Como hacer una fresadora CNC casera de 3 ejes (EDITADO)

Como hacer una fresadora CNC casera de 3 ejes (EDITADO)

1 ESTRUCTURA

Hola, en este post vamos a dedicarnos a la construccin de una fresadora CNC casera, es decir, una mquina controlada por ordenador que es capaz de moldear, gravar, tallar y fresar todo tipo de materiales de la forma y tamao que deseemos. qu significa esto?, pues esto, es ver realizado el sueo de todo aficionado al DIY!!!, ya que puedes crear todas las piezas que necesites para tus proyectos con un solo click de ratn. Al igual que puedes hacer tus propias placas PCB o tallar maravillosas esculturas 3D.

Todo es posible con una CNC!!!

Mira un pequeo ejemplo de un trabajo que hice el otro da con mi CNC.

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=he4WVP8Xfok

Ahora que sabemos cuales son las posibilidades de esta maravillosa mquina, empezemos a construirla!!!

1. Primer paso - Materiales

Necesitaremos muchos materiales para la realizacin de este proyecto. Desde electrnica hasta piezas mecnicas y motores. Ahora voy a nombrar los necesarios para hacer la estructura:

* Madera o metal para la estructura * 3 motores paso a paso de al menos 1.5 g/cm (esto es la fuerza del motor) dependiendo el tamao de la CNC * 1 herramienta rotativa * Varillas roscadas * Tornillos y tuercas * Herramientas

Qu son motores paso a paso?

El motor paso a paso es un dispositivo que convierte una serie de impulsos elctricos en desplazamientos angulares, lo que significa, que es capaz de avanzar una serie de grados (pasos) dependiendo de la orden que se le de. El motor paso a paso es un motor altamente preciso ya que su eje gira de 1.8 en 1.8 lo que quiere decir que para hacer 360 debe dar 200 pasos. Esto les confiere una precisin increble, la cual transferida a la CNC proveer de una gran capacidad para hacer piezas muy pequeas y delicadas, aunque tambin se pueden hacer piezas grandes.

Chips A4988

Los A4988 de Pololu son unos drivers electrnicos que se usan para controlar motores paso a paso, permiten decidir la direccin de giro y velocidad de estos. Los motores, irn conectados al hardware Arduino.

Costos

Bueno como supongo que es una pregunta que todos se estaran haciendo, aqu dejo la lista de los precios.

3 Chips A4988 - $384 ( $128 cada uno) Arduino UNO - $130 3 Motores paso a paso $180 ( $60 casa uno, los precios varian mucho! desde 60 a 2000 pesos) 1 PCB - $50 Madera DM - $130 Fresadora - $1000 ( la ma es de marca pero las hay por $450 ) Varillas roscadas y tuercas - $3 c/u Fuente ATX - $100 / $250 ( yo la saque de una pc vieja ) Total - $2174 aproximadamente Y CREANME QUE LO VALE!

2. Segundo paso - Montaje

Bueno, ahora llega el momento de la verdad, la construccin de la mquina. les dejo este video explicativo en el que se ensea de forma general cuales son los rasgos ms importantes a la hora de construir nuestra CNC y como tienen que hacerlo para que funcione correctamente. Adems debajo del vdeo tienen una explicacin de los pasos ms importantes a la hora de montar y cortar las piezas para la estructura, aunque recomendara ver el video para que vean la forma y disposicin de las piezas.

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=2VasRIHSIkA#at=119

Una vez informados, vamos a detallar algunos pasos:

En primer lugar, vamos a cortar las tablas que formarn el cajn principal de la mquina dentro del cual se colocar la electrnica y sobre este, la fresadora trabajar los materiales.

Las medidas de este cajn son totalmente personalizables y cada uno de ustedes pueden elegir las medidas de la base, dependiendo del tamao de las piezas que quieran moldear. Tengan en cuenta que lo que medida el cajn ser el rea mxima sobre la cual, la mquina podr trabajar. Todas las medidas de la mquina son personalizables y pueden usar este tutorial como gua pero el tamao de su CNC es cosa de ustedes.

