Tesina proxxon

U.P.V UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
CONVERSIÓN DE UNA
FRESADORA MANUAL A
CNC
MÁSTER CAD/CAM/CIM
ALUMNO
AGUSTÍ RIPOLL TELLO
TUTOR
MANUEL MARTÍNEZ TORÁN

2 CONVERSIÓN DE UNA FRESADORA MANUAL A CNC
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1.OBJETIVO DE LA TESINA............................................................................................................. 3
2. Estado del arte .......................................................................................................................... 4
2.1 Máquinas herramienta........................................................................................................ 4
2.1.2 Tipos de fresadora........................................................................................................ 8
2.2 Control Numérico Computacional (CNC)........................................................................... 10
2.2.1 Métodos de programación de lenguaje CNC.............................................................. 16
2.2.2Softwares CAD/CAM ................................................................................................... 17
2.2.3 Estandarización de CAM STEPNC ............................................................................... 20
2.3Fenómeno FabLab y tecnología Lowcost ........................................................................... 22
2.3.1 Concepto, desktop, fabbing. ...................................................................................... 23
2.3.2 Fresadoras CNC domésticas....................................................................................... 24
3.Elementos constructivos.......................................................................................................... 25
3.1 Suconjunto Electrónico ..................................................................................................... 25
3.1.1 Motores PAP (generalidades)..................................................................................... 25
3.1.2Control de los motores paso a paso............................................................................ 32
3.1.3 Motores PAP bipolares y unipolares.......................................................................... 42
3.1.4 Drivers (controladores) .............................................................................................. 45
3.1 Subconjunto Mecánico............................................................................................... 59
3.2.1 Diseño inicial.............................................................................................................. 59
3.2.2 Fuerzas de corte......................................................................................................... 66
3.2.3 Modificaciones realizadas......................................................................................... 68
3.2.4 Puesta a punto de la máquina.................................................................................... 77
3.2.5 Pruebas de mecanizado ............................................................................................. 87
4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 92
5.TRABAJOS FUTUROS................................................................................................................. 93
6.BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................... 94

1.OBJETIVO DE LA TESINA
En este máster hemos tenido acceso a los diferentes tipos de tecnologías de
fabricación, conformado por deformación plástica, mecanizado por arranque de viruta,
inyección de material, así como fabricación aditiva mediante técnicas de impresión 3D o
sinterizado láser. Todos estos procesos están ligados a un diseño previo. La optimización del
diseño viene ayudado por la tecnología CAD.
El CAD es la base de todo desarrollo, los conceptos se deben de plasmar y definir antes
de empezar a desarrollarlos, una vez definidos son validados mediante herramientas de CAE,
en donde puede simularse la vida/funcionamiento de los objetos diseñados.
Las bases de estos conocimientos han sido desarrolladas en las diferentes asignaturas
de este máster, en esta tesina se han usado diferentes aplicaciones de las tres disciplinas con
el fin de validar el objeto diseñado. He intentado en lo mejor de lo posible, trasladar los
conocimientos adquiridos en las diferentes asignaturas con diferentes herramientas como
pudiesen ser, NX, Ansys o Proe a la plataforma que uso profesionalmente que es Solidworks.
Mucho se está hablando de la nueva corriente de fabricación doméstica de objetos
finales, así pues es esta tesina se ha intentado aplicar los conocimientos adquiridos para la
adaptación de una pequeña fresadora a funcionamiento controlado por ordenador, así como
comprobar su capacidad para la fabricación de objetos finales mediante programas
implementados en módulos de fabricación asistida.

2. Estado del arte
2.1 Máquinas herramienta
Las máquinas herramienta surgieron en la antigüedad como necesidad de solucionar
las primeras necesidades tecnológicas que le aparecieron a los hombres; pero no fue hasta el
siglo XIX cuando comenzó su utilización para agilizar la fabricación en masa del producto. Las
herramientas de nuestros antepasados, eran lógicamente manuales y para un uso doméstico.
Ilustración 1: Proceso de cilindrado en el antiguo Egipto
Ilustración 2: Boceto de un torno de Leonardo Da Vinci

