. ..................................................................... 45
Figura 21. Tuerca acme. .................................................................................. 45
Figura 22. Buje de cobre. ................................................................................. 46
VII

Figura 23. Barra de aluminio. ........................................................................... 47
Figura 24. Base de unión. ................................................................................ 47
Figura 25. Motor desbastador fijado. ................................................................ 48
Figura 26. Eje X ensamblado. .......................................................................... 48
Figura 27. Eje Y e Z ensamblado. .................................................................... 49
Figura 28. Eje Z. .............................................................................................. 49
Figura 29. Eje Z completo. ............................................................................... 50
Figura 30. Mesa de trabajo. ............................................................................. 51
Figura 31. Router CNC. ................................................................................... 51
Figura 32. Diseño de la placa PCB. ................................................................. 53
Figura 33. Diseño 3D. ...................................................................................... 54
Figura 34. Se observan los componentes en su lugar. ..................................... 54
Figura 35. Conectores multi usos 4 vías. ......................................................... 55
Figura 36. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM317. ......... 56
Figura 37. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM338. ......... 56
Figura 38. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM7805. ....... 56
Figura 39. Etapa de Rectificación. ................................................................... 57
Figura 40. Diagrama del PCB. ......................................................................... 57
Figura 41. PCB 3D vista superior. .................................................................... 58
Figura 42. Fuente Completa. ........................................................................... 59
Figura 43. Estructura de un bloque de código G. ............................................. 61
Figura 44. Ejemplo de un código G. ................................................................. 62
Figura 45. Diagrama básico de flujo de GRBL. ................................................ 64
Figura 46. Panel principal. ............................................................................... 65
VIII

Figura 47. Visualizador en tiempo real. ............................................................ 66
Figura 48. Simulación en Universal-G-Code-Sender........................................ 68
Figura 49. PCB Fresado. ................................................................................. 68
Figura 50. Inkscape palabra ESIME. ................................................................ 69
Figura 51. Simulación en Universal-G-Code-Sender ESIME. ........................... 69
Figura 52. Grabando. ....................................................................................... 70
Figura 53. Diseño de PCB en Coppercam. ...................................................... 70
Figura 54. Simulación. ..................................................................................... 71
Figura 55. Fresando el PCB. ............................................................................ 71
Figura 56. Resultados de la placa fenólica fresada con el Router CNC. .......... 72
Figura 57. Resultados de la placa fenólica fresada con el Router CNC. .......... 72

Índice de tablas

Tabla 1. Configuración. .................................................................................... 35

Capítulo 1

Capítulo 1. Introducción
El presente trabajo contiene el diseño, construcción e implementación de un
Router CNC especializado en la realización de PCB´s.
El Router o tupí es una herramienta eléctrica que se usa para fresar o agujerear
un área determinada de piezas duras como la madera o el plástico. Ampliamente
usada en carpintería, esta herramienta de mano debe su nombre a dos países
distintos, así como también lo son sus significados. Router viene del inglés, que
significa “enrutador” y tupí viene del francés “toupie” que significa “trompo”, pero
refiere a una máquina herramienta compuesta por una mesa con un sistema
rotativo con fresa para realizar perfiles en la madera. Con el paso del tiempo,
probablemente por fusión de términos, en el mundo de habla hispana se
denominó a esta herramienta como “Router”, aunque hay algunos países de
Latinoamérica que sólo la llaman “tupí” [1] [2].
El control numérico por computadora (CNC), es un sistema que permite controlar
en todo momento la posición de un elemento físico, normalmente una
herramienta que está montada en una máquina. Esto quiere decir que, mediante
un software y un conjunto de órdenes, controlaremos las coordenadas de
posición de un punto (la herramienta) respecto a un origen (0,0,0 de máquina), o
sea, una especie de GPS, pero aplicado a la mecanización, y muchísimo más
preciso.
Así pues, el CNC controla todos los movimientos de la herramienta cuando
estamos fabricando, y no solo controla las coordenadas que hemos visto, sino
también, la manera de desplazarse entre ellas, su velocidad, y algunos
parámetros más. Un CNC es un equipo totalmente integrado dentro de máquinas-
herramienta de todo tipo, de mecanizado, de corte, por láser, cortadoras, etc. [3]
[4].
La pregunta lógica ¿para qué sirve el CNC? Pues como hemos dicho, nos permite
controlar en todo momento cuales son los movimientos de una herramienta, así
http://www.demaquinasyherramientas.com/category/herramientas-electricas-y-accesorios
http://www.demaquinasyherramientas.com/category/herramientas-manuales
12

que nos servirá para obtener piezas con determinadas medidas, para crear
programas que nos repitan con gran precisión piezas iguales [1].
Un Router CNC es una herramienta muy útil que sirve para cortary grabar una
gran variedad de materiales blandos como lo son: acrílico, MDF, aluminio, latón,
bronce, lámina de acero, etc. El alcance que tiene un Router CNC es muy amplio
ya que tiene un abanico de muchas posibilidades de trabajo como lo son:
artesanías, publicidad, manufactura de muebles, manufactura de metales,
hobbies, entre otros.
El trabajar con un Router CNC es muy apasionante, porque estimula la
creatividad ya que lo que imaginas en tu mente lo puedes crear en un router CNC.
Se puede decir que un router CNC es una impresora que imprime en tres
dimensiones, porque tenemos largo, ancho y profundidad. De la misma forma en
que una impresora se coloca una hoja para imprimir en dos dimensiones, lo
mismo ocurre en un router CNC ya que se coloca la hoja de material para
proceder a grabar en tres dimensiones tus ideas.
En la industria, este es un método que se utiliza para realizar prototipos de la
mayoría de los productos que puedas ver en el mercado como lo son: celulares,
televisiones, automóviles, lanchas, muebles, y todo lo que puedas ver alrededor
en tu vida diaria.
Los router CNC, pueden ser muy útiles en la realización de trabajos idénticos y
repetitivos. Un router CNC, suele producir un trabajo consistente y de alta calidad
y mejora la productividad de la fábrica.
Puede reducir los residuos, la frecuencia de errores, y el tiempo que el producto
acabado tarda en llegar al mercado [1] [2] [5].
1.1 Planteamiento.
En décadas pasadas la realización de placas de circuito impreso que se
elaboraban en instituciones universitarias, así como, en la industria de las
pequeñas empresas se valía de métodos que, hoy en día, son considerados
13

ineficientes y contaminantes, como lo era anteriormente el método por serigrafía,
particularmente hablando en la industria y el del planchado en centros de estudio.
actualmente en la gran mayoría de los centros de estudio de diferentes países,
así como en la industria local, utilizan métodos de grabado más precisos, capaces
de ofrecer mejores resultados, por ejemplo, disminución del tiempo y producción
a escalas mayores etcétera.
Es por esto que en la actualidad no se puede permitir que en centros
universitarios se sigan elaborando con esos viejos esquemas, pues es más una
desventaja que algo funcional, para ello, hemos de llevar a cabo la construcción
de un Router CNC que sea capaz de permitir igualar las capacidades de nuestros
institutos, y el de las pequeñas y medianas empresas con los requerimientos que
se exigen al día de hoy, para la presentación de prototipos o proyectos, tanto de
marco estudiantil como industrial.
1.2 Objetivos
Objetivo general: Diseñar y construir un Router CNC que elabore PCB`s y
diversas aplicaciones.
Objetivos particulares:
 Diseñar y fabricar los sistemas de desplazamiento lineal para cada uno de
los ejes (X, Y, Z).
 Fabricar una mesa para la estructura principal del Router CNC.
 Seleccionar los drivers y el microcontrolador para el control del Router
CNC.
 Adaptar y programar el software de GRBL al microcontrolador.
 Crear y fabricar el circuito de control.
 Desarrollar una fuente de alimentación para los motores a pasos.
14

