1 CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PROTOTIPADORA CNC QUE REALIZA EL RUTEO DE PISTAS Y EL TALADRADO DE CIRCUITOS IMPRESOS UTILIZANDO PROCESAMIENTO DE IMÁGENES EN LABVIEW. AUTORES: ARÉVALO MONCAYO, DANILO RAÚL HERMOSA OCAMPO, DIANA CAROLINA DIRECTOR: ING. FERNANDO OLMEDO CODIRECTOR: ING. ALEJANDRO CHACÓN
2 Introducción Un circuito impreso (PCB) es una placa constituida por dos materiales, uno conductor y otro aislante , que es utilizada para conectar eléctricamente distintos elementos que conforman el circuito. Existen una variedad de procedimientos para realizar circuitos impresos, algunas técnicas son: marcador con tinta indeleble, cintas plásticas adheribles, papel transfer, luz ultravioleta y mecanizado con fresadoras.
3 Definición del ProblemaInconvenientes de la fabricación de circuitos impresos con métodos manuales: Utilización de químicos como el cloruro férrico que resultan perjudiciales para la salud. Tiempo y el esfuerzo invertido por los estudiantes Los circuitos cada día presentan mayor densidad lo que exige mayor exactitud y precisión.
4 Justificación e ImportanciaEl % de los estudiantes ha realizado circuitos impresos con la tecnología THT (de agujeros pasantes) y utilizando el proceso de Papel Transfer (Planchado y Ataque Químico).
5 OBJETIVOS Objetivo General:Diseñar y construir una prototipadora CNC que realice el ruteo de pistas y el taladrado de circuitos impresos con montaje THT, utilizando una interfaz gráfica y procesamiento de imágenes.
6 Objetivos Específicos:Diseñar el sistema mecánico con alta precisión de posicionamiento. Diseñar el sistema de control y comunicación utilizando un microcontrolador. Seleccionar los motores y los drivers para el control de los mismos. Diseñar el software de programación en la PC que realizará el procesamiento de imágenes y generación automática de código G. Diseñar el protocolo de comunicación para la transmisión de datos entre la PC y el microcontrolador . Diseñar el código de programación del microcontrolador que permitirá la interpretación y ejecución de código G.
7 Fabricación de Circuitos Impresos por FresadoAislar las pistas del resto del cobre circundante mediante el fresado de su contorno lateral. Emplea fresadoras de control numérico y sistemas CAD CAM que procesan la información de los archivos para el mecanizado automático
8 Descripción General del ProyectoPROCESO DE DISEÑO
9 Especificaciones de DiseñoDespliegue de la función calidad QFD Requerimientos o necesidades del Cliente Prioridades Requerimientos Técnicos Matriz Correlación Comparación con la competencia Importancia Requerimiento Evaluación de Ingeniería 5 2 4 7
10 Cada curso tiene 2 horas de laboratorio por semanaParámetro Especificación Dimensión Máxima del material 260 x 240 mm (Formato D3) Área de Trabajo 352 x 268 mm Precisión 0.1 mm Repetibilidad ± 0.1 mm Velocidad de Taladrado 30 Agujeros/min Velocidad (Travel Speed) 500 mm/min Motores Paso a paso 12 kg.cm (lazo abierto) Peso 30 kg Interfaz de comunicación USB HID Software Procesamiento de Imágenes Considerando: Horario de atención de los laboratorios es de 7:30 am a 5:00 pm (9 horas y 30 min) Cada curso tiene 2 horas de laboratorio por semana El tiempo promedio de fresado y taladrado de 1 circuito impreso seria aproximadamente de una hora y que la máquina no está diseñada para realizar circuitos en serie, se determina que la prototipadora realizará 5 placas por día.
11 Sistema Mecatrónico
12 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICORecopilación de toda la información pertinente para la creación del prototipo y formulación de varias alternativas de solución. Después de analizar y comprar las alternativas se selecciona la mejor de ellas. Fases del Diseño Mecánico
13 Ciclo de Producto Típico
14 Sistema de Movimiento LinealLa prototipadora CNC tendrá tres ejes. Dos de ellos se asocian al movimiento en el plano horizontal (movimiento longitudinal y transversal), mientras que el tercero es el desplazamiento vertical del cabezal de la máquina.