Existieron otros diseños para el torno, que fue una de las primeras máquinas
herramienta utilizadas por la humanidad, como pudiera ser el torno por accionamiento de arco
o una evolución posterior como el torno por accionamiento a pedal.
No obstante en esta tesina la máquina herramienta desarrollada, es la fresadora. La
fresadora es un máquina de conformado de material por arranque de viruta mediante el
movimiento rotativo de una herramienta de uno o varios filos de corte, conocida comúnmente
como fresa.
La primera fresadora fue inventada por Eli Whitney en U.S.A para la agilización de la
fabricación de fusiles. Le fueron encargados por el gobierno federal una cantidad de 10.000
fusiles en dos años. Whitney se demoró bastante en la construcción de la maquinaria, pero
justo cuando parecía que iba a perder el contrato firmado, reunió a varios representantes
gubernamentales y los sorprendió ver como se podían montar fusiles desde piezas cogidas al
azar de varios montones diferentes. Esto hizo que el gobierno le firmara un contrato para
15.000 unidades más, Whitney entregó el material antes de dos años como prometió.
Ilustración 3: Fresadora de Eli Whitney
Sobre 1840, la empresa estadounidense Gay & Silver presentó una fresadora con soporte para
el husillo portaherramientas así como el mecanismo para la regulación vertical de la máquina.
En 1848 el ingeniero americano Frederick. W. Howe diseñó y fabricó para la empresa Robbins
& Lawrence la primera fresadora universal que incorporaba un dispositivo de copiado de
perfiles. Por esas mismas fechas se dio a conocer la fresadora Lincoln, que incorporaba un
carnero cilíndrico regulable en sentido vertical. A mediados del siglo XIX se inició la
construcción de fresadoras verticales. Concretamente, en el museo Conservatoire National des
Arts et Métiers de París, se conserva una fresadora vertical construida en 1857.

Ilustración 4: Fresadora Gay & Silver(arriba), fresadora Lincoln(abajo)

Hacia el final de la primera guerra mundial, el control de las fresadoras avanzó en
varios caminos que sentarían la base del actual sistema de control CNC. La invención de la
mandrinadora que permitía una rápida y precisa realización de agujeros fue la inspiración, ya
que su posicionamiento se basaba en coordenadas respecto a un centro de referencia, la
referencia de unidad de trabajo eran los “tenths”( diez-milésima parte de una pulgada). En
1920 se empezaron a utilizar los sistemas de pantógrafo, mediante el cual se permitía la
fabricación en masa de piezas mediante el patrón de una muestra original.
La fresadora más común que hoy conocemos fue la fabricada por Bridgeport[1] en
1938, su principal novedad era la cabeza deslizante y la torreta era rotativa. A comienzos de la
década de 1930, las ideas de combinar la mecánica con servomecanismos estaba ya en el aire,
pero fue inmediatamente después de acabar la guerra mundial, cuando estas ideas empezaron
a concretarse. Esta tecnología fue inmediatamente relacionada junta otra línea emergente, la
de los ordenadores digitales.
Ilustración 5: Fresadora manual común (Bridgepoint)

2.1.2 Tipos de fresadora
Las fresadoras pueden clasificarse según varios aspectos, como la orientación del eje de giro o
el número de ejes de operación. A continuación se indican las clasificaciones más usuales.
Fresadoras según la orientación de la herramienta
Dependiendo de la orientación del eje de giro de la herramienta de corte, se
distinguen tres tipos de fresadoras: horizontales, verticales y universales.
Una fresadora horizontal utiliza fresas cilíndricas que se montan sobre un eje
horizontal accionado por el cabezal de la máquina y apoyado por un extremo sobre dicho
cabezal y por el otro sobre un rodamiento situado en el puente deslizante llamado carnero.
Esta máquina permite realizar principalmente trabajos de ranurado, con diferentes perfiles o
formas de las ranuras. Cuando las operaciones a realizar lo permiten, principalmente al realizar
varias ranuras paralelas, puede aumentarse la productividad montando en el eje
portaherramientas varias fresas conjuntamente formando un tren de fresado. La profundidad
máxima de una ranura está limitada por la diferencia entre el radio exterior de la fresa y el
radio exterior de los casquillos de separación que la sujetan al eje portafresas.
Ilustración 6
Fresadora vertical.
En una fresadora vertical, el eje del husillo está orientado verticalmente, perpendicular
a la mesa de trabajo. Las fresas de corte se montan en el husillo y giran sobre su eje. En
general, puede desplazarse verticalmente, bien el husillo, o bien la mesa, lo que permite
profundizar el corte. Hay dos tipos de fresadoras verticales: las fresadoras de banco fijo o de
bancada y las fresadoras de torreta o de consola. En una fresadora de torreta, el husillo
permanece estacionario durante las operaciones de corte y la mesa se mueve tanto
horizontalmente como verticalmente. En las fresadoras de banco fijo, sin embargo, la mesa se