Una vez hemos construido la base de la mquina, vamos a hacerle unos "rales" (se aprecian en la foto superior) para que el cabezal principal pueda rodar hacia delante y hacia atrs. Estas guas son simplemente dos listones de madera que van pegados los dos lados opuestos del cajn. Al final debera quedar algo parecido a esto:

Sobre las guas que acabamos de colocar rodar la seccin principal de la mquina, la cual se mover en el sentido del eje X, y sobre esta se encontrar el cabezal que se mueve en sentido del eje Y y Z. Pero esto lo veremos un poco ms abajo.

Ahora con dos tablones de madera construimos una especie de estructura en forma de portera, como se muestra en la imagen, pero teniendo en cuenta que sobre la tabla que va en horizontal hay que hacer unas ranuras para que corran las ruedas del cabezal principal. Esta es la imagen de la estructura:

Por debajo, la estructura del cabezal, lleva un listn que une las dos paredes para mayor estabilidad y que permite, que la varilla roscada pase por l para moverlo. (No se asusten por el cableado, que ya lo explicar mas tarde y van a ver que fcil es

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En esta foto vemos un detalle de las ranuras del cabezal, hay dos, una arriba (la que se ve) y otra en la parte inferior, para que el cabezal se sujete mejor:

En esta otra imagen se ve con detalle, donde se encuentran las guas del cajn y como encaja en ellas el cabezal y sus ruedas. Estas, son ruedas de puertas corredisas, como menciono en el vdeo. Las pueden encontrar en cualquier ferretera.

Con lo que llevamos hasta ahora la mquina debera haber tomado ya forma. Centrmonos entonces en el cabezal que es donde va la fresadora, la cual sube y baja. Esta es la parte ms complicada de todo el proceso y esta pieza debe quedar perfecta para evitar cualquier movimiento o cabeceo de la mquina cuando este funcionando.

Debemos coger tres tablones de madera y unirlos para formar una caja de tres paredes, dentro de la cual se colocar la fresadora. Dicha caja deber llevar dos tapas, arriba y abajo, la de la parte superior, con un agujero para que el eje del motor pase por ella y la de la parte inferior, con un orificio para que la varilla roscada encaje y no se salga de su eje de rotacin. Dentro de esta tabla y en direccin vertical, deben ir tres varillas guas como las de la imagen, para que la pieza central se desplace a lo largo del eje Z, aunque recomiendo dos tablas para sujetar la fresadora por dos partes y que no cabecee, ya que cuando funcione har presin sobre la punta de la fresadora y esta podra desviarse.

En esta otra imagen se puede ver el cabezal totalmente acabado y con la fresadora insertada.

Una vez que toda la estructura est construida procedemos a colocar los motores paso a paso.

La colocacin de los motores debe hacerse con cuidado para evitar el cabeceo de estos. Primero haremos un agujero en cada una de las tablas de una medida adecuada para que pase el eje del motor. Introducimos los ejes en los orificios y conectamos las varillas roscadas a ellos. La conexin de la varilla roscada la dejo a su imaginacin, aunque mi sistema fue meter en el eje un taco metlico, de los que se usan para colgar lmparas del techo, estos tienen una entrada roscada y una lisa, pues metan el eje en la lisa y la varilla en la rosca. Estas piezas las venden en cualquier ferretera. Aqu dejo un detalle de la unin del motor a la varilla:

Las varillas roscadas para el eje X las vamos a cortar de la medida que tenga como profundidad el cajn principal, para el eje Y, las cortamos de la medida entre los dos tablones laterales que sostienen el cabezal y la del eje Z se corta respecto a la altura de nuestro cabezal.

Todo el cableado y la electrnica, as como la programacin de Arduino lo explicar en unos instantes

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2 HARDWARE

En esta parte vamos a ver como instalar el hadware necesario para controlar la mquina.

Materiales

* 3 Chips A4988 * 1 Arduino UNO * 1 Fuente alimentacin ATX * 1 Ventilador (opcional) * 1 placa PCB * 3 motores paso a paso (elijan el modelo que quieran) * Soldador * Estao * Fundente

Como expliqu en la primera parte del tutorial los chips A4988 son unos controladores de motores paso a paso, que mediante las seales enviadas por Arduino controlarn los motores. La explicacin de como funciona un motor paso a paso est tambin en el parte anterior. Lo primero que vamos ha hacer es plantear como vamos a disear la placa PCB, yo compr esta en www.mercadolibre.com y sobre ella sold los componentes.