15 Husillos de bolas Transmisión por piñón cremallera Accionamiento porPara lograr el movimiento en cada uno de los ejes se debe seleccionar actuadores mecánicos, los cuales convierten el movimiento rotativo del motor en movimiento lineal Husillos de bolas Transmisión por piñón cremallera Accionamiento por motor lineal Selección: Sistema de transmisión de movimiento por husillo de bolas Longitud máxima del husillo es 450 mm Opción más económica. Garantiza una marcha suave Mínimo rozamiento Aceptable velocidad de trabajo.
16 Cálculos de IngenieríaPotencia del motor portaherramientas Potencia en fresado Potencia en taladrado Diseño de guías lineales Dimensionamiento del diámetro del eje Z Dimensionamiento del diámetro del eje Y Dimensionamiento del diámetro del eje X Husillo de Bolas Torque Requerido
17 Potencia Motor Porta-herramientasLa potencia que fue calculada para cada caso es: Fresado: 9.49 W Taladrado: W Por lo tanto la potencia del motor portaherramientas debe ser mayor a: 26.16 W
18 Dimensionamiento del Diámetro de los EjesPara calcular el diámetro del eje se requiere calcular el momento flector máximo al que está sujeto el eje, este depende de la posición en la que se encuentren los rodamientos y del valor de las fuerzas resultantes sobre el eje. Proceso de dimensionamiento: Fuerzas en la herramienta Fuerzas resultantes: Taladrado Fuerzas resultantes: Fresado Momento Flector máximo Diámetro del Eje Guía 1 Guía 2
19 Fuerzas sobre la herramientaLz 𝐋𝐳𝐭=Carga total vertical en 𝒕𝒂𝒍𝒂𝒅𝒓𝒂𝒅𝒐 𝐋𝐳𝐟=Carga total vertical en 𝒇𝒓𝒆𝒔𝒂𝒅𝒐 Placa de Circuito Impreso 𝐅𝐜𝐱=𝐟𝐜∗ 𝐜𝐨𝐬 ∝ (carga en x) 𝐅𝐜𝐲=𝐟𝐜∗ 𝐬𝐢𝐧 ∝ (carga en y)
20 Diámetro de los Ejes Datos de entrada:𝑆𝑦=210 𝑁/𝑚 𝑚 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜) 𝑀= 𝑁∙𝑚𝑚 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐹𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝐹𝑠=2.5 𝑎𝑑𝑖𝑚 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 Ecuaciones: 𝜎𝑚𝑎𝑥= 𝑆𝑦 𝐹𝑠 𝑆𝑚= 𝑀 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑧= 3 32∗𝑆𝑚 𝜋 Resultados: 𝜎𝑚𝑎𝑥=84 𝑁/𝑚 𝑚 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑆𝑚= 𝑚 𝑚 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝒅𝒛>6.15 𝒎𝒎 𝑫𝒊𝒂𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝒆𝒋𝒆
21 Eje Y: 𝒅𝒚> 𝒎𝒎 Eje X: 𝒅𝒙>12.68 mm
22 Selección del husillo de Bolas:Velocidad A =1200 mm/min*1pulg/25.4 mm =47.24pulgmin Todos diámetros de los husillos que están sobre y a la derecha de la intersección son adecuados para esta aplicación. En el Catálogo de la página Techno. Inc, el código corresponde a un husillo de bolas con diámetro de 3/8 pulgada. Por lo tanto elegiremos un husillo con un diámetro mayor al obtenido (16 mm) Longitud entre soportes Soporte Husillos SELECCIÓN DEL DIÁMETRO
23 Selección Husillo de BolasC0 a C5 Linealidad direccionalidad C7 a C10 error de distancia de recorrido Combinaciones estándar del eje de husillo y paso (mm) Combinaciones estándar de diámetros exteriores y pasos de los ejes de husillo (husillos de bolas que cumplen con los estándares DIN) Selección de nivel de precisión por aplicación
24 Torque Requerido 𝑻𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=7.046 𝑥 2.5=17.615 𝑜𝑛𝑧∗𝑝𝑢𝑙𝑔Acelerar el peso Acelerar el husillo Acelerar el rotor del motor Vencer la fuerza de fricción 𝒘=𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑙𝑏 𝒑=𝑝𝑎𝑠𝑜 ( ℎ𝑖𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑢𝑙𝑔 ) 𝑰 𝒆𝒒 =𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑙𝑏.𝑝𝑙𝑔²) D= 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑢𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑙𝑎𝑠 L= 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑢𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑙𝑎𝑠 𝑰 𝒆𝒒 =𝒘 𝒙 𝟏 𝒑 𝟐 𝒙( 𝟏 𝟐𝝅 )² 𝑰 𝒉𝒖𝒔𝒊𝒍𝒍𝒐 = 𝐷 4 𝑥 𝐿 𝑥 0.028 𝑰𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=𝑰 𝒆𝒒 +𝑰 𝒉𝒖𝒔𝒊𝒍𝒍𝒐 +𝑰 (𝒓𝒐𝒕𝒐𝒓) 𝑰𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=𝒘 𝒙 𝟏 𝒑 𝟐 𝒙 𝟏 𝟐𝝅 𝟐 + 𝐷 4 𝑥 𝐿 𝑥 𝑰 𝒓𝒐𝒕𝒐𝒓 𝑻=𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 (𝑜𝑛𝑧∗𝑝𝑢𝑙𝑔) 𝑰𝒐=𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 (𝑙𝑏∗𝑝𝑢𝑙𝑔)² 𝒘 ′ =𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑟𝑎𝑡𝑒(𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠/𝑠) 𝜽=Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑎 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑻=𝟐 𝒙 𝑰𝒐 𝒙 𝒘 ′ 𝒕 𝒙 𝝅 𝒙 𝜽 𝟏𝟖𝟎 𝒙 𝟏 𝟐𝟒 El torque necesario para acelerar el sistema 𝑻𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=7.046 𝑥 2.5= 𝑜𝑛𝑧∗𝑝𝑢𝑙𝑔
25 Selección de ElementosEjes Husillos de Bolas Motor a Pasos NEMA 23 SFU1605-C7 Rodamientos Lineales SCS16UU y SCS16LUU. SFU1204 Acople Flexible Acoplamiento de Mordaza Rodamiento de Ranura profunda 6800 zz
26 Diseño asistido por ordenador (CAD)SISTEMA CAD CAM Diseño asistido por ordenador (CAD)
27 CAE -Ingeniería Asistida por OrdenadorMÉTODO ANÁLISIS POR F.E.M 16 Mpa< 84 Mpa. 3.5 Mpa < 84 Mpa. Comprobar que no se sobrepasan los esfuerzos límites en las guías y en la estructura Determinar la deflexión máxima de los ejes.
28 CONSTRUCCION DE PIEZASAleación Aluminio 6063 Resistencia mecánica Durabilidad Resistencia a la corrosión. Duralón Rigidez Dureza, Ductilidad Manufacturabilidad.
29 ENSAMBLE Acople Husillo Motor
30 Sistema de Control
31 Diagrama de bloques de los componentes del sistema:
32 Microcontrolador:
33 Control de posición y velocidadFrecuencia Posición Flancos
34 Interpolación lineal – G00/G01∆𝑥= 𝑥1−𝑥0 ∙ 400 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 5𝑚𝑚 ∆𝑥 =𝑛𝑝𝑥
35 Componentes de la velocidad lineal: 𝒅= ∆𝑥 2 + ∆𝑦 2 + ∆𝑧 2 𝑽= 𝑑 𝑡𝒅= ∆𝑥 2 + ∆𝑦 2 + ∆𝑧 2 𝑽= 𝑑 𝑡 𝑽𝒙= ∆𝑥 𝑑 ∙𝑉 𝒏𝒗𝒙= 3 8∙𝑉𝑥∙𝑇0 𝑽𝒚= ∆𝑦 𝑑 ∙𝑉 𝒏𝒗𝒚= 3 8∙𝑉𝑦∙𝑇0 𝑽𝒛= ∆𝑧 𝑑 ∙𝑉 𝒏𝒗𝒛= 3 8∙𝑉𝑧∙𝑇0 d = distancia total a recorrer. V = velocidad lineal de avance de la herramienta. t = tiempo total que toma recorrer la distancia d. Δx, Δy, Δz = distancia a recorrer en cada eje. Vx, Vy, Vz = Velocidad de avance en cada eje. nvx, nvy, nvz = Cantidad de interrupciones necesarias para alcanzar velocidad de avance en cada eje. T0 = Tiempo de interrupción por desbordamiento del Timer0
36 Control Velocidad Motor Porta-herramientasProcedimientos PWM: Inicializar: Ejecuta los comandos necesarios para configurar los valores iniciales para el Timer 2 y el módulo PWM. Solo se utiliza al inicio del programa. Ciclo de Trabajo: Con esta función se pude indicar el porcentaje que se desea del ciclo de trabajo, variando este valor se puede mover el motor DC a diferentes velocidades. Iniciar: La onda PWM se activa. Detener: La onda PWM se desactiva. Módulo PWM
37 Software
38 Software: Diseño conceptual Datos del programaArquitectura del programa Interfaz Hombre-Máquina Diseño procedimental
39 Datos del programa: Herramientas Ejecución del código G ImágenesEspesor del PCB Profundidad de fresado Agujeros Pistas Fresa de borde Código G Tiempo Brocas Fresas Pixeles X Pixeles Y Longitud X Longitud Y Imagen Generación de código G Cero de pieza X Cero de pieza Y Cero de pieza Z Posición X Posición Y Posición Z Emisión USB Recepción USB Línea de código G
40 Arquitectura del programa:
41 Localización de agujeros
42 Identificación de pistas