mueve sólo perpendicularmente al husillo, mientras que el husillo en sí se mueve
paralelamente a su propio eje.
Una fresadora universal tiene un husillo principal para el acoplamiento de ejes
portaherramientas horizontales y un cabezal que se acopla a dicho husillo y que convierte la
máquina en una fresadora vertical. Su ámbito de aplicación está limitado principalmente por el
costo y por el tamaño de las piezas que se pueden trabajar. En las fresadoras universales, al
igual que en las horizontales, el puente es deslizante, conocido en el argot como carnero,
puede desplazarse de delante a detrás y viceversa sobre unas guías.
Fresadoras especiales
Además de las fresadoras tradicionales, existen otras fresadoras con características
especiales que pueden clasificarse en determinados grupos. Sin embargo, las formas
constructivas de estas máquinas varían sustancialmente de unas a otras dentro de cada grupo,
debido a las necesidades de cada proceso de fabricación.
Las fresadoras circulares tienen una amplia mesa circular giratoria, por encima de la
cual se desplaza el carro portaherramientas, que puede tener uno o varios cabezales
verticales, por ejemplo, uno para operaciones de desbaste y otro para operaciones de
acabado. Además pueden montarse y desmontarse piezas en una parte de la mesa mientras se
mecanizan piezas en el otro lado.
Las fresadoras copiadoras disponen de dos mesas: una de trabajo sobre la que se
sujeta la pieza a mecanizar y otra auxiliar sobre la que se coloca un modelo. El eje vertical de la
herramienta está suspendido de un mecanismo con forma de pantógrafo que está conectado
también a un palpador sobre la mesa auxiliar. Al seguir con el palpador el contorno del
modelo, se define el movimiento de la herramienta que mecaniza la pieza. Otras fresadoras
copiadoras utilizan, en lugar de un sistema mecánico de seguimiento, sistemas hidráulicos,
electro-hidráulicos o electrónicos.
En las fresadoras de pórtico, también conocidas como fresadoras de puente, el cabezal
portaherramientas vertical se halla sobre una estructura con dos columnas situadas en lados
opuestos de la mesa. La herramienta puede moverse verticalmente y transversalmente y la
pieza puede moverse longitudinalmente. Algunas de estas fresadoras disponen también a cada
lado de la mesa sendos cabezales horizontales que pueden desplazarse verticalmente en sus
respectivas columnas, además de poder prolongar sus ejes de trabajo horizontalmente. Se
utilizan para mecanizar piezas de grandes dimensiones.
En las fresadoras de puente móvil, en lugar de moverse la mesa, se mueve la
herramienta en una estructura similar a un puente grúa. Se utilizan principalmente para
mecanizar piezas de grandes dimensiones.
Una fresadora para madera es una máquina portátil que utiliza una herramienta
rotativa para realizar fresados en superficies planas de madera. Son empleadas en bricolaje y
ebanistería para realizar ranurados, como juntas de cola de milano o machihembrados;
cajeados, como los necesarios para alojar cerraduras o bisagras en las puertas; y perfiles,