Toda la electrnica debera quedar as:

Aqu otra imagen desde ms cerca:

Aqu otra imagen desde ms cerca:

Aqu dejo una foto de la placa PCB sin el ventilador: (Me decid por cables en vez de pistas "mas facil"

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Les dejo una imagen de como deben ir todas las conexiones

Los chips A4988 deben estar conectados como se explica en este vdeo:

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=lvaBb-rPepY#!

La fuente que vamos a utilizar es una ATX (fuente de una pc) con la que podremos alimentar desde los chips hasta los motores y la fresadora. He elegido una ATX ya que es la ms barata y ademas la pueden sacar de una pc vieja. Para hacerla funcionar necesitan puentearla y para ello les dejo este vdeo:

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=sGXi8Uh35O4

La fuente tiene salidas de diferentes voltajes para poder conectar toda la electrnica a la misma ATX y as solo usamos una toma de corriente a la pared.

Los voltajes de las diferentes salidas de la fuente se muestran es la siguiente imagen:

Les dejo una descripcin de los voltajes del chip (tambin se ven en el vdeo) y de la utilidad de cada pin:

VDD -- Entrada de corriente del chip: 3,3 V / 5 V cables naranja o rojo de la ATX. (Pueden elegir entre ambos voltajes aunque recomiendo 3,3 V) GND -- Tierra del A4988. Se conecta con la tierra de la ATX, cables negros de la ATX. VMOT -- Entrada de alimentacin para los motores paso a paso. 7 V / 36 V (el voltaje depende del motor y debe corresponder con el del motor, ya que es este voltaje el que se le pasar al motor para que se mueva.) GND -- Es la tierra del motor. Esta debe estar conectada con la tierra de los A4988!!!. RESET -- Resetea el chip para devolverlo a las condiciones iniciales. Y cambia entre los modos Stand-bye y Enable. En esta imagen se ven las conexiones:

IMPORTANTE: Para evitar el mal funcionamiento de la mquina todas las tierras deben estar conectadas entre s, es decir, que la tierra de los A4988 debe estar conectada con la de los motores paso a paso y con la tierra de Arduino. No es problema que los voltajes sean diferentes, aunque el chip tenga 5 V y el motor 12 V las tierras se pueden interconectar entre s. Eso s, esto funciona si la fuente es una ATX, no he probado si es peligroso con otras fuentes asi que si no usamn una ATX, no conecten nada entre s y prueben antes. Aunque para mi la mejor opcin es una ATX ya que es la ms econmica y potente que encontr. Una vez todos los A4988 esten conectados a la fuente y los motores estn conectados a los A4988, podemos proceder a conectar los cables de pulsos de Arduino.

Control de los A4988 mediante Arduino

Arduino controlar los chips mediante los pines de salidas digitales. De cada chip, vamos a usar 3 entradas digitales (STEP,DIR y RESET), y por tanto, harn falta, 3 salidas digitales de Arduino. Cuando arduino enve un pulso a STEP el motor avanzar un paso. Si DIR recibe seal, el motor girar en sentido de las agujas del reloj, si no recibe, en sentido contrario. El pin RESET se usa para resetear el chip.

Los pines que vamos a usar de nuestro Arduino son los siguientes:

* Pines 2, 4 y 7 para el los pines STEP de los A4988 * Pines 3, 5, y 6 para los pines DIR de los chips * Pines 9, 10, 11 para los pines RESET de nuestros A4988 * A continuacin les dejo un esquema de las conexiones del chip:

Como se puede observar los pines DIR usan salidas PWM de Arduino, y los dems simplemente usan salidas normales, por lo tanto no es obligatorio seguir este esquema sino simplemente conectar a PWM los DIR y los dems a donde les apetezca. Opcionalmente podemos colocar un ventilador o un disipador a los chips debido a que si el motor es de ms de 1 Amp el chip A4988 se calienta y puede quemarse. Para motores de menos de 1 Amp esto no es necesario. La programacin de Arduino y de la mquina as como el software necesario para mecanizar piezas lo veremos en la proxima parte.