1.3 Justificación.
La aportación de este proyecto a nivel académico radica, en que, el alumnado y
docentes de esta institución académica puedan realizar sus proyectos de una
manera más eficiente, semiprofesional, novedosa y menos riesgosa.
Además de que este prototipo puede ser retomado para futuras modificaciones,
como lo son, sistemas de limpieza de viruta, sistemas de refrigeración, cambio
automático de herramienta e incluso anexión de nuevos ejes.
A nivel social contribuye al desarrollo de nuevos prototipos, así mismo su
variedad de aplicaciones en la industria, como es la elaboración de piezas
pequeñas de aluminio previamente diseñadas en cualquier programa CAD,
elaboración de piezas en madera, plásticos, etc., lo cual representa un gran
impulso en una diversidad de sectores, ya que permitirá el rápido crecimiento de
las pequeñas y medianas empresas debido a la variedad de aplicaciones que
permitirán implementar estas, los bajos costos de producción que ello significa,
además de la mejora de tiempos en la producción y por supuesto la rápida
amortización de la inversión requerida para la adquisición del Router CNC, es
decir, si ponemos como ejemplo la industria, en específico del sector de la
pequeña y mediana empresa, el Router CNC puede desempeñar trabajos como
tallados en relieve, corte de piezas para muebles, accesorios decorativos de
madera, y todos únicamente delimitados por la imaginación del cliente y de la
habilidad del diseñador en cualquier programa de diseño en CAD.
Teniendo en cuenta que, si se utilizara para producir piezas, el Router CNC es
capaz de funcionar continuamente durante largos periodos de tiempo, además
de que no existe ningún problema en que repita la producción de una pieza, es
decir, que permita la producción en serie de un determinado número de piezas y
que son determinadas por quien haga uso de ella.
En la actualidad existen muy pocas empresas mexicanas dedicadas a este tipo
de herramientas (Router CNC), por lo tanto, adquirir refacciones y darles un
correcto mantenimiento resulta complicado y costoso, esto se debe a que las
15

pocas empresas que cuentan con tales servicios no se encuentran en la capital;
esta situación termina generando un costo extra de envío para quienes requieren
de alguna de estas prestaciones. Hoy en día se pueden encontrar en el mercado
varias opciones a un precio competitivo, por ejemplo, las maquinas hechas en
China. Sin embargo, éstas presentan el mismo problema para poder adquirir las
refacciones, lo que, a largo plazo, se termina convirtiendo en una inversión
costosa. Es por eso, que desde nuestra perspectiva este proyecto cobra un rol
protagónico en el ámbito académico e industrial, ya que a diferencia de otros
Router’s el nuestro fue fabricado casi en su totalidad con piezas hechas por
nosotros, lo que podría interpretarse como una importante reducción de los
costos totales, además de eso, se logró facilitar el acceso a las refacciones y
agilizar el proceso de mantenimiento.
Por otro lado, es importante decir que este prototipo puede destacar en la
industria ya que podría representar un gran avance para los distintos sectores
que dependen de una herramienta así ya sea de manera directa o indirecta. En
otras palabras, el crecimiento de las pequeñas y medianas empresas se vería
beneficiado debido a la gran variedad de aplicaciones que se desprenden de esta
herramienta, es decir, si este artefacto se utilizará para producir piezas de manera
continua no tendría ningún problema para funcionar durante largos periodos de
tiempo, por lo que , no existiría ningún problema a la hora de repetir el proceso
de elaboración de una pieza, en conclusión, la producción en serie de un
determinado número de piezas estaría asegurada con esta novedosa aplicación.
Cabe destacar que, en la elaboración de placas de circuito, la eliminación de
sustancias como lo son el cloruro férrico y la acetona, evita que surjan
emanaciones de gases, además de que no requiere del uso de luces especiales
como lo serían los hornos de rayos UV, que los procesos de grabado por
serigrafía exigen.

Entre sus grandes beneficios y ventajas tenemos:
 Capacidad de producir en serie
 Gran precisión en los detalles
 Creación de tallados (relieves)
 Corte de piezas (que pueden incluir relieves en ellas)
 Reducción de tiempos
 Reducción de costos en la producción
 Implementación de cualquier diseño (CAD)

Capítulo 2

Capítulo 2. Marco teórico
2.1 Origen y características.
El CNC (Control Numérico Computarizado) tuvo su origen a principiosde los años
cincuenta en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en donde se
automatizó por primera vez una gran fresadora. Hoy día las computadoras son
cada vez más económicas, con lo que el uso del CNC se ha extendido a todo tipo
de maquinaria: tornos, rectificadoras, eletroerosionadoras, máquinas de coser,
etc.
Las ventajas son:
 Seguridad.
 Precisión.
 Reducción de deshechos.
 Aumento de productividad.
El Router CNC funciona como una máquina de fresado equipada con motores en
cada uno de sus ejes que son controlados por una computadora mediante
un CNC. Es un proceso de desbaste mediante una broca que gira para cortar el
material y darle forma a la pieza.
Ésta es una máquina de corte o grabado, que trabaja con una herramienta de
fresado o broca que puede tallar con precisión y exactitud los materiales en tres
o más dimensiones a la vez. Gracias al respaldo y manejo del cabezal por
computadora, el Router CNC, puede no sólo trabajar piezas de madera o
plásticos, sino que puede producir piezas complejas de artesanía fina, así como
suministros ortopédicos altamente valorados.
El Router CNC sigue las líneas de los vectores. Dado que cada broca tiene un
diámetro diferente, se debe especificar cómo desea que la máquina interprete
sus vectores [1] [2] [5].
Hay cuatro opciones: corte del interior, del exterior, sobre el vector y corte del
relleno.
19

 Corte del interior: el borde de la broca tocará el borde de una vector
cerrado desde el interior.
 Corte del exterior: el borde de la broca tocará el borde de una vector
cerrado desde el exterior.
 Corte sobre el vector: el centro de la broca sigue el vector.
 Corte del relleno: la broca devastará por completo el interior de una
forma cerrada.
Dado que el Router CNC tiene un eje Z, se puede especificar la profundidad
que desea cortar, devastar o grabar sobre el material.
El Router CNC también puede fresar modelos de tres dimensiones. Para que
esto suceda, el archivo de 3D se debe ejecutar a través del software que lo
convierte en un conjunto de instrucciones para el corte. Esto lo hace mediante
el análisis de la topología del modelo y la proyección de una rejilla sobre el
mismo. Al cortar, la broca sigue estas líneas de la cuadrícula (la distancia entre
las líneas de división se puede controlar, pero se basa principalmente en el
ancho de la punta de la misma broca).
Es importante tener en cuenta que la broca sólo es capaz de moverse arriba y
abajo y derecha e izquierda, no gira. Esto significa que no es posible socavar [6].
Códigos de funcionamiento.
La programación nativa de la mayoría de las máquinas de Control Numérico
Computarizado se efectúa mediante un lenguaje de bajo nivel llamado G & M.
Se trata de un lenguaje de programación vectorial mediante el que se describen
acciones simples y entidades geométricas sencillas (básicamente segmentos de
recta y arcos de circunferencia) junto con sus parámetros de maquinado
(velocidades de husillo y de avance de herramienta).
El nombre G & M viene del hecho de que el programa está constituido por
instrucciones Generales y Misceláneas.
20

Si bien en el mundo existen aún diferentes dialectos de programación con
códigos G&M, se dio un gran paso adelante a través de la estandarización que
promovió la ISO.
Esta estandarización fue adoptada por la totalidad de los fabricantes industriales
serios de CNC y permite utilizar los mismos programas en distintas máquinas
CNC de manera directa o con adaptaciones menores.
A pesar de tratarse de un lenguaje de programación muy rudimentario para los
gustos actuales, lo robusto de su comportamiento y los millones de líneas de
programación que hacen funcionar máquinas de CNC en todas las latitudes del
planeta aseguran su vigencia en los años por venir [1] [7] [4].
Códigos Generales
G00: Posicionamiento rápido (sin maquinar)
G01: Interpolación lineal (maquinando)
G02: Interpolación circular (horaria)
G03: Interpolación circular (anti-horaria)
G04: Compás de espera
G15: Programación en coordenadas polares
G20: Comienzo de uso de unidades imperiales (pulgadas)
G21: Comienzo de uso de unidades métricas
G28: Volver al home de la máquina
G40: Cancelar compensación de radio de curvatura de herramienta
G41: Compensación de radio de herramienta a la izquierda
G42: Compensación de radio de herramienta a la derecha
G50: Cambio de escala
G68: Rotación de coordenadas
G73: Ciclos encajonados
G74: Perforado con ciclo de giro anti-horario para descargar virutas
G76: Alesado fino
21