como molduras. Las herramientas de corte que utilizan son fresas para madera, con dientes
mayores y más espaciados que los que tienen las fresas para metal.
Fresadoras según el número de ejes
Ilustración 7:Centro de mecanizado de 5 ejes
Las fresadoras pueden clasificarse en función del número de grados de libertad que
pueden variarse durante la operación de arranque de viruta.
Fresadora de tres ejes. Puede controlarse el movimiento relativo entre pieza y
herramienta en los tres ejes de un sistema cartesiano.
Fresadora de cuatro ejes. Además del movimiento relativo entre pieza y herramienta
en tres ejes, se puede controlar el giro de la pieza sobre un eje, como con un
mecanismo divisor o un plato giratorio. Se utilizan para generar superficies con un
patrón cilíndrico, como engranajes o ejes estriados.
Fresadora de cinco ejes. Además del movimiento relativo entre pieza y herramienta en
tres ejes, se puede controlar o bien el giro de la pieza sobre dos ejes, uno
perpendicular al eje de la herramienta y otro paralelo a ella (como con un mecanismo
divisor y un plato giratorio en una fresadora vertical); o bien el giro de la pieza sobre
un eje horizontal y la inclinación de la herramienta alrededor de un eje perpendicular
al anterior. Se utilizan para generar formas complejas, como el rodete de una turbina
Francis.
2.2 Control Numérico Computacional (CNC)
Se puede considerar como al padre del sistema CNC a John T.Parsons un mecánico y
comercial de la empresa familiar, Parsons Corp. Tras un problema con el conformado de unas
hélices de helicóptero investigaron con un método para definir las superficies de contorno de
éstas. Parsons junto con la ayuda de Frank Stulen, aplicaron la tecnología de tarjetas
perforadas para obtener una geometría de 200 puntos que definirían la geometría para la
matriz de conformado de las alas. Las tiras de coordenadas se extendían en tierra y un
operario iba dictándolas a otros dos, uno encargado del eje X y otro del Y. Cada uno de los
operarios movía la herramienta de corte hasta el punto y mecanizaban.
El primer sistema CNC desarrollado por el MIT usaba relés. Los progresos posteriores
en VLSI y electrónica levaron al desarrollo de los actuales sistemas CNC y la tecnología de
fabricación asistida por ordenador. El esfuerzo por integrar CAD y CAM y después de todas las

actividades relacionadas con la fabricación dio como resultado el desarrollo de la fabricación
integrada en computador (CIM).
Esta tecnología se fusionó con el avance en cuanto a la electrónica y computadoras digitales,
abaratando y simplificando enormemente el proceso.
El principio de funcionamiento de este sistema es el control del movimiento de los ejes
mediante un programa informático ejecutado por un ordenador. En el caso de la fresadora, los
tres ejes X, Y ,Z son controlados mediante motores paso a paso o servomotores[2]. Cada uno
tiene sus ventajas e inconvenientes. Seguidamente se muestran las principales diferencia de
funcionamiento de este tipo de motores.
1. Caída de par a altas velocidades del motor a paso.
El motor a paso tiene un problema de sincronización a velocidades elevadas. El par de
salida disminuye debido a la frecuencia de conmutación de las fases del motor, pues a alta
frecuencia no se alcanza a energizar totalmente las bobinas del motor y por ende se pierde par
efectivo. Velocidades más altas son alcanzables con un servomotor DC o AC.
2. Curva de par constante del servomotor.
Los servomotores presentan una curva de par contra velocidad donde el par de salida
se conserva constante al aumentar la velocidad.
3. Rango de potencias.
El rango de potencia de los motores a paso no es tan amplio como el de los
servomotores, esto se debe a que los motores a paso de gran tamaño dejan de ser prácticos y
su construcción se complica. El motor a paso más grande puede ser de 10Nm mientras el servo
más grande puede llegar a los 800Nm.
4. Factor de potencia.
Un motor a paso tiene un factor de potencia más bajo que los servos. Es decir, con la
misma cantidad de energía eléctrica el servo puede generar pares mucho más elevados.
5. Ruido acústico

. El motor a paso tiene un ruido acústico característico mientras que la operación del
servomotor es muy silencios.
6. Par pico servomotores.
El servomotor puede entregar hasta un 300% de su par nominal en situaciones donde
se requiera una alta aceleración o una corrección inmediata de posición ante una
perturbación, mientras que el motor a paso pierde el paso al encontrar un par de oposición
mayor
Existen diversos diferentes paquetes de software para controlar la fresadora
automatizada, los más comunes son: EMC2, Mach3 (utilizado en este proyecto), TurboCNC,
KCAM.
Ilustración 8: Esquema básico de fresadora CNC
Softwares de control y traducción de código CNC

