Mi propio diseño de sistema CNC (hardware y software)

[Valen]

Hoy, los muchachos de Google me han dado una alegría: Han modernizado "Google Sites" que es donde tengo alojada mi página web, ya que es totalmente gratuito.
En esa modernización, te permiten reconvertir tu página, a un formato más moderno, mediante un sencillo proceso.

Al final, ha quedado muy bien, y estos días ajustaré las pocas cosas que se han descolocado.
https://sites.google.com/site/controlofmachines/home

También aprovecharé para generar algunas imágenes nuevas de las placas electrónicas que ido desarrollando para máquinas herramienta medianas y pequeñas. Es muy trabajoso, todo a base de SketchUp y renderizados, así que me llevará unos días. Esta es la última imagen que he generado, hoy mismo.



En ella vemos que se incluye el control para un eje de un indexador o mesa giratoria, actuando como posicionador: 
https://sites.google.com/site/controlofmachines/proyectos-completos/rotarytableindexer?authuser=0

Estos días he modernizado su app:
https://play.google.com/store/apps/details?id=common.Module.Bluetooth

para que ofrezca una interfaz semejante a la del proyecto explicado en este hilo. También he unificado los cuadros de diálogo, los avisos, los colores empleados... y he revisado el código fuente, para implementar algunas mejoras y añadir alguna funcionalidad. Con todo ello, pretendo que mis proyectos resulten lo más profesionales posible.

En ambas aplicaciones Android he estado haciendo un gran esfuerzo para eliminar cualquier aviso mostrado por el compilador Android Studio, como una forma de garantizarme que la aplicación funcionará correctamente durante las próximas versiones de Android, sin necesidad de cambiar nada.

[Valen]

Manual de usuario.
Ningún producto es nada, si no va acompañado de un buen manual de usuario. En este enlace:

https://1drv.ms/b/s!AhT-j3GeVZzjgapeCxh0A4SLQYO5JQ

se puede descargar una primera versión -actualizada- del manual de uso de este equipo.

Es la versión en español, aunque espero tener la versión en inglés antes de fin de año. Ya vermos, porque últimamente estoy muy ocupado.

[Valen]

Revisión para garantizar un diseño estable en el tiempo.
Durante los meses pasados he estado terriblemente ocupado, pero eso no quiere decir que no haya avanzado en este proyecto.
Realmente, es un producto que está terminado al 100% pero he querido llevar a cabo algunas tareas más, para que no surjan modificaciones al cabo de uno o dos años, debido a la obsolescencia de los componentes electrónicos.

Para lograr que sea un producto estable, he seleccionado componentes críticos cuya producción está garantizada durante, al menos, quince años:
https://www.st.com/content/st_com/en/support/resources/product-longevity.html

También he llevado a cabo la migración del micro-controlador principal, un STM32F765 de ST Microelectronics (13€ + IVA):
https://www.mouser.es/ProductDetail/STMicroelectronics/STM32F756VGT6?qs=sGAEpiMZZMvdy8WAlGWLcM2JFV36CFTPB9%252B2EyGkDWE%3D

al modelo de micro-controlador que acaba de salir al mercado (año 2019), un STM32H746 (19€ + IVA):
https://www.mouser.es/ProductDetail/STMicroelectronics/STM32H743VIT6?qs=FNcb6ahWXRw0Me5k2ZHgWw==

Como se ve en los precios de los productos, el nuevo micro-controlador es sensiblemente más caro (6€) por lo que. a la fecha, su uso no está justificado. Sin embargo, será el que a la larga sustituya al modelo que utilizo actualmente, por lo que he preferido adelantarme y dejar hecha la migración de todo software.

Además:
He traducido el manual a Inglés, así que ya se puede desacargar en dos idiomas: Español y en Inglés:
https://sites.google.com/site/controlofmachines/descargas?authuser=0

También he seguido probando el desarrollo. En la imagen, se ve un test con un motor de 4 Amperios, y otro de 2 Amperios.