G80: Cancelar ciclo encajonado
G81: Taladrado
G82: Taladrado con giro anti-horario
G83: Taladrado profundo con ciclos de retracción para retiro de viruta
G90: Coordenadas absolutas
G91: Coordenadas relativas
G92: Desplazamiento del área de trabajo
G94: Velocidad de corte expresada en avance por minuto
G95: Velocidad de corte expresada en avance por revolución
G98: Retorno al nivel inicial
G99: Retorno al nivel R
G107: Programación del 4° eje
Códigos Misceláneos
M00: Parada
M01: Parada opcional
M02: Reset del programa
M03: Hacer girar el husillo en sentido horario
M04: Hacer girar el husillo en sentido anti-horario
M05: Frenar el husillo
M06: Cambiar de herramienta
M08: Abrir el paso del refrigerante
M09: Cerrar el paso de los refrigerantes
M10: Abrir mordazas
M11: Cerrar mordazas
M13: Hacer girar el husillo en sentido horario y abrir el paso de refrigerante
M14: Hacer girar el husillo en sentido anti-horario y abrir el paso de refrigerante
M30: Finalizar programa y poner el puntero de ejecución en su inicio
M38: Abrir la guarda
M39: Cerrar la guarda
22

M62: Activar salida auxiliar 1
M67: Esperar hasta que la entrada 2 esté en ON
M71: Activar el espejo en Y
M80: Desactivar el espejo en X
M81: Desactivar el espejo en Y
M98: Llamada a subprograma
M99: Retorno de subprograma
2.2 Sistema Eléctrico.
Control por lazo cerrado.
El control de automatismo se basa en el uso de unos dispositivos que analizan
un conjunto de señales de entrada dando, en función de una lógica o aritmética
preestablecida, una señal de salida. El número de entradas y salidas puede variar
complicando el proceso. Las señales a procesar pueden ser digitales o
analógicas [16].
Un proceso básico de señales digitales (bits) consta de dos entradas y una salida
(esta configuración recibe el nombre de "puerta"), y conjunto de operaciones
(generalmente basadas en la lógica) resultado de aplicar diferentes "tablas de
verdad" que presentan todas las combinaciones posibles [16].
Independientemente de los componentes que incorpore el sistema CNC y de las
relaciones que se establezcan entre unos y otros, siempre aparece un conjunto
de dispositivos electrónicos esenciales para cualquier configuración como los
comparadores digitales básicos y los circuitos de control [16].
Descripción:
• El computador del sistema CNC calcula la distancia que debe desplazarse
la mesa y transmite dicha información en código binario al comparador,
que la recibe como una de sus señales de entradas.
• El comparador genera una señal de salida para el motor que actúa sobre
el sistema de transmisión que genera el desplazamiento (a incrementos)
del eje afectado.
23

• Cualquier cambio de la posición genera una señal en el sistema de
medición que informa sobre la situación actual constantemente. Esta señal
es enviada al comparador.
• Este dispositivo analiza esta segunda señal de entrada con la que recibe
del computador de control. Si el resultado de la comparación es negativo
se genera otra nueva señal de desplazamiento incremental y el motor
continúa rotando. Tan pronto como se igualan, se genera una señal de
parada del motor.
• Esta última acción permite la lectura de una nueva instrucción.
Controlpor lazo abierto.
Por otro lado, los motores a pasos presentan la propiedad de convertir fácilmente
sus pulsos de control, a pasos (rotativos) predeterminados muy precisos.
Generalmente el giro completo de su eje se asocia a un número exacto de
pulsos/pasos [16].
El uso de estos motores para el posicionado de ejes mediante sinfines supone
una simplificación tanto en el sistema de control, como en el método empleado
para el cálculo de las distancias, pues al sistema ahora es un lazo abierto que
puede representarse como muestra la Figura 1 [16].

Figura 1. Diagrama de control para un Motor a pasos.

Motores a pasos
Los motores a pasos se pueden ver como motores eléctricos sin escobillas. Es
típico que todos los bobinados del motor sean parte del estator, y el rotor puede
ser un imán permanente o, en el caso de los motores de reluctancia variable, un
cilindro sólido con un mecanizado en forma de dientes (similar a un engranaje),
construido con un material magnéticamente "blando" (como el hierro dulce).
La conmutación se debe manejar de manera externa con un controlador
electrónico y, típicamente, los motores y sus controladores se diseñan de manera
que el motor se pueda mantener en una posición fija y también para que se lo
pueda hacer girar en un sentido y en el otro.
La mayoría de los motores a pasos conocidos se pueden hacer avanzar a
frecuencias de audio, lo que les permite girar muy velozmente. Con un
controlador apropiado, se los puede hacer arrancar y detenerse en un instante
en posiciones controladas [8] [9].
Grados por paso
Generalmente, este es el factor más importante al elegir un motor paso a paso
para un uso determinado. Este factor define la cantidad de grados que rotará el
eje para cada paso completo. Una operación de medio-paso o semi-paso (half
step) del motor duplicará la cantidad de pasos por revolución al reducir la cantidad
de grados por paso. Cuando el valor de grados por paso no está indicado en el
motor, es posible contar a mano la cantidad de pasos por vuelta, haciendo girar
el motor y sintiendo por el tacto cada "diente" magnético. Los grados por paso se
calculan dividiendo 360 (una vuelta completa) por la cantidad de pasos que se
contaron. Las cantidades más comunes de grados por paso son: 0,72°, 1,8°, 3,6°,
7,5°, 15° y hasta 90°. A este valor de grados por paso usualmente se le llama la
resolución del motor. En el caso de que un motor no indique los grados por paso
en su carcasa, pero sí la cantidad de pasos por revolución, al dividir 360 por ese
25

valor se obtiene la cantidad de grados por paso. Un motor de 200 pasos por
vuelta, por ejemplo, tendrá una resolución de 1,8° por paso [8] [9].
Motores a pasos bipolares
Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia más
complejos. Pero en la actualidad esto no es problema, ya que estos circuitos se
suelen implementar en un integrado, que soluciona esta complejidad en un solo
componente. Como mucho se deben agregar algunos componentes de potencia,
como transistores y diodos para las contracorrientes, aunque esto no es
necesario en motores pequeños y medianos.
Como no tienen el doble bobinado de los unipolares (recordemos que en éstos
todo el tiempo se está utilizando sólo una de las bobinas duplicadas, mientras la
otra queda desactivada y sin ninguna utilidad), los motores bipolares ofrecen una
mejor relación entre torque y tamaño/peso [10] [9].

Figura 2. Distribución del bobinado de un motor bipolar. Fuente: © 2007, 2015
Robots Argentina.
La configuración de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban
corriente en uno y otro sentido, y no solamente un encendido-apagado como en
los unipolares. Esto hace necesario el uso de un Puente H (un circuito compuesto
por al menos seis transistores) sobre cada uno de los bobinados [10].
http://robots-argentina.com.ar/MotorCC_PuenteH.htm
26

Figura 3. Secuencia de pulsos para un motor bipolar. Fuente: © 2007, 2015
Robots Argentina.
El que sigue es un circuito de ejemplo para el manejo de una de las bobinas (se
necesita otro igual para manejar un motor completo) [5].

Figura 4. Circuito de manejo para un motor bipolar. Fuente: © 2007, 2015 Robots
Argentina.
2.4 Sistema Mecánico-Motriz del Router CNC.
A continuación, se describe el diseño de cada una de las piezas y estructuras
que conforman los sistemas del Router CNC.
El Router CNC fue dividido en tres sistemas fundamentales, los cuales
desarrollan las funciones principales.
En primer lugar, se tiene el sistema de movimiento de direcciones, este sistema
proporciona el movimiento en los tres ejes coordenados x, y, z. El segundo
sistema es el que permite nivelar y sujetar el PCB evitando el movimiento de este
al entrar en contacto con la herramienta de corte. Y por último el sistema con el
que se sujeta la máquina de corte.
27

El primer sistema es el que permite un traslado preciso de la herramienta de
corte, está constituido por dos partes fundamentales, deslizamiento que se
compone de dos barras de acero cold roll cuyas medidas son de 32cm sobre las
cuales se deslizan dos bujes de bronce las medidas son 5 cm de largo por 1.8 de
radio. Para que estas se puedan desplazar requieren del sistema de movimiento
el cual está compuesto por un usillo de longitud 35 cm con cuerda acme (29 º) y
una tuerca. Este tipo de cuerda proporciona un preciso y libre recorrido de la
barra, ya que está especialmente diseñada para desplazar objetos de una forma
sencilla además posibilita que el movimiento lineal pueda ser transmitido por un
motor rotativo [2] [5].
Sistema de movimiento en dirección “X”.
El movimiento en dirección X, implica el uso de un sistema de desplazamiento en
conjunto con un sistema de movimiento que permiten realizar la tarea de trasladar
la barra que contiene el Router. El primer sistema funciona a través de unas guías
sobre las cuales descansan y se desplazan los bujes que contiene la barra.
El segundo sistema funciona con dos piezas: el usillo y la tuerca, el primero está
directamente sujetado a un motor a pasos por medio de un acoplador flexible que
elimina cualquier variación que tenga el usillo con respecto al eje del motor y este
funciona sujetada a la barra, así mismo esta barra contiene una tuerca con cuerda
acmé que realizara la tarea de desplazamiento mediante el rodamiento del usillo
[2] [5].