Software MACH3[3]
Mach3 es un paquete de software que corre sobre una computadora y lo vuelve en un
controlador de máquina muy poderoso y económico. Para correr Mach3 se necesita Windows
XP (o Windows 2000) idealmente corriendo en un procesador de 1GHz con una resolución de
pantalla de 1024 x 768 píxeles. Una máquina de escritorio dará mucho mejor rendimiento que
la mayor parte de los ordenadores portátiles pequeños y es considerablemente más barato.
Usted puede usar, por supuesto, esta computadora para cualquier otra función en el taller
cuando no es necesaria su máquina.
Mach3 se comunica principalmente por uno u opcionalmente dos puertos paralelos (de
impresora) y, si lo desea por un puerto serial (COM).Los Drives de los motores de los ejes de su
máquina deben aceptar una señal de pulsos de paso y de dirección. Virtualmente todos los
Drives de motores de paso a paso trabajan así, como lo hacen los modernas sistemas de
motores servo DC y AC con codificadores digitales. Tenga cuidado si usted está convirtiendo un
NC viejo cuyos servos pueden usar encoders para medir la posición de los ejes por lo que usted
tendrá que proporcionar un completo nueva Drive para cada eje.
Ilustración 9: Interfaz principal de Mach3
Mach3 es un programa muy flexible diseñado para controlar máquinas como las
fresadoras (y aunque nose describen aquí, maquinas de torneado). Las características de estas
máquinas usadas por Mach3 son:
Algunos controles de usuario. Un botón de parada de emergencia (EStop) debe ser
provisto a cada máquina
Dos o tres ejes que están en ángulo recto entre ellos(citados como X, Y y Z)
Una herramienta con movimiento relativo a una pieza de trabajo. El origen de los ejes
es fijado en relación con la pieza de trabajo. El movimiento relativo puede ser (i) el
movimiento de la herramienta (e.g. la púa de una fresadora mueve la herramienta en

la dirección de Z o una herramienta de torno montada sobre deslizado en cruz y una
montura mueve la herramienta en las direcciones de X y Z ) o (ii) por el movimiento de
la mesa y la pieza de trabajo (e.g. en una fresadora del tipo de rodilla la mesa se
mueve en las direcciones X, Y y Z)
Y opcionalmente:
Algunos interruptores que dicen cuando la herramienta está en la posición de inicio
"Home"
Algunos interruptores que definen los límites de movimiento relativo permitido de la
herramienta
Un husillo (Spindle) controlado. El husillo podría hacer girar la herramienta (fresa) o la
pieza de trabajo (torno).
Hasta tres ejes adicionales. Éstos pueden ser definidos como rotativo (e.g. su
movimiento es medido en grados) o lineal. Uno de los ejes lineales adicionales puede
ser puesto como esclavo de los ejes X o Y o Z. Los dos se moverán en conjunto todo el
tiempo en respuesta a unos movimientos del programa pero ellos serán referenciados
separadamente. (ver configurando ejes esclavos (Configuring slaved axes) para más
detalles).
Un interruptor o interruptores que enlazan los dispositivos de protección en la
máquina
Controles para el enfriador (líquido y/o niebla)
Una sonda en el sujetador de la herramienta que permite la digitalización de una parte
existente
Codificadores, como “Linear glass scale”, que puedan mostrar la posicion de las partes
de la máquina
Software Linuxcnc(EMC2)

Este paquete de softare es de código libre, las versiones más recientes de LinuxCNC[4] están
licenciadas bajo GNU General Public License y Lesser GNU General Public License(GPL y LGPL).
Linux CNC dispone de:
Diversas interfaces gráficas incluyendo las de tipo pantalla táctil.
Un intérprete de código G.
Un sistema de planificación de movimiento a tiempo real.
Operación con electrónica de bajo nivel de máquinas como sensores y accionadores.
Un software de programación de PLC mediante diagramas.
Además LinuxCNC es capaz de:
Puede mover simultáneamente mover hasta 9 ejes y soporta una gran variedad de
interfaces.
El control puede operar tanto con motores del tipo servo(analógicos o PWM) con el
feedback que proporciona el lazo cerrado de control mediante el software en el PC o
bien mediante el sistema de lazo abierto característico de los motores paso a paso y
sus drivers
Las diferentes características del sistema de control incluye: compensación de radio,
compensación de longitud de la herramienta, control de desviación de trayectoria
limitada a una tolerancia específica, roscado en torno, movimiento síncrono de ejes,
velocidad de avance adaptativa, operador de corrección de avance.
Un simple diagrama de bloques que muestra lo que podría ser un típico del sistema de 3 ejes
EMC2
Este diagrama muestra un sistema de motor paso a paso. El PC, utilizando Linux como su
sistema operativo, es en realidad el control de las unidades de motor paso a paso mediante el
envío de señales a través del puerto de la impresora. Estas señales (impulsos) que las
unidades de pasos mueven los motores paso a paso.