[Valen]

Proceso de migración a otro chip.
De cara a garantizar la duración de este diseño, lo acabo de migar al nuevo producto de ST Microelectronics. ¿Cómo se hace este proceso?
En primer lugar, hay que construir una placa de control, que monte el nuevo chip (del STM32 F756 al STM32 H473):



En la imagen compuesta:
Una vez aplicada la pasta de soldar, y colocados los componentes SMD en sus posiciones, pasamos a soldarlos en el horno de infrarrojos. En las imágenes se ve:
- Placa de control, sobre la bandeja del horno.
- Interior del horno, durante el incremento máximo de temperatura.
- Horno, con la imagen de la curva de calentamiento que se está siguiendo. Para ello, el sistema de control utiliza un chip ARM Cortex, que implementa un algoritmo PID.
- Detalle de la gráfica de calentamiento que almacené hace tiempo, y que es acorde a la pasta de soldar que utilizo en estos proyectos. Los puntos gruesos son los puntos que realmente alcanza el sistema.

En la siguiente foto vemos todos los aparatos empleados:
- Arriba, un conjunto completo, con el chip que actualmente utilizo en estas placas (STM32 F765 ó el SMT32 F767).
- A la izquierda, una placa gris de desarrollo que vende el fabricante para que puedas hacer los primeros test sin necesidad de montar el circuito completo.
- A la derecha, la placa de control con el chip ya migrado (STM32 H473).



Todos los cambios han de ser testeados en profundidad.... 

[Valen]

Finaliza el test de integración del mico-controlador STM32 H743, a 400MHz
Ayer, por fin, he podido terminar de validar el funcionamiento de este sistema CNC con el futuro micro-controlador STM32 H743, analizando su comportamiento al más bajo nivel. Todo OK.

La imagen que se presenta a continuación, se ve el trozo de código fuente que verifica cuántas placas de potencia están instaladas (el sistema admite 4 ejes, pero puede funcionar con cualquier número de ejes menor que esa cantidad).
También se de la pantalla del analizador de señales digitales que he conectado al bus de comunicaciones entre el micro-controlador principal STM32 H743 y los micro-controladores especializados de las cuatro placas de control de motores.

Para verificar si la placa está instalada, se envía a cada una de ellas, un comendo de "get status" para que nos digan que OK, que allí están dispuestas a lo que haga falta!   

Ese comando ocupa tres bytes 0xD0, 0x00, 0x00 y el micro de la placa de potencia responde 0xE0, 0x03 para decir OK.

En la imagen se muestra cómo funciona el bus:

1) El micro principal pone a cero la patita "enable" conectada al micro de la placa de potencia, para indicarle que ha sido seleccionada, y que le va a enviar comandos. (El paso de "1" a "0" ha quedado fuera de la pantalla).
2) Entonces se activa el reloj, enviando ocho pulsos para enviar cada byte (8 bits). Cada bit se envía en un flanco de subida del reloj.
3) Después de recibir el primer byte (0x0D), el micro de la placa de potencia comienza a responder, y envía su primer byte de respuesta 0xE0.
4) A continuación, el micro principal envía otros dos bytes 0x00 y termina de recibir la respuesta del del micro de la placa de potencia 0x03
5) Para finalizar, el micro principal pone a "1" la patita "enable" conectada al micro de la placa de potencia, para indicarle que ha sido des-seleccionada, y que ya no atienda a comandos por el bus SPI.




Para los especialistas y aficionados a desarrollos de placas electrónicas destinados a máquinas herramienta:
En detalle, esta es la comunicación a través del bus SPI, cuando se envía un comando "get staus" de tres bytes 0x0D, 0x00, 0x00 y se obtiene una respuesta "OK" del micro de la placa de potencia 0xE0, 0x03
Vemos que en canal "MOSI"  (Master Output, Slave Input) se evía el byte 0xD0 que en binario es 11010000 Si nos fijamos en los flancos ascendentes de los pulsos del reloj, esos son los estados de la línea MOSI: Los dos primeros pulsos coinciden con un nivel alto de la línea, lo que indica "11". El siguiente flanco de subida del reloj coincide con un valor bajo en la línea MOSI, que indica "0". El cuarto pulso coincide con un nivel alto, que indica "1" y los cuatro últimos pulsos coinciden con nivel bajo en la línea MOSI, que indican"0000". Todo ello forma un valor 11010000 que es el  0xD0 que queríamos transmitir.