Figura 5. Eje X.
28

Sistema de movimiento en dirección “Y”.
El movimiento del Router en dirección “Y” proporcionan un desplazamiento a lo
largo de los ejes horizontales. Para poder realizar la tarea de deslizamiento, los
sistemas que se seleccionaron fueron las mismas que en el eje “X”.
En este sistema de deslizamiento las guías por las que se desliza la barra están
fijadas a dos perfiles de aluminio de la mesa de corte, estas barras cumplirán la
tarea de unir a los 2 sistemas de deslizamiento. El sistema de guías deslizables
también tiene la función de ayudar a sostener el carro que contiene a los sistemas
de movimiento en “X” y en “Z” [2] [5].

Figura 6. Eje Y.

Sistema de movimiento en dirección “Z”.
El sistema de movimiento en dirección “Z” se encuentra ensamblado
directamente al Router manual, este le proporciona un desplazamiento vertical y
es el responsable de llevar a cabo la profundidad de corte en la pieza de trabajo,
sin embargo, este sistema no cambia demasiado a comparación de los sistemas
29

anteriores, ya que el principio de funcionamiento es prácticamente el mismo. El
sistema de movimiento en “Z” se une con el sistema de movimiento en “X” por
medio de la placa de aluminio conocida como placas de soporte, la cual como ya
se mencionó anteriormente une a todos los componentes del sistema de dicha
dirección. Estas placas se encuentran atornilladas con tornillos de tipo allen en
los extremos inferior ysuperior [2] [5].

Figura 7. Eje Z.
Sistema de sujeción para el PCB (mesa de maquinado).
El diseño de este sistema tiene como finalidad fijar el PCB para poder maquinarlo
y también fungir como mesa de la máquina, ayudando a nivelar y tener estabilidad
a la hora del fresado del PCB [2] [5].
La mesa está construida de aluminio con un área de 23 cm x 27 cm, teniendo en
los extremos dos placas de aluminio sujetados con tornillos allen, estos tornillos
sirven para nivelar la mesa de trabajo y así mismo fijar las dos barras con las que
se sujeta el PCB. En la Figura 7 se presenta el sistema completo y cada una de
las partes que la componen.
30

Figura 8. Mesa de trabajo.
Montaje final de las estructuras.
A continuación, se presenta una imagen del Router con todas sus partes que lo
componen [5].

Figura 9. Ensamblado.
31

2.4 Sistema Electrónico.
A continuación, trataremos las características de los componentes principales
para este proyecto, los cuales son en orden de importancia: el microcontrolador
a usar, el driver que se usara para el control de los motores y finalmente la
comunicación.
Microcontrolador AVR ATMEGA644.
Características
 De alto rendimiento, de baja potencia Atmel® AVR® 8 bits
Microcontrolador
 Arquitectura Avanzada RISC
 131 Instrucciones de gran alcance - Más de un Ciclo de Ejecución en
reloj
 32 × 8 Registros de Trabajo de Uso General
 Funcionamiento totalmente estático
 Hasta 20 MIPS de Rendimiento a 20MHz
 Segmentos de memoria de alta resistencia no volátiles
 64 Kbytes de memoria de programa flash En-Sistema Auto-
programable
 2 Kbytes EEPROM
 4 Kbytes de SRAM interna
 Ciclos de escritura / borrado: 10.000 Flash / EEPROM 100 000
 Retención de datos: 20 años a 85 °C / 100 años a 25 °C
 Sección del Código opcional de arranque con Bits Lock Independientes
 En el Sistema de Programación por el Programa de arranque en el chip
 La verdadera operación de lectura-mientras-escribe
 Bloqueo de programación de software de seguridad
 JTAG Interfaz (IEEE std. 1.149,1 RoHS)
 Capacidades de Límites de escaneo De acuerdo con la Norma JTAG
32

 Amplio Soporte de depuración en-chip
 Programación de Flash, EEPROM, Fusibles y Lock Bits través de la
interfaz JTAG
 Características de los periféricos
 Dos de 8 bits con temporizador / Contadores con pre-escaladores
separados y Modos de comparación
 Uno de 16 bits con Temporizador / Contador con de divisor
independiente, Modo de Comparación y Captura
 Modo
 Contador en Tiempo Real con Oscilador independiente
 Seis Canales PWM
 8 canales, 10-bit ADC
 Modo diferencial con ganancia seleccionable a 1x, 10x o 200x
 Interfaz serial de dos hilos y orientación en Byte
 Un serial USART programable
 Master / Slave SPI interfaz serial
 Programable Watchdog-Timer con Oscilador Independiente en el chip
 Comparador analógico en el chip
 Interrupción y Wake-up en Cambio de Pin
 Prestaciones del microcontrolador
 Power-on Reset y Detección programable de Brown-out
 Calibración interna con Oscilador RC
 Fuentes internas y externo de interrupción
 Seis modos de espera: Inactividad, Reducción de ruido en ADC, ahorro
de energía, baja energía, en espera y extensión de espera
 E / S y Empaquetados
 32 líneas de E / S
 PDIP de 40 pines, 44-TQFP plomo, y el 44-pad QFN / FML
 Grados de velocidad
 ATmega644V: 0 - 4 MHz @ 1.8V - 5.5V, 0 - 10 MHz @ 2.7V - 5.5V
33

 ATmega644: 0 - 10 MHz @ 2.7V - 5.5V, 0 - 20 MHz @ 4.5V - 5.5V
 Consumo de energía en 1 MHz, 3V, 25 °C
 Activo: 240μA @ 1.8V, 1MHz
 Modo baja energía: 0.1μA @ 1.8V

Figura 10. Descripción de pines. Fuente: © 2015 Atmel.
Controlador DRV8825.
Información general
Este controlador para motores a pasos permite controlar de un motor bipolar de
hasta 2,2 A de corriente de salida por bobina [11].
Estas son algunas de las características del controlador
Paso simple con la interfaz de control de dirección
Seis resoluciones de paso diferentes: paso completo, 1/2 paso, 1/4 de paso, 1/8
de paso, 1/16 de paso, y 1/32 de paso.
Control de corriente ajustable que permite ajustar la salida de corriente máxima
con un potenciómetro, que permite utilizar tensiones superiores a la tensión
nominal del motor a pasos para lograr mayores tasas de paso.
34

Tensión de alimentación 45 Volts como máximo. Se puede interactuar
directamente con 3,3 V y 5 V de alimentación utilizando el controlador [11].

Figura 11. Driver DRV8825 [11].

Figura 12. Esquema de conexión driver DRV8825 [11].

https://www.pololu.com/picture/view/0J4121
35

Conexiones de alimentación
El conductor requiere una tensión de alimentación del motor de 8,2 a 45 V para
ser conectado a través VMOT y GND.
Este suministro debe tener condensadores de desacoplamiento adecuados cerca
de la placa, y debe ser capaz de suministrar la corriente del motor a pasos
esperado [11].
Tamaño de pasos (micro-paso)
Los motores a pasos suelen tener una especificación de tamaño de paso (por
ejemplo, 1,8 ° o 200 pasos por revolución), que se aplica a pasos completos. Un
driver como el DRV8825 permite resoluciones más altas, al permitir pasos
intermedios, que se consiguen por la activación de las bobinas con los actuales
niveles intermedios. Por ejemplo, el driver en el modo de un 1/4 de paso dará a
el motor de 200 paso por revolución, unos 800 micro-pasos por revolución
mediante el uso de cuatro niveles de corriente diferentes [11].
La resolución (tamaño de paso) de las entradas selectoras (MODO0, MODE1 y
MODE2) permite la selección de las seis resoluciones de paso de acuerdo a la
siguiente tabla [11].