El EMC2 también se puede ejecutar a través de servo motores servo o las tarjetas de interfaz
mediante el uso de un puerto paralelo extendido o conectarse con tableros de control externo.
A medida que examinamos cada uno de los componentes que conforman un sistema de EMC2
vamos a recordar al lector a esta máquina típica.
2.2.1 Métodos de programación de lenguaje CNC
2.2.1.1Método de programación manual.
Recibe este nombre la codificación del programa en lenguaje máquina realizada sin
apoyo informático. En este tipo de lenguaje, el programador descompone la información en
operaciones elementales a ejecutar por la máquina, por ejemplo, un recorrido, un cambio de
herramienta, etc. Cada una de estas operaciones elementales constituye un "bloque" o una
fase del programa y es una línea horizontal del mismo. Las diferentes funciones a realizar por
la máquina dentro de cada bloque se identifican por el formato del bloque. En los lenguajes de
bloques de formato fijo cada posición tiene un significado determinado. Actualmente está en
desuso.
En los bloques de formato variable las funciones se identifican con una letra o
dirección y los caracteres que siguen a esta letra especifican el valor directo o codificado de
esta función. Es decir, un bloque se descompone en "funciones" o palabras definidas por una
letra dirección seguida de caracteres numéricos.

Según norma DIN 66 o 25, equivalentes a la ISO 1057, las direcciones utilizadas y sus
significados son:
N: numeración del bloque.
C: Función preparativa.
X Y Z: desplazamiento en las direcciones principales.
U V W: desplazamiento en las direcciones secundarias.
P Q R: desplazamiento según direcciones terciarias.
I J K: coordenadas de centros de círculos.
A B C: rotaciones alrededor de los ejes principales.
D E: rotaciones alrededor de ejes secundarios.
F: velocidad de avance de la herramienta.
S: velocidad de rotación de la herramienta.
M: función auxiliar.
2.2.1.2 Método de programación asistido por computador CAM
A pesar de que cada día los CN son más elaborados, la programación manual de los
mismos es ardua y muy dada a errores, por lo que los sistemas de programación asistida
cobran una gran importancia ya que una correcta programación optimizará la utilización
de la máquina, con el consiguiente aumento de rendimiento que ello supone en la
práctica. Uno de los principales beneficios de la utilización de estas máquinas es la práctica
eliminación de las pruebas en máquina, siendo muchas las empresas que pasan
directamente del programa en el sistema CAD/CAM al mecanizado del primer lote de
producción.
Las ventajas de programación mediante CAM[5]:
Se reducen los tiempos muertos.
Se facilita la valoración de soluciones alternativas para la reducción de precios o la
mejora de funciones.
Se facilitan los cálculos previos y posteriores de los precios así como su control
constante y configuración.
Se hace posible la optimización de la distribución del grado de utilización de las
máquinas.
Se consigue mayor flexibilidad
2.2.2Softwares CAD/CAM

La capacidad de mecanizar piezas cada vez más complejas en cuanto a forma viene
dada por la integración de los sistemas CAD a la fabricación. Actualmente los diferentes
paquetes de software CAM pueden leer e interpretar los diferentes formatos de archivo de los
paquetes CAD existentes en el mercado así como los diferentes archivos de intercambio de
datos CAD como puedan ser los de tipo IGES, STEP o STL[6][7][8].
Las necesidades de conseguir productos más económicos, de mayor calidad y con un
ciclo de vida cada vez más corto, hace imprescindible el uso de este tipo de sistemas. Mediante
la integración de CAD/CAM se consigue mejorar la calidad del producto final, abaratar costes
de producción así como el tiempo de diseño y proceso productivo.
Ilustración 10: Ciclo típico de producto
En esta gráfica vemos el ciclo típico de un producto determinado, a grandes rasgos el
camino de crear una idea en producto final pasa por dos procesos diferenciados; diseño y
fabricación. El proceso de diseño se divide as u vez en uno de síntesis, en la que tras analizar
todas las necesidades y exigencias de diseño se crea un modelo determinado. Luego está la
etapa de verificación, en la que mediante la ayuda de software CAE se analiza, corrige e
optimiza el producto creado.
Ingenieros y diseñadores industriales, tienen en el CAM su aliado para obtener de una
forma rápida una conclusión material a sus ideas y proyectos; puesto que la gran utilidad de
los sistemas CAM es la capacidad de transformar los sólidos-superficies obtenidos en el CAD a
líneas de programación de código G mediante el uso de postprocesadores que se encargar de
traducir las trayectorias mostradas en la pantalla por líneas de comandos.