[Valen]

Uso del sistema de cuatro ejes para controlar un indexador.
El cuarto eje de un sistema CNC suele ser un eje giratorio, ya sea una mesa giratoria o un indexador.

En las imágenes presentadas a continuación, se muestra la preparación de una pieza de resina, sobre la que se va a trabajar. Se está centrando en un plato de cuatro garras, usando para ello un calibrador de altura, y haciendo girar el indexador con el sistema CNC de cuatro ejes explicado en este hilo.


En el siguiente vídeo se aprecia la forma de trabajar, desde un teléfono móvil convencional Android.

https://youtu.be/_rqZ0l9jSno

En el vídeo se ve como el indexador gira 180 grados, para verificar la altura en cada garra. A continuación se incluye una vista de detalle de un giro completo de 360 grados, a derechas y a izquierdas, para mostrar que no hay error en el giro, más allá del típico backslash.

[Valen]

Fabricación de engranajes rectos, con fresa de perfil de involuta.
En este apartado vamos a mostrar cómo se fabrica un engranaje recto, a partir de una probeta de resina de poliuretano y mi sistema CNC, controlado deste un teléfono móvil Android. El uso de piezas de resina de poliuretano me permite mecanizar en mi domicilio sin provocar demasiado ruido.
La probeta tiene diámetro 29,5mm y espesor 9mm

Para poder llevar a cabo este trabajo, he necesitado fabricar un soporte en barra de latón. La probeta se atornilla a este soporte, lo que me permite cambiarla con facilidad.

En el eje giratorio se coloca el soporte de latón, y en él se atornilla la probeta. Esta forma de sujección no aporta precisión en el centrado, por lo que el plato de sujección ha de ser de garras independientes. Como sabemos, este tipo de plato permite centrar cualquier pieza por muy descentrada que esté.




Equipo CNC empleado.
En cuanto al equipo CNC, vamos a utilizar dos de los desarrollos que se muestran en mi página web:

- Placa de potencia. Se encaga de alimentar el motor de la fresadora.
https://sites.google.com/site/controlofmachines/proyectos-completos/unidad-v-desarrollo-de-proyectos

- Sistema CNC. Se encarga de controlar los 4 motores paso a paso de la fresadora CNC.
https://sites.google.com/site/controlofmachines/proyectos-completos/control-maquina-4-ejes

En esta imagen se muestra el engranaje ya terminado, junto al equipamiento empleado. Se ve también el teléfono móvil Samsung Galaxy utilizado para ejecutar la app de fabricación que desarrollé para mi sistema CNC.




Vídeo del proceso, paso a paso.
En este enlace se puede ver un vídeo detallado del proceso. Consta de tres partes, con diferentes perspectivas y grados de zoom, para mostrar una visión completa del proceso.
https://youtu.be/5GML-i-LKCE



Fotos de detalle de la fabricación.
El proceso de fabricación, mostrado en estas seis imágenes ha ido perfecto. En la imagen final se ve el resultado. A pesar de estar trabajando con resina, en vez de metal, el perfil de los dientes y su distribución a lo largo de la cirfunferencia, es correcto.

[Valen]

Fabricación de engranjes helicoidales y rectos, con fresa en V

En este apartado vamos a fabricar un engranaje utilizando una fresa recta, terminada en punta. Idealmente, esta punta ha de tener el perfil de los dientes de engranaje, a ambos lados. Esto es difícil de conseguir, por lo que el método no es muy preciso, y se emplea generalmente como una solución sencilla cuando no disponemos de fresas con perfil de involuta, y no nos merece la pena hacer esa inversión. Sería el caso de la reparación de un juguete, etc.

El objetivo de este trabajo es fabricar un engranaje helicoidal, con 15 grados de inclinación.



Ajuste de la pieza en el eje giratorio.
El primer paso es ajustar la probeta de resina, hasta lograr que esté perfectamente centrada con el eje. En la imagen mostrada a continuación, se ha empleado un micrómetro Mitutoyo montado sobre un soporte articulado Starrett y el accionamiento se ha llevado a cabo mediante la app Android de control de mi sistema CNC, que incluye una funcionalidad para gestionar un indexador.



Posicionamiento inicial.
El siguiente paso es posicionar la fresa en las coordenadas X-Y-Z del punto de partida para la fabricación del engranaje.