43 Bandera de inicio de programa Interpolación lineal rápidaGeneración de código G Códigos G - Encabezado Códigos G - Cambios de herramienta y finalización % Bandera de inicio de programa :1000 Programa número 1000 G17 Plano XY G21 Unidades mm G40 Cancelar compensación G54 Memoria cero de pieza G54 G80 Cancelar ciclos enlatados G90 Coordenadas Absolutas G94 Avance mm/min Códigos G - Taladrado Códigos G - Fresado M03 Encendido del motor portaherramientas sentido horario M05 Apagado del motor portaherramientas M06 Cambio de herramienta M30 Finalización del Programa CNC G28 Posición referencial HOME G80 Cancelar ciclos enlatados G81 Secuencia de taladrado G99 Activar nivel R G98 Activar nivel Inicial G00 Interpolación lineal rápida G01 Interpolación lineal estándar
44 Comunicación USB mchid.dll Comunicación USB Clase HID Versión 2.0 TipoFull-Speed Velocidad 12 Mbps
45 Protocolo de comunicaciónEl protocolo de comunicación se refiere a las reglas y procedimientos que se siguen para comunicar el computador con el microcontrolador.
46 Conclusiones Se diseñó y construyó la prototipadora ESPE-MCT001 con tres ejes de posicionamiento, la cual implementa tecnología de mecanizado controlado por CNC y procesamiento de imágenes, lo que redujo el tiempo en un 40% en relación con la fabricación de circuitos impresos por métodos convencionales y facilitara la elaboración de circuitos impresos a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecatrónica. El diseñó del sistema mecánico de la prototipadora CNC se realizó en base a los requerimientos técnicos obtenidos de la matriz QFD (Quality Function Deployment) y cumplió con el requerimiento más importante que es la precisión de 0.1 mm, debido a que se utilizaron guías lineales y husillos de bolas de precisión.
47 Conclusiones Para el proceso de diseño y construcción se utilizaron herramientas de ingeniería de vanguardia como son el CAD para el diseño del prototipo, el CAE para la evaluación del mismo y el CAM para el proceso de la fabricación de partes. Se desarrollaron los algoritmos necesarios para el procesamiento de imágenes utilizando las herramientas del módulo de visión de LabVIEW, lo que permitió determinar con exactitud las coordenadas pistas y agujeros de un circuito impreso, para la generación de código G.
48 Conclusiones Se diseñó el sistema de control para el posicionamiento y velocidad de los tres motores mediante la creación de un algoritmo de interpolación lineal y su codificación en un microcontrolador que a su vez interpreta el código G recibido del computador. Se desarrolló el protocolo de comunicación entre el computador y el microcontrolador, este protocolo cumple con las características deseadas pues opera mediante el estándar USB y permite la ejecución de código G y visualización de los parámetros de movimiento de la máquina en tiempo real.
49 Recomendaciones Se recomienda que el área de Mecatrónica del Departamento de Energía y Mecánica continúe con la investigación y proponiendo temas de iniciación científica en el campo de la tecnología CNC y visión artificial que redundará en el mejoramiento, industrial del país. Esta tecnología bien podría servir en campos como la industria de: Mecanizado 3D en distintos materiales (madera plástico, PVC, etc.), grabados, fabricación de moldes, joyería, fabricación de armarios y gabinetes eléctricos, etc.
50 Recomendaciones Otro tema de investigación podría ser el fresado simultáneo en dos ejes de circuitos de doble capa, con el fin de disminuir el tiempo de fabricación; o en lugar de fresado se podría analizar cuán conveniente es utilizar tecnología láser. Se podrían realizar proyectos en la asignatura de diseño mecatrónico que consistirían en la implementación de un controlador mach3 para mecanizado 3D. Se recomienda realizar la investigación acerca del control de profundidad de fresado en las placas de circuito impreso, detección automática del cero de pieza y cambio de herramientas automático.
51 Gracias!