HSMWORKS[9]
HSMWORKS es un software comercial Cam diseñado para trabajar íntegramente con
Solidworks(Aunque la marca Autodesk se ha hecho la principal accionista). Está perfectamente
integrado con Solidworks, siendo una de las extensiones más “naturales” para el usuario de
Solidworks. Dispone además de un software gratuito HSMEXPRESS en el cual se pueden
realizar rápidamente programas de mecanizado 2D y 2.5D
Ilustración 11:Interfaz de usuaruio HSMWORKS
GIBBSCAM
GIBBSCAM[10] es otro paquete CAM de la empresa Ciamtron. Incluye diversos
módulos que van desde el fresado, torneado, fresado de superficies, mecanizado en utillaje
tipo Tombstone, mecanizado en máquinas multi mandrino, mecanizado en centros
multieje,traductor de archivosCAD, mecanizado mediante hilo-EDM así como un módulo de
comprobación mediante palpador para la verificación del producto final.
Existen muchas más distribuciones CAM que son compatibles con la mayoría de
formatos CAD del mercado así como con los estándares de intercambio, más utilizados como
el STEp o IGES. Hay otros programas CAD de rango mayor en la cual la “suite” de mecanización
ya viene integrada como un módulo dentro del programa como puedan ser NX Unigraphics,
CATIA o PRoEngineer.
Todos estos programas tienen en común en que es el operario el que tiene que decidir
qué tipo de estrategia de mecanizado se ajusta más al diseño esperado en un principio, se
puede decir que son sistemas basados en operaciones de mecanizado. Las líneas de desarrollo
actuales para los sistemas de CAM van en torno al reconocimiento de “features”, es decir el
programa es capaz de interpretar la intención de diseño del usuario, reconocer el tipo de

operaciones que se han utilizado para el diseño y material de la pieza a mecanizar y así crear
automáticamente trayectorias y ajustar automáticamente los parámetros de corte. Esto es
conocido como AFR(Automatic Feature Recognition)[11]
La mayoría de las plataformas Cam se han subido ya al tren del reconocimiento
automático de operaciones, una de las plataformas que es pionera en este tipo de software es
la casa Delcam, con su programa Delcam Feature CAM. Este programa permite trabajar con los
tipos de archivo más comunes de ámbito CAD. Existe también una versión específica para
Solidworks llamada “Delcam for Solidworks” que se ha utilizado también para fabricar piezas
en esta tesina (aunque el aprendizaje y la “intuitivad” del programa debe mejorarse). No
obstante hay que decir que la mayor ventaja de este tipo de software se realiza para la
fabricación de piezas 2.5D (prismáticas) donde se obtiene una optimización del código
generado y tiempo de mecanizado.
2.2.3 Estandarización de CAM STEPNC
Las organizaciones para la estandarización están implementando un formato estándar
de reconocimiento de trayectorias para el mecanizado de archivos del tipo STEP,es el estándar
STEP NC AP238[12]. La clave de este tipo de programas es que si la máquina tiene las
capacidades necesarias (ejes, tamaño de la mesa etc..) Entonces el compilador será capaz de
convertir el programa en una secuencia de movimientos para esa máquina, si la máquina tiene
un programa propio para la ejecución de operaciones de corte ( Tool Cutter Programming
(TCP)) entonces los movimientos pueden ser ejecutados directamente sin conversión a
movimientos de eje.
Ilustración 12:Modelo tradicional de fabricación
Aquí la información puede perderse en el proceso porque información CAD incompleta
puede ser enviada, o bien porque modificaciones hechas en el proceso de CAM no son
implementadas otra vez en el CAD, puesto que solo información acerca de la superficie final es
comunicada al postprocesador, y seguramente porque el estándar RS274D sólo permite el
flujo de información en una dirección.
Con el nuevo método las empresas pueden continuar usando sus sistemas existentes
de CAD/CAM, pero el resultado es enviar a la máquina un archivo de estándar STEP NC AP238
en vez del tipo RS274D.
El archivo AP238 puede contribuir al desarrollo de programas de mecanizado de una
pieza más eficiente porque el programador sólo tiene que describir las tareas que