Tabla 1. Configuración [11].
36

Las entradas de control
Cada impulso a la entrada corresponde a uno micro-paso del motor a pasos en
la dirección seleccionada por el pasador DIR. Estas entradas son de forma
predeterminada configuradas en estado bajo con resistencias internas de 100kΩ.
El chip tiene tres entradas diferentes para controlar sus estados de
energía: de RESET, SLEEP y ENBL (todas negadas). Tenga en cuenta que
el pin SLEEP se encuentra en estado bajo de forma predeterminada a través de
una resistencia de pull-down (1MΩ), y los pines de RESET y ENBL están de
forma predeterminada en estado bajo a través de resistencias internas de pull-
down (100kΩ). Esto significa que el RESET y SLEEP impiden que el driver opere
si se deja desconectado. Ambos pasadores deben ser puestos en estado alto
para permitir que el driver este habilitado (que se puede conectar directamente a
un voltaje "alto" lógico entre 2,2 y 5,25 V, o pueden ser controlados de forma
dinámica a través de conexiones a las salidas digitales de un MCU). El estado
predeterminado del pin ENBL es habilitar al driver, por lo que este pin se puede
dejar desconectado [11].
Limitación de corriente
Para lograr altas tasas de paso, la alimentación del motor es típicamente mucho
más alta de lo que sería permisible sin corriente activa limitante. Por ejemplo, un
motor a pasos típico podría tener una corriente nominal máxima de 1 A con una
resistencia de la bobina 5Ω, lo que indicaría un suministro máximo del motor de
5 V. El uso de un motor de este tipo con 12 V permitiría mayores tasas de paso,
pero la corriente activa debe limitarse a menos de 1A para evitar daños en el
motor.
El DRV8825 activa el soporte de dicha corriente limitante y el potenciómetro de
ajuste en el tablero se pueden utilizar para fijar el límite de corriente. Una forma
de establecer el límite actual es poner el controlador en modo de paso completo
y para medir el funcionamiento de la corriente a través de una única bobina del
motor y sin sincronizar la entrada STEP. La corriente medida será 0,7 veces el
37

límite de corriente (ya que ambas bobinas están siempre activas ylimitando a
aproximadamente el 70% del ajuste de límite de corriente en el modo de paso
completo).
Otra forma de establecer el límite actual es de medir el voltaje en el pin "ref" y
para calcular el límite de corriente resultante (las resistencias de los sentidos
actuales son 0.100Ω). La tensión del pin ref es accesible en una vía que está
envuelta en la serigrafía en la parte inferior de la placa de circuito. El límite de
corriente se refiere a la tensión de referencia como sigue:
Límite de corriente = VREF × 2
Así, por ejemplo, si usted tiene un motor a pasos nominal de 1A, se puede
establecer el límite de corriente de 1A ajustando la tensión de referencia a 0,5V
[11].
Consideraciones de disipación de energía
El driver DRV8825 IC tiene una corriente nominal máxima de 2,5 A por bobina,
pero las resistencias de los sentidos actuales limitan más la corriente máxima a
2,2 A, y la corriente real que puede ofrecer depende de qué tan bien puede
mantener fresco el IC. La placa de circuito impreso de la compañía está diseñada
para extraer calor de la IC, pero para abastecer a más de aproximadamente 1,5A
por bobina, se requiere un disipador de calor u otro método de enfriamiento [11].

Figura 13. Diagrama esquemático DRV8825 [11].
38

Driver de comunicación serial por RS232, MAX232N.
Descripción
El dispositivo MAX232 es un controlador / receptor dual que 1 • Cumple o excede
la norma TIA / EIA-232-F y la UIT
Recomendación V.28 incluye un generador de tensión capacitivo para suministrar
niveles de tensión TIA / EIA-232-F de un solo 5-V
 Funciona desde un único 5-V fuente de alimentación con la oferta. Cada
receptor convierte insumos TIA / EIA-232-F, Condensadores 1.0-mF
Charge-bomba a niveles TTL / CMOS 5-V.
 Opera hasta 120 kbit / s umbral típico de 1,3 V, una histéresis típica de 0,5
 Dos controladores y dos receptores V, y puede aceptar ± entradas 30-V.
Cada conversor conductor con niveles de entrada de TTL / CMOS en
niveles TIA / EIA-232-F.
Características
 Iguala o excede la norma TIA/EIA-232-F y ITU Recomendada en la V.28
 Opera con una alimentación de 5V con capacitores de carga de 1.0-μF.
 Opera hasta los 120kbit/s
 Dos controladores y dos receptores
 Niveles de entrada de ±30V.
 Bajo consumo: típicamente 8mA
 ESD Protection Exceeds JESD 22

Descripción de pines

Figura 15. Diagrama esquemático general del sistema. Autoría propia.

Capítulo 3

Capítulo 3. Construcción de la parte mecánica del Router CNC
A continuación, se describe la construcción y características principales de cada
una de las piezas que conforman el Router CNC, así como su ensamblaje de
estas.
3.1 Guías.
Las primeras piezas que se construyeron fueron las guías, ya que estas son las
que determinan las dimensiones del Router CNC, el material con el que se
decidió hacer estos fue con acero cold roll que se muestra en la Figura 16, por
su fácil manejo en el torno y su bajo costo.

Figura 16. Barras de acero cold roll. Fuente: © 2015 Discount Steel.
Una vez elegida las medidas para las guías del eje x, y, z que son de ½ pulgada
de diámetro por 32 cm de largo, se procede a cortar con segueta y desbastar con
el torno para dar la forma adecuada y que estos no tengan variación de ningún
tipo.
Por último, se debe desbastar más en los extremos de cada guía para proceder
a hacer las cuerdas que permitirán la sujeción a toda la estructura de los ejes,
estas se hacen con el mismo torno con una medida de ¼ de pulgada y una cuerda
estándar de 18 hilos por pulgada.
43

El número de guías totales que se hicieron son tres pares, usando un par para
cada eje. Dando como resultado final las piezas terminadas que se muestran en
la Figura 17.

Figura 17. Guías de los ejes.
3.2 Husillos.
Las segundas piezas que se construyeron fueron lo husillos mostrados en la
Figura 18, para hacerlos se hizo el mismo proceso de corte y desbaste que las
guías. Ya una vez teniendo ese terminado se situó en el torno para hacer la
cuerda acme de 29 grados a lo largo de esta. Se dieron varios desbastes con el
buril para dar la profundidad deseada de la cuerda acme.

Figura 18. Husillo de cuerda acme.
44

3.3 Acopladores Flexibles
Los acopladores flexibles se hicieron de aluminio, se le dio una forma de cilindro
utilizando el torno y en un extremo se barreno a la medida del eje del motor a
pasos (1/8) y del otro extremo a 1/4. Los extremos del usillo y del eje del motor
están sujetados gracias a un opresor. Una vez teniendo los barrenos hechos, con
el torno se marcó una espiral en el cilindro y se fue cortando con una segueta
para así dar forma a los pliegues que permitirán dar la flexibilidad al acoplador
(Figura 19)

Figura 19. Acoplador flexible.
3.4 Sujetadores de motor a pasos.
Para sujetar los motores a la estructura del Router se tornearon unos cilindros
con un barreno interno para pasar por ese un tornillo y así ser fijado a la distancia
que requiere el acoplador para girar sin obstrucción de ningún objeto.
45

Figura 20. Sujetadores de motor.
3.5 Tuercas.
Las tuercas se hicieron de cold roll con cuerda acme de 29 grados a 10 hilos por
pulgada, para hacer esta cuerda en el torno primero se hizo un barreno con el
taladro de banco para tener la medida exacta y así embonara con el husillo. Una
vez teniendo el barreno se tuvo que hacer una herramienta especial (Figura 21),
que permitiera sujetar el buril para que esta se pudiera introducir dentro del
barreno del cilindro y así desbastar internamente para ir dando forma a la cuerda,
una vez teniendo la cuerda interna se desbasto externamente para dar la medida
deseada.

Figura 21. Tuerca acme.
46

3.6 Bujes.
Los bujes se hicieron de bronce por sus características y lento desgaste que este
material brinda, para ello la materia prima se situó en el torno y se hicieron los
centros usando el contrapunto del mismo torno y una broca de centros. Esto para
que desbaste de una manera lineal, una vez desbastado la pieza a la medida
externa deseada, se utilizó la misma herramienta para hacer cuerdas internas
pero esta vez solo para desbastar y dar el acabado y las medidas requeridas a
los bujes.

Figura 22. Buje de cobre.
3.7 Barras de desplazamiento.
Las piezas que se encargarán de hacer el recorrido en las guías serán unas
barras rectangulares de aluminio. Con el taladro de banco a estas se le hicieron
tres barrenos en sus laterales (Figura 23) dos de ½ pulgada a los extremos y uno
de ¾ de pulgada en medio para poder contener tanto la tuerca como los bujes.
47

Figura 23. Barra de aluminio.
3.8 Bases de unión de los ejes.
Para ensamblar y dar forma a las estructuras de los ejes se cortaron con ayuda
del tornillo y una segueta dos rectángulos de aluminio con medidas de 34 cm X
9 cm que servirán para unir las guías y el husillo del eje x, dos rectángulos de 16
cm X 6 cm para el eje y por ultimo dos cuadrados de 6 cm X 6 cm para el eje z,
Con el taladro de banco se hicieron los barrenos a cada uno de los rectángulos
para poder ensamblar tanto el husillo, las guías y el motor a pasos como se
muestra en la Figura 24. Una vez cortados y barrenados se hicieron cuerdas
estándar con ayuda de un machuelo a los orificios que contendrán al motor y a
los que sujetarán las otras barras.