3 Software

Todo el software que se va usar en este tutorial es totalmente gratuito y se puede descargar y modificar libremente. Todos los programas estan disponibles para Windows y Linux ( a excepcin de Txapu CNC ) el cual debe ser instalado en Linux sin ms remedio, por tanto debemos instalar Linux (Ubuntu es el que recomiendo) en nuestras PCs.

El software es la parte que comunica el ordenador con Arduino. Vamos a usar algunos programas, que iremos viendo continuacin.

En primer lugar voy a explicar el funcionamiento de todo esto.

Nosotros hacemos un dibujo 2D o un objeto 3D usando un software de diseo, vectorial en el caso de los dibujos 2D, como Inkscape, o en 3D como es el caso de Blender.

Una vez tenemos lo que queremos mecanizar con la mquina, lo pasamos a otro programa que a partir del dibujo crea un cdigo llamado Cdigo G, el cual tiene todas las instrucciones para que la mquina se desplace hasta las coordenadas adecuadas para crear la figura o gravado o PCB o lo que quiera que esten modelando.

El tercer paso es enviar el cdigo a la mquina, es decir, mandarlo desde el ordenador a Arduino, el cual lo interpreta gracias al Firmware que lleva en su interior y mueve los motores de la forma adecuada. Para ello se usa un programa llamado Txapu CNC que ya explicaremos su funcionamiento.

El tercer paso es enviar el cdigo a la mquina, es decir, mandarlo desde el ordenador a Arduino, el cual lo interpreta gracias al Firmware que lleva en su interior y mueve los motores de la forma adecuada. Para ello se usa un programa llamado Txapu CNC que ya explicaremos su funcionamiento.

Comenzemos el tutorial con la explicacin de como crear el cdigo G a traves de un archivo .SVG previamente creado en Inkscape ( la creacin del archivo .SVG no viene al caso en este tutorial pero en youtube hay miles de ejemplos de como dibujar con Inkscape ) al igual podeis hacer el dibujo con Corel Draw o con Adobe Flash o cualquier programa que permita el diseo vectorial.

El programa que vamos a usar es PyCam, gratuito y disponible para windows y linux. Este software nos permite pasar todos nuestros dibujos 2D y modelos 3D en cdigo G. De forma muy intuitiva y sencilla y tambin tiene un visor en 3D para ver en tiempo real simulaciones de nuestros modelos.

Hagamos una pequea introduccin de como usarlo:

Link de descarga de Pycam:

http://pycam.sourceforge.net/download.html

Para abrir archivos .SVG debe estar instalados dos programas ms, Inkscape y Pstoedit (debajo de la imagen dejo los links).

En esta imagen se aprecia donde hay que acceder para ubicar los programas una vez los tengamos instalados.

Link de Inkscape:

http://inkscape.org/download/?lang=es

Link de Pstoedit:

http://www.pstoedit.net/

Lo primero es abrir un archivo nuevo:

Despues seleccionamos la pestaa Task y seleccionamos las opciones deseadas, en mi caso quiero grabar en una tabla el texto mostrado en pantalla asi que selecciono "Gravure"

Ahora picamos en "Generate Toolpaths" y esperamos a que termine. Cuando todo este listo vamos a la pestaa "Toolpaths" y all "Export all" y guardamos el cdigo G generado donde deseemos guardarlo.

Ahora abramos el archivo de codigo G con Txapu CNC.

Pasemos ahora a enviar el cdigo que acabamos de crear a nuestra CNC.

Para ello vamos a usar Txapu CNC un programa que solo esta disponible para Linux, por tanto como dije al principio deben instalarlo, yo recomiendo Ubuntu pues es la distribucin de Linux ms facil de usar y con ms seguidores. Instalar Ubuntu es muy sencillo y de nuevo en Youtube hay miles de tutoriales.

Todo esto se encuentra explicado en este video:

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=UU-XAsuWIUw#at=44

Una vez que Txapu CNC envie el archivo la CNC comenzar a trabajar con l.

En este video pueden ver como se graba en una tabla con la CNC usando Txapu CNC y un modelo diseado en Pycam

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=he4WVP8Xfok

4 FIRMWARE

Hola, esta es la ltima parte del tutorial de como construir una CNC casera, espero que muchos de ustedes tengan ya la suya construida y esten casi listos para comenzar a fabricar piezas en 2D y 3D.

En esta ltima parte vamos a ver como programar Arduino, para que, interprete el cdigo G que le enva la pc y mueva los motores paso a paso.