Proceso de fabricación.
En este enlace se puede ver un vídeo del proceso.
https://youtu.be/QNSCSCmZ2p4


Resultado obtenido.
Finalmente se han mecanizado los 47 dientes del engranaje helicoidal, con 15 grados de inclinación.

[ManArt CNC]

Un trabajo excelente.

[Borsalino]

¡Buenas Noches!¡Impresionante Trabajo!En tu linea

[Tecleador]

Gracias por todas las explicaciones. Da gusto leerte y aprender algunas nociones para un ignorante en estos temas. 

[kankarrio]

solo de pensar las horas y todo lo que se necesita saber para llevar a cabo semejante proyecto de electronica me colapsa

[Valen]

Gracias a todos.

Este proyecto me ha llevado varios años. En ese periodo tuve que solucionar algunos puntos de bloqueo que estuvieron a punto de arruinarlo.

Para comenzar, el diseño de las placas electrónicas (placa base, placa de control y placas de potencia) no fue una tarea sencilla, y tuve que ir fabricando y puliendo varios prototipos sucesivos. Al hardware le pasa como al software: Lo diseñas lo mejor que puedes, con toda tu atención, lo revisas todo... y aún así -increíblemente- siempre salen pequeños fallos a corregir en el siguiente prototipo. Además, a veces, las hojas de datos de los componentes electrónicos no incluyen toda la información que necesitas, o a veces contienen errores que te hacen perder mucho tiempo. Yo tuve que consultar varias cosas al fabricante ST Microelectronics.

Respecto del software, el mayor problema fue que el chip inicialmente seleccionado no disponía de la memoria y velocidad necesaria para ejecutar un código tan complejo, con varias capas de software, por lo que se bloqueaba al cabo de un rato, o durante la ejecución de las funcionalidades más complejas.
También me costó depurarlo a fondo, porque cuando se usan muchos recursos hardware, es relativamente fácil que se te escape alguna cosa...

Afortunadamente, en la actualidad el equipo pasa tests de días enteros de funcionamiento ininterrumpido, sin problemas.

Conclusiones:
Estos proyectos me han permitido crear un "ecosistema" de placas electrónicas que yo considero básicas para poder sacar el mayor partido a los máquinas herramienta destinadas a aficionados y pequeños negocios.

En general, el desarrollo exitoso de los proyectos explicados en mi página web:
https://sites.google.com/site/controlofmachines/home
me ha permitido introducir nuevas tecnologías en el mundo de las pequeñas máquinas herramienta. Un trabajo de varios años que, como ingeniero industrial, me ha resultado muy satisfactorio.

Con ellos, creo que he contribuido a que las fresadoras y tornos de hasta 900 vatios pasen a ser mejores máquinas, haciéndolas más fiables, fáciles de usar, a la vez que las he añadido características propias de máquinas profesionales más grandes.

Ha sido un viaje muy interesante. Sin embargo, ya no tengo intención de abordar nuevos proyectos, y me limitaré a introducir mejoras, a mantener al día los actuales desarrollos, o a implementar versiones que solucionen problemas particulares.

Tambiés es posible que cree una web específica para vender mis placas electrónicas por Internet, aunque tengo que reflexionar sobre ello, porque sospecho que consumiría buena parte de mi tiempo libre, y no sé si estoy dispuesto. En fin, ya veremos, el tiempo lo dirá.....

De momento, espero seguir publicando casos de uso y demostraciones de lo bien que funcionan mis placas electrónicas.

[Valen]

Serigrafía en hoja de policarbonato brillante.

He ido a un comercio "WorkCenter" y he impreso una hoja A4 con los textos y gráficos que necesitaba para dar un acabado más profesional a mi sistema CNC.
Ahora sí que tiene la apariencia que yo quería, porque los diseños propios necesitan un esfuerzo extra en el acabado, para que su aspecto no desmerezca de los productos comprados en una tienda.