Figura 24. Base de unión.
48

3.9 Estructura sujetadora del router.
Para realizar la estructura que contendrá al router se cortó un rectángulo de
aluminio a la cual se le pusieron cuatro tornillos que serán los que unan a la barra
y una pieza circular con orejas para sostener con tornillos allen al motor
desbastador como semuestra en la Figura 25.

Figura 25. Motor desbastador fijado.
3.10 Eje X e Y ensamblado.
Las piezas que conforman el eje correspondiente una vez ensaladas con tornillos
allen se muestran en las siguientes figuras.

Figura 26. Eje X ensamblado.
49

Se muestra el eje Y en conjunto con el eje Z, tanto los ejes como el husillo
ensamblados con sus respectivas estructuras.

Figura 27. Eje Y e Z ensamblado.
3.12 Eje Z ensamblado.
A continuación, se presenta el eje Z ensamblado sin montar todos sus
componentes que lo conforman.

Figura 28. Eje Z.

En la Figura 29 se muestra el sistema del eje z completa y ensamblado con todo
y motor a pasos, así como el motor encargado de desbastar.

Figura 29. Eje Z completo.
3.13 Mesa de trabajo.
Para realizar el área donde se va a trabajar el pcb se eligió montar una mesa de
madera y esmaltada uno de sus lados de para que no haya porosidad y se pueda
sujetar bien el pcb. La madera fue cortada con medidas de 38.5 cm X 31.5 cm,
con un área efectiva de trabajo de 21 cm X 25 cm que por lo regular sobrepasa
la medida comercial más grande para una placa fenólica.
Teniendo la mesa de madera cortada, se colocaron en sus esquinas tornillos allen
que serán los encargados de nivelar la mesa con respecto a la punta de corte del
router.
Ya que no es suficiente la mesa lisa para sujetar bien el pcb se instalaron sobre
la misma mesa cuatro barras de madera rectangulares barrenadas con el taladro
y unidas en sus extremos con tornillos y tuercas de mariposa. Estas barras serán
dos fijas y dos móviles para acoplarse al tamaño del pcb que se esté trabajando.
Figura 30.
51

Figura 30. Mesa de trabajo.
3.14 Router CNC completo.
Por último, se muestra el Router completo y ensamblado.

Figura 31. Router CNC.

Capítulo 4

Capítulo 4. Desarrollo del circuito electrónico
4.1 Placa controladora.
Comenzamos con el diseño en Proteus, el cual está basado en el principio de
que este debe poder permitir una expansión para futuras actualizaciones, así
como cumplir los requerimientos necesarios para el correcto funcionamiento del
Router CNC.
Como primer paso, se diseñó el PCB de tal manera que el grosor de pistas
soportara la carga que representan los motores a pasos, en este caso 1.5 A por
motor, por lo que el ancho a usar es de 1.29 mm, se estableció un tamaño de
placa de 10x15 cm quedando el diseño de la siguiente manera:

Figura 32. Diseño de la placa PCB.
Así mismo, se aseguró que la separación entre componentes fuera la óptima para
cada caso como se puede observar en el diseño 3D (Figura 33), en donde
además vemos una distribución de los componentes que permite identificar
fácilmente cada una de las salidas de los ejes que se manejaran.
54

Figura 33. Diseño 3D.
Dado que aún no se ha finalizado el Router CNC, se decidió realizar la placa con
el método del planchado y solución de cloruro férrico que dando de la siguiente
forma.

Figura 34. Se observan los componentes en su lugar.
55

Para conectar los motores a pasos se hará uso de conectores multiusos de cuatro
vías mostrados en las Figuras 35, los cuales se colocarán en el gabinete y en las
terminales de los motores.

Figura 35. Conectores multi usos 4 vías.
Estas terminales aseguran la conexión correcta de los motores pues tienen un
orden y una muesca que solo permite que se conecta de una manera
determinada.
4.2 Fuente de voltaje.
El circuito de control requiere de diferentes voltajes para operar, teniendo en
cuenta que toda la parte compuesta por los drivers y el microcontrolador
funcionan a un voltaje de 3.3V a 5V, los motores funcionan con 12V a 32V y una
corriente de por lo menos 4A, y por ultimo tenemos el motor que llevará montada
la broca que hará el trabajo de fresado y que se alimenta de 12V a 24V, es por
esto que el modulo fue diseñado de la siguiente manera:
56

Figura 36. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM317.

Figura 37. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM338.

Figura 38. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación LM7805.
57

Figura 39. Etapa de Rectificación.
Como se puede observar en la Figura 40 tenemos tres reguladores, el primero
es un regulador LM317T para una fuente de 1.2V a 22.3V para alimentar el motor
desbastador, y también tenemos un LM338T para la parte de una fuente variable
de 1.2V a 32V, y lo más importante es que soporta hasta 5A, así como un LM7805
para la parte que proporcionara 5V.

Figura 40. Diagrama del PCB.
58

Como podemos observar en la Figura 41 el diseño del PCB consta de un
disipador más grande para el LM338, pues es necesario por la gran cantidad de
corriente que pasara por el regulador, además de incluir pistas lo suficientemente
gruesas para soportar dicha corriente, incluso en el resto de los reguladores se
usó el mismo ancho de pista.
Se observan resistencias muy grandes debido a que se usaran resistencias de 2
Watts, aun cuando estas solo son para el ajuste en el caso de los reguladores
variables. También se observan Capacitores tipo cerámicos, sin embargo, estos
serán cambiados por unos capacitores electrolíticos de 50V y 4700uF, como se
aprecia en el diagrama esquemático, la razón del uso es solo para indicación,
dado que las dimensiones de dichos capacitores son más grandes que los
encontrados en el programa de diseño por lo que se decidió usar unos que
coincidieran los pads.

Figura 41. PCB 3D vista superior.
59

Figura 42. Fuente Completa.

Capítulo 5

Capítulo 5. Características del software e interfaz.
5.1 Software.
GRBL es un software de código abierto, de alto rendimiento para controlar el
movimiento de las máquinas y crear cosas.
Ha sido adaptado para su uso en cientos de proyectos, incluyendo cortadoras
láser, escritores automáticos de mano, los perforadores de agujeros, pintores de
grafiti y máquinas de dibujo. Debido a su rendimiento, simplicidad y requisitos de
hardware frugales, GRBL se ha convertido en un pequeño fenómeno de código
abierto [12].
Funciona de la siguiente manera:
Recibe una trama cuyos datos son la instrucción en código G (Figura 43) y
comienza a separarla por tipo y por valor, identificando dentro del bloque cada
parte que siempre estará compuesta por una letra y un valor numérico.

Figura 43. Estructura de un bloque de código G [1] [4].
62

Podemos observar en la imagen 44 un ejemplo de este código y la manera como
el GRBL desmonta dicho bloque para ir enviando la instrucción adecuada a los
drivers de los motores a pasos.