Arduino debe llevar en su interior un Firmware, el cual como he mencionado, actua de intrprete del Cdigo G. Este firmware se puede descargar del siguiente enlace y ahora veremos como programarlo para adaptarlo a las necesidades de nuestra mquina como por ejemplo, la velocidad, medidas, aceleracin...

http://contraptor.svn.sourceforge.net/viewvc/contraptor/trunk/firmware/?view=tar

Procedamos a ver como programar el microcontrolador:

En este vdeo tienen muy bien explicado como programar Arduino aunque tambin lo explico en esta gua para que les sea ms sencillo comprenderlo.

link: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=3Md-xvibwWk

Bien, una vez descargado el firmware que los he dejado en el enlace, deben abrirlo con el IDE de Arduino.-

Para abrir el firmware descargado, abrir desde el IDE de Arduino el archivo con este nombre: "reprap_new_firmware" Todos los demas archivos abrirn automaticamente al abrir este.

Como veran los archivos se reparten cada uno en una pestaa.

Nosotros solo modificaremos datos en dos de ellas, una de ellas la pestaa "rsteppercontroller" en la cual debemos modificar el Bitrate. En la imagen podemos ver el amarillo cual es la parte que debemos cambiar, y en caso de que el valor sea diferente de 19200 deben cambiarlo a 19200.

Ahora pasemos a la pestaa INIT y en ella haremos las modificaciones de la velocidad, pasos por vuelta y salidas de los pines digitales de Arduino.

Ajuste de los pasos por milmetro

Qu significa esto?, pues son la cantidad necesaria de pasos que debe dar el motor paso a paso para que la varilla roscada avance 1 mm. Esto es caracterstico de cada varilla y por ello deben medirlo ustedes. Hacer girar a la varilla y medir cuantas vueltas da, para avanzar 1 mm. La parte de la imagen que ven de color amarillo es la que deben modificar. El valor que hay que poner es la cantidad de vueltas de la varilla multiplicada por 200 que son los pasos que da el motor en una vuelta.

Nota: Se observan 2 valores, uno para los pasos por pulgada y el otro para los pasos por milimetro. Las pulgadas pueden dejarlas tal cual, pues no van a influir en el cdigo.

Feedrates

Ahora vamos a mirar los feedrates, es decir, la "velocidad" con la que los A4988 alimetarn a los motores. Esto, se ajusta dependiendo del motor, hay motores que necesitan 100 y motores que necesitan 1000, en mi caso, los motores necesitan entre 90 y 250, dependiendo la velocidad a la que quieren que giren los motores.

Como comprobar cual es el Feedrate adecuado para tus motores?

Con Txapu CNC prueben hacer girar los motores usando el control manual, variando poco a poco el Feedrate en TxapuCNC, si el motor hace un ruido que parece un avin a reaccin, se estan pasando un montn con el Feedrate, bajadlo!!!. Si el motor suena como una carraca, no es suficiente, subaaanlo jajaja!!!.

Pins

En esta parte de la programacin del chip, vamos a asignar los pines digitales de Arduino a los pines de los A4988. Todo esto es tan sencillo como escribir el nmero del pin Arduino que queremos asignar al pin del chip.

Por ejemplo, X_STEP_PIN es el pin STEP del Chip A4988 que controle al motor del eje X, por tanto asignamos el nmero de pin de Arduino correspondiente a este pin, por ejemplo el 4, aunque pueden asignar los que quieran, teniendo siempre en cuenta que los pines PWD son para los pines DIR de los A4988.

Extruders pins

En estas ltimas lneas de cdigo, asignaremos los pines para una extrusora, en caso de que usemos una, ya que este tutorial esta orientado al uso de una fresadora, pero igualmente el usuario puede decidir si colocar una extrusora (lo que tiene una impresora 3D

INCLUDEPICTURE "http://o1.t26.net/images/space.gif" \* MERGEFORMATINET ) en lugar de una fresadora y para eso esta esta parte del cdigo, para que definan los pines correspondientes a la extrusora. ( Como he dicho antes, en caso de que quieran poner una ).

Con todo esto, y con mucha pena, aqu, acaba el tutorial de "Como hacer una fresadora CNC casera de 3 ejes"