También he aprovechado para actualizar la caja CNC que monté con componentes de primera calidad, pero que ya no uso, al haber terminado mi propio diseño:






Por si alguien está interesado en construirse una, este es el desglose aproximado del coste de construir un Sistema CNC completo para tres ejes, como el de las fotos:

Fuente Traco Power, Tensión 24V dc, Corriente 6.3A:   100€
https://es.rs-online.com/web/p/products/4342803/

Fuente Traco Power 15W, Tensión 5V dc, Corriente 3A:    34€
https://es.rs-online.com/web/p/fuentes-de-alimentacion-de-modo-conmutado-smps-integradas/7066246/

Conexión a Mach3 ó Mach4 mediante cable USB al PC, marca Smooth Stepper: 190€
https://cnc-robotica.com/es/interfaces/135-smooth-stepper-ethernet.html?search_query=smooth+stepper&results=3

Tres etapas de potencia para los motores paso a paso: 75*3€ * 3 = 225€
Modelo usado: DMD522, cada módulo es capaz de proporcionar hasta 4,2 Amperios.
https://www.cncshop.at/Schrittmotor-Endstufe-MSD542
Descarga del manual:
https://1drv.ms/b/s!AhT-j3GeVZzjgpx9qjWYrVsgCsdhSg?e=VX77Ul

Placa breakout completa UNIPORT V2:  45€
https://diycnc.ecwid.com/UNIPORT-V3-p125423658

Caja de instrumentación, calidad profesional, en ABS, 250 x 275 x 100mm:  135€
https://es.rs-online.com/web/p/cajas-para-electronica/0504754/

Utillaje, conectores, portes del acopio de material: 150€
Seta de emergencia, conector USB interno, cable Ribbon, tres Conectores DIN empotrados, conectores cableados,
portafusibles, conector de red, pilotos señalización, empalmes desmontables, macarrón termorretráctil,
cables de señalización y de potencia, etiquetas adhesivas, ventilador, interruptor general con LED,
portes por los envíos desde España y Reino Unido, etc

En total, sale por unos: 850€

He utilizado marcas de calidad reconocida, porque no quería problemas ocasionados por hardware barato, como el que se ofrece en muchas webs chinas, a precios irrisorios.

Por ejemplo, un componente fundamental de una caja CNC es la fuente de alimentación de corriente continua, que alimenta a todo el sistema. Si no es de buena calidad, estará mal filtrada, y se producirán infinidad de interferencias en los circuitos de control, llegando incluso a "colgar" el sistema.
Además, ante demandas fuertes de energía, las fuentes de alimentación baratas (como las diseñadas para alimentar luces leds) no serán capaces de suministrar la potencia suficiente, y caerá la tensión de salida, llegando a interferir en el funcionamiento de los motores paso a paso.

Por ello, siempre utilizo fuentes de la firma suiza "Traco Power". Son lo mejor de lo mejor, aunque eso se paga, claro.

Además, he utilizado dos fuentes "Traco Power" independientes, una para los circuitos de control, y otra para los drivers de potencia de los motores paso a paso. Esta forma de trabajar minimiza la posibilidad de que llegue ruido eléctrico de la zona de potencia, a la zona de control, manteniendo ésta un funcionamiento estable y seguro.

Para la conexión del sistema CNC al ordenador, uso siempre la placa "Smooth Stepper", un producto USA que ya se vende en todo el mundo, por su excelente calidad, y que permite una configuración sencilla en Mach3 y Mach4.

La placa "breakout" que aisla el sistema CNC del ordenador, la compré en Reino Unido, y el diseñador es una persona muy atenta. Incluye relés para activar sistemas como la bomba de líquido de corte, etc.

Finalmente, preferí gastarme una buena cantidad de dinero en una caja de instrumentación de calidad profesional. No creo que la calidad de un producto industrial tenga que estar reñida con la estética, y en mi caso, que utilizo estos sistemas en mi domicilio particular, la partida de gasto quedaba aún más justificada.

Eso sí, montar una caja CNC, de forma que sus conexiones sean fiables, todo quede bien asegurado, y funcione como debe, es un trabajo de muchas horas, durante semanas. Yo acabé harto....

[Valen]

SISTEMA CNC COMPLETO PARA TRES EJES, en venta.

hoy he decidido poner en venta la caja CNC de tres ejes, en el apartado de "venta entre particulares":

https://foro.metalaficion.com/index.php?topic=33085.0

La razón es que no lo uso, y está guardado en un cajón del salón. Seguro que alguien le puede dar un buen uso.