Figura 44. Ejemplo de un código G [1] [4].
En el siguiente ejemplo se puede comprender de manera más fácil lo que significa
cada letra y número:
N50 G01 X20 Y10 Z30 F200 S1000
N60 X100
N70 G00 Z50
Bloque N50, ordena a la herramienta que vaya desde las coordenadas en que se
encuentre (en las que quedó luego de la ejecución del bloque anterior), en G01
(trayectoria recta) a las coordenadas X20 Y10 Z30, a una velocidad de avance F
de 200 milímetros por minuto, con el husillo girando a S 1000 revoluciones por
minuto.
Bloque N60, el nuevo movimiento es en G01, no está especificado en el bloque
por ser modal. Ordena ir a X100, esto significa que el movimiento no tendrá
nuevas coordenadas en Y o Z, o sea que el nuevo destino es X100 Y10 Z30. Al
no haber nuevas coordenadas, no es necesario incluirlas en el bloque, también
son modales. Al no haber especificación de F ni de S, el movimiento se hará con
los mismos valores del bloque anterior. F y S también son modales.
Comando G02
Coordenada X
0 enteros; 0 decimales
Coordenada Y
0 enteros; 5 decimales
Arc. Incremento
0 enteros; 5decimales
Arc.Incremento
0 enteros; 0 decimales
Velocidad de
2.5 mm/min
63

Bloque N70, movimiento rápido G00 desde la cota anterior a Z50, asume F a la
velocidad máxima de la máquina. S según último bloque. Puede programarse en
forma absoluta (todos los valores están dados respecto del 0,0,0) o incremental
(los valores son relativos a la cota previa). Por defecto los CNC asumen
programación en absolutas (G90). En caso de querer trabajar en incrementales
deberá programarse un G91 en la línea inicial [7] [4].
En otras palabras, el software realiza un movimiento desde el punto donde se
encuentra, hasta el punto donde este debe llegar, si no existe un punto previo
toma como referencia el punto origen dependiendo de la configuración, de esta
manera el microcontrolador envía los pulsos correspondientes a cada driver para
que el motor se mueva, una vez finaliza este envió continua a la instrucción o
siguiente.
Como se explica en el ejemplo si no existe las indicaciones de las siguientes
coordenadas se tomarán las ultimas que hubo esto gracias a que estos datos se
almacenan en la memoria EEPROM del microcontrolador, y solo se modifican
hasta que se encuentre un nuevo valor para dicho eje, identificando esto por la
letra, además de que una vez que finaliza el trabajo borra los datos y escribe los
datos por default por ejemplo los ejes en posición 0, 0, 0; listo para comenzar un
nuevo trabajo pues se encuentra configurado en forma absoluta [12].
64

Figura 45. Diagrama básico de flujo de GRBL.
65

5.2 Interfaz.
Existen diferentes interfaces que el usuario puede utilizar para interactuar con
este software, las principales características para elegir uno son el sistema
operativo para el que se encuentran disponibles y las capacidades que estos
tienen para manejar diferentes tipos de archivos y desde luego lo interactivo que
sea para el usuario.
Teniendo estas pautas se optó por usar la interfaz Universal G-code Sender, la
cual es una aplicación realizada en Java que se encuentra disponible tanto para
sistemas operativos basados en Windows y Linux, que integra un sistema de
simulación en “tiempo real”, la capacidad de mover manualmente el Router CNC,
así como mostrar los bloques de código G que se envían al microcontrolador, en
la Figura 46 y 47 se muestra su panel [12].

Figura 46. Panel principal [12].
66

Figura 47. Visualizador en tiempo real [12].

Capítulo 6

Capítulo 6 Puesta a punto y pruebas.
6.1 Detección de errores en placa fenólica.
En este capítulo se mostrarán las pruebas realizadas con el Router CNC, tanto
los PCB como letras, así como resaltar los errores y aciertos de cada fresado
para ver la evolución que tuvieron las pruebas.
El primer PCB que se freso (Figura 48) se diseñó en PCB Wizard para después
convertirlo a código g con Coppercam.

Figura 48. Simulación en Universal-G-Code-Sender.
Se puede observar en la Figura 49 que hay errores en las pistas, esto se debe a
la elección de una herramienta inadecuada que es una broca más gruesa de lo
debido, pero también a que la mesa presentaba irregularidades en su superficie,
esto provocó que en algunos lados la broca penetrara más y por consecuencia
quitara más cobre del deseado.

Figura 49. PCB Fresado.
69

6.2 Calibración y verificación en papel.
Una vez arreglado los errores que había presentado la anterior prueba y haciendo
un nuevo diseño, esta vez en Inkscape estos fueron los resultados.

Figura 50. Inkscape palabra ESIME.

Figura 51. Simulación en Universal-G-Code-Sender ESIME.

En la Figura 52 se muestra los resultados que se obtuvo usando una hoja de
papel como lienzo y un bolígrafo en vez de broca.

Figura 52. Grabando.
6.3 Resultados finales.
En la última prueba se diseñó el circuito en Proteus obteniendo de este los
archivos gerber, después se utilizó Coppercam para generar el archivo de código
G.

Figura 53. Diseño de PCB en Coppercam.
71

Una vez obtenido el código g de simulo y maquino.

Figura 54. Simulación.
En la Figura 55 se observa que las pistas están bien definidas, las dimensiones
son las correctas y no hay ni un desfase en las pistas realizadas.

Figura 55. Fresando el PCB.
72

Finalmente estos son los resultados obtenidos de las tres pruebas realizadas con
el Router CNC.

Figura 56. Resultados de la placa fenólica fresada con el Router CNC

Figura 57. Resultados de la placa fenólica fresada con el Router CNC.

Conclusión

CONCLUSIÓN
La solución a la problemática planteada al inicio de este proyecto, sobre como
agilizar y mejorar el proceso para realizar placas electrónicas se resolvió a través
de la construcción de un Router CNC.
Durante la elaboración del router se detectaron diferentes problemas tales como
la viabilidad del material utilizado ya que este en los ejes causaba vibraciones
como eran varillas roscadas de hierro galvanizado, terminaron por deformarse, lo
que significó un conflicto pues anulaba por completo la funcionalidad del Router
CNC.
Así mismo también se detectaron problemas con el tipo de microcontrolador a
utilizar pues comenzamos con un PIC18F4550, sin embrago a lo largo del tiempo
tratábamos de adaptar el código el cual se encontraba escrito para los
compiladores de IAR AVR, AVRGCC y Atmel Studio, nos encontramos con que
el programa hacía uso de funciones especiales de dichos compiladores que por
derechos de autor no podíamos modificar, así como que algunas de ellas no son
visibles para los usuarios, por lo que definir su funcionalidad e intentar crearla se
convirtió en una tarea difícil, decidimos que la mejor opción sería utilizar un
microcontrolador de la misma familia de AVR y para ello, consideramos varias
opciones siendo el Atmega644 la opción más viable, todos estos problemas
fueron solucionados de manera satisfactoria hasta lograr el diseño final del
Router CNC, y la tarjeta controladora.
Con ello concluimos que el Router CNC, resulto ser una herramienta eficaz para
la elaboración de placas electrónicas, pues su funcionamiento, representa una
alternativa efectiva y de fácil entendimiento para la construcción de diferentes
diseños, según el usuario lo requiera.
Así mismo también es un prototipo que puede ser retomado para el desarrollo de
futuros proyectos.

BIBLIOGRAFÍA

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[2] P. Hood-Daniel y J. F. Kelly, Build your own CNC Machine, APRESS, 2009.
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a control numérico computarizado, SEP, 2005.
[4] M. W. Mattson, CNC Programming: Principles and Applications, Cengage
Learning, 2009.
[5] H. A. Morales Ríos, «Diseño Mecánico de la Estructura de un Router CNC,»
Que para obtar por el grado de: Maestro en Ingeniería, 2012.
[6] S. Hwan Suh, S. Kyoon Kang, D. Hyuk Chung y I. Stroud, Teoring and
Design of CNC Systems, Springer, 2008.
[7] F. Cruz Teruel, Control Númerico y Programación: sistemas de fabricacion
de máquinas, Marcombo, 2004.
[8] P. Alcalde San Miguel, Electrotecnia, Paraninfo, 2014.
[9] G. Williams, Robótica CNC, McGraw Hill, 2003.
[10] J. Roldán Viloria, Motores de corriente continua. Motorización de máquinas
y vehículos. Características, cálculos y aplicaciones., Paraninfo, 2014.
[11] P. Corporation, «DRV8825 Stepper Motor Driver Carrier, High Current,»
2015. [En línea]. Available: https://www.pololu.com/product/2133.
76

[12] S. Svale Skogsrud y S. K. Jeon, «GRBL,» 2009. [En línea]. Available:
https://github.com/grbl/grbl. [Último acceso: 2015].
[13] L. G. Corona Ramírez, G. S. Abarca Jiménez y J. Mares Carreño, Sensores
y Actuadores, GrupoEditorial Patria, 2014.
[14] A. Cuesta Arranz y F. L, Teoría y problemas resueltos en programación
control numérico, Marcombo, 2005.
[15] F. Rivera Román, Prácticas de torno de CNC, Universidad Cordoba, 2002.
[16] I. J. F. Terlevich, «Curso básico de: Máquinas herramientas
con control numérico.,»2011. [En línea]. Available:
http://industrial.frba.utn.edu.ar/MATERIAS/procesos_industriales/
archivos/curso_control.pdf. [Último acceso: 2015].

Anexos

Anexo 1. Espesificaciones Router CNC

Alimentación
Corriente de alimentación ..............................................5A Máx.
Tensión de alimentación ........................ 120V ±10% – 60 Hz. Monofásica.

Área de Trabajo
Recorrido eje X (Longitudinalmente)…………………………………… 260mm.
Recorrido eje Y (Transversalmente)……………………………………….760mm.
Recorrido eje Z (Verticalmente)……………………………………………50mm.
iii

Dimensiones
Dimensiones de la máquina……………………………380 x 450 x 380mm.
Altura de la mesa………………………………………..90mm.
Peso……………………………………………………….12 Kg.

Accionamiento de los ejes
Motores de los ejes……………………………..….Motores a pasos bipolares.
Fuerza de empuje de los carros X, Y, Z………….2.1 Nm.
Guiado del carro X, Y, Z……………………………Eje sinfín con acople flexible.

Otros
Materiales principales de la máquina …..…………. Acero Cold Roll y Aluminio
Precisión de tallado real……………………….….…..…………0.03 mm.
Exactitud en repetitividad de posicionamiento……….…..……0.08 mm.
Velocidad de trabajo…………………………..……...………….0 – 300 mm/min.
Avance rápido………………………………..……………………320mm/min.
Materiales aceptables para procesar: PVC, PCB, Plástico, Madera, latón y
aluminio.
iv

Especificaciones de motores de avance
Modelo…………………………………………….…….………………57bygh219-32
Configuración de bobinas………..…………………..…………….…Bipolar.
Resolución……………………………..200 pasos/rev. (400 pasos/rev. configurado
por driver).
Ángulo de paso………...……………… 1.8° por paso (0.9° configurado por driver).
Largo…………………..…………………………………………54mm.
Ancho………………………...………………………….………55mm.
Alto…………………………..……………………………….…..54mm.
Cables…………………………………..………………………..4 líneas.
Características eléctricas
Corriente de alimentación máxima…………….………………1A.
Resistencia de bobinas…………………………………………1 Ohm.
Impedancia de Bobinas…………………………………...……3.5mH.
Especificaciones de motor de fresado
Características
Origen…………………………………..………………..……….Alemán.
Modelo………………………………..…………………………..4000.
Tensión………………………………..………………………….24V.
v

Velocidad de giro…………………………………….……….5.000 – 35.000 rpm.
Abertura de broquero ……………………………………..1/32 a 1/8 de pulgada
Anexo 2. Manual de uso del Router CNC y cargar el código G
1) Conectar el Gabinete mediante el cable USB a la PC y abrir el software
“Universal G-Code Sender”
2) Colocar la velocidad en 115200, elegir el puerto COM al cual está
conectado el Router CNC y presionar el botón “Open”. Se habilitará los
demás campos de la ventana.
3) Seleccionar en la pestaña “File Mode” el botón “Browse”. Y seleccionar el
archivo *.ngc, *.txt
4) Con los botones de movimiento en la solapa “Machine Control”, se logrará
posicionar la fresa en la posición más cercana a donde empezara el
trabajo de fresado (Se puede hacer clic en “Visualize” para poder ver
dónde está la fresa). Para hacer movimientos más largos, colocar un valor
más alto en “Step Size”.
5) Antes de comenzar con el ciclo de fresado, se debe establecer esa
posición como la de arranque, para ello, se debe presionar el botón “Reset
Zero”
6) Una vez configurada la parte de posicionamiento de fresa, se puede enviar
el Código G, para ello simplemente se debe ir a la pestaña “File Mode” y
presionar el botón “Send”.
Reglas generales de diseño de PCB para fabricar en el Router CNC
Ancho mínimo de pista 0.6 mm.
Separación mínima de pistas,0.3mm
Hoyos: 0.8 mm y 1.6 mm (dado a disponibilidad de herramientas)
Pad con orificio, al menos 1mm más de diámetro que el orificio.

Anexo 3. Librerías Modificadas

#ifdef GRBL_PLATFORM
#error "cpu_map already defined: GRBL_PLATFORM="
GRBL_PLATFORM
#endif

#define GRBL_PLATFORM "Atmega644"

// Define los pines del puerto serial y vectores de
interrupción.
#define SERIAL_RXENn USART0_RX_vect
#define SERIAL_UDREn USART0_UDRE_vect

// Definelos pines de salida para los pulsos por paso.
NOTA: Todos los pines de pasos por bit deben estar en el
mismo puerto.
#define STEP_DDR DDRD
#define STEP_PORT PORTD
#define X_STEP_BIT 2
#define Y_STEP_BIT 3
#define Z_STEP_BIT 4
#define STEP_MASK
((1<<X_STEP_BIT)|(1<<Y_STEP_BIT)|(1<<Z_STEP_BIT)) //
Todos los bits por paso.

// Define los pines de salida para la dirección por
paso. NOTA: Todos lo spines de dirección deben estar en
el mismo puerto.
#define DIRECTION_DDR DDRD
#define DIRECTION_PORT PORTD
#define X_DIRECTION_BIT 5
#define Y_DIRECTION_BIT 6
#define Z_DIRECTION_BIT 7
#define DIRECTION_MASK
((1<<X_DIRECTION_BIT)|(1<<Y_DIRECTION_BIT)|(1<<Z_DIRECTI
ON_BIT)) // Todos los bits de dirección.

// Define los pines de salida para
habilitar/deshabilitar los drivers.
#define STEPPERS_DISABLE_DDR DDRB
#define STEPPERS_DISABLE_PORT PORTB
#define STEPPERS_DISABLE_BIT 0
#define STEPPERS_DISABLE_MASK
(1<<STEPPERS_DISABLE_BIT)

// Define los pines de entrada del swich de limite y de
los vectores de interrupción de limite.
// NOTA: Todos los pines de limite deven estar estar en
el mismo puerto, pero no en un puerto con mas pines de
entrada(CONTROL).
#define LIMIT_DDR DDRB
#define LIMIT_PIN PINB
#define LIMIT_PORT PORTB
#define X_LIMIT_BIT 1
#define Y_LIMIT_BIT 2
#ifdef VARIABLE_SPINDLE // Pin limite Z y husillo
habilitado para el cambio de Hardware del PWM en el Pin
PB3.
#define Z_LIMIT_BIT 4
#else
#define Z_LIMIT_BIT 3
#endif
#define LIMIT_MASK
((1<<X_LIMIT_BIT)|(1<<Y_LIMIT_BIT)|(1<<Z_LIMIT_BIT)) //
All limit bits
#define LIMIT_INT PCIE0 // Habilita la
interrrupcion del pin de cambio.
#define LIMIT_INT_vect PCINT0_vect
#define LIMIT_PCMSK PCMSK0 // Registro de
interrupción para el pin de cambio.

// Define los pines de salida par la dirección y
habilitación.
#define SPINDLE_ENABLE_DDR DDRB
#define SPINDLE_ENABLE_PORT PORTB
// Pin de limite Z y husillo PWM/habilitado el cambio de
Hardware del PWM en el Pin PB3.
#ifdef VARIABLE_SPINDLE
#ifdef USE_SPINDLE_DIR_AS_ENABLE_PIN
// Si esta habilitado, el pin de dirección ahora es
usado para habilitar/ mientras que el PWM permanece en
PB3.
#define SPINDLE_ENABLE_BIT 5
#else
#define SPINDLE_ENABLE_BIT 3
#endif
#else
#define SPINDLE_ENABLE_BIT 4
#endif
#ifndef USE_SPINDLE_DIR_AS_ENABLE_PIN
#define SPINDLE_DIRECTION_DDR DDRB
#define SPINDLE_DIRECTION_PORT PORTB
#define SPINDLE_DIRECTION_BIT 5
#endif

// Define los pines de salida para habilitar el
refrigerante.
// NOTA: Los pines analógicos 4 y 5 estan reservados
para una interfaz I2C, y pueden er instalados
// en una fecha posterior si el espacio en memoria lo
permite.
#define COOLANT_FLOOD_DDR DDRA
#define COOLANT_FLOOD_PORT PORTA
#define COOLANT_FLOOD_BIT 3
#ifdef ENABLE_M7 // Mist coolant disabled by default.
See config.h to enable/disable.
#define COOLANT_MIST_DDR DDRA
#define COOLANT_MIST_PORT PORTA
#define COOLANT_MIST_BIT 4
#endif

// Define los pins de entrada para el control de usuario
(ciclo de inicio, reset, retención de alimentación).
// NOTA: todos los pines de control deven etar en un
mismo puerto.
#define CONTROL_DDR DDRA
vii

#define CONTROL_PIN PINA
#define CONTROL_PORT PORTA
#define RESET_BIT