tienen que ser realizadas por la máquina y no los movimientos de la herramienta que
se tienen que realizar para conseguir esas tareas.
Ilustración 13:Modelo de fabricación mediante estándar STEP
El archivo AP238 permite al CNC a optimizar y comprobar el programa de mecanizado
para las herramientas disponibles cuando va a ser mecanizado en vez de tenerlas
fijadas cuando se hizo la planificación.
El archivo AP238 reduce la necesidad de una exhaustiva planimetría y permite al
proceso de fabricación enviar solicitudes de cambio de geometría de vuelta al diseño
respetando la información original sin alteraciones.
El archivo AP-238 hace la fabricación intercambiable entre máquinas y permite que la
pieza sea fabricada con máquinas con estructura diferente(ejes, tamaño de la mesad e
fabricación..)
Ilustración 14 :Pantalla del programa de dominio público STEPNC
El programa para la mecanización con este tipo de protocolo está disponible para la descarga
pública, existen diferentes archivos de piezas con amarres, herramientas, trayectorias para
desbaste, semiacabado y acabado. Así como parámetros de herramienta , tolerancias..

2.3Fenómeno FabLab y tecnología Lowcost
Un Fab lab (acrónimo del inglés Fabrication Laboratory) es un espacio de producción
de objetos físicos a escala personal o local que agrupa máquinas controladas por ordenadores.
Su particularidad reside en su tamaño y en su fuerte vinculación con la sociedad.
El concepto de Fab lab aparece al principio de los años 2000 en el Center fot bits and
Atoms (CBA) del Massachussets Institute of Technology (MIT) cuyo director era ya en esa
época Neil Gershenfeld[13]. Nace de una colaboración, en el seno del Media Lab del MIT, entre
el Grassroots Invention Group y el CBA, cuyas investigaciones giran en torno a la relación entre
el contenido de la información y su representación física y al empoderamiento de las
comunidades gracias a una tecnología de base. En el marco del desarrollo de sus
investigaciones, el CBA recibe una financiación del National Science Foundation (NSF) para
adquirir máquinas capaces de “construirlo casi todo”.
Según la definición de la Fab Foundation, un Fab lab se define de la siguiente manera:
Misión: los fab labs son una red global de laboratorios locales que favorecen la creatividad
proporcionando a los individuos herramientas de fabricación digital.
Acceso: cualquier persona puede usar el Fab lab para fabricar casi cualquier cosa (que no haga
daño a nadie); debe aprender a hacerlo por si solo y debe compartir el uso del laboratorio con
otros usuarios.
Educación: la enseñanza en el Fab lab se basa sobre proyectos en progreso y aprendizaje entre
pares; los usuarios deben contribuir a la documentación y a la instrucción.
Responsibilidad: los usuarios son responsables de:
1. seguridad: saber trabajar sin hacer daño a las personas ni a las máquinas
2. limpieza: dejar el laboratorio más limpio aún que antes de usarlo
3. operaciones: contribuir al mantenimiento, a la reparación, y al seguimiento de las
herramientas, de las necesidades y de los incidentes.
4. confidencialidad: los diseños y los procesos desarrollados en los Fab labs deben
quedarse accesibles al uso individual aunque la propiedad intelectual pueda ser
protegida según elección del usuario.
5. negocio: actividades comerciales pueden incubarse en los Fab labs pero no pueden
entrar en conflicto con el acceso abierto; deberían crecer más allá del laboratorio en
lugar de dentro; se espera que esos negocios beneficien a los inventores, laboratorios
y redes que han contribuido a su éxito.

2.3.1 Concepto, desktop, fabbing.
El abaratamiento de costes y la mayor facilidad para el acceso a la información están
propagando este fenómeno en el cual una persona cualquiera, con una inversión no muy
grande de dinero, puede ser capaz de fabricar una máquina personal perfectamente capaz de
fabricar diferentes tipos de piezas con el único condicionante de tener un pequeño espacio
libre en casa.
Ilustración 15:Máquina de escritorio con estructura mediante bloques de LEGO
Estamos ante probablemente una nueva “eclosión” en el ámbito de la tecnología,
como lo fue en su año la proliferación del ordenador personal así como la tecnología de
telefonía móvil. La simplificación en cuanto a complejidad de uso de los sistemas de diseño, y
la tendencia actual a la interactividad online entre personas seguramente derivará en un
cambio en el método de diseño fabricación y modelo de negocio del sistema actual. El actual
modelo en el cual una persona determinada tenía una idea y tenía que pasar por venderla a
una empresa, y que esta se hiciese cargo del sistema de producción, y tuviese que invertir
dinero para comercializar un producto y tal vez no obtener los resultado deseados puede verse
definitivamente influido por el fenómeno “fabbing”. Se puede decir que se le está brindando a
un constructor, más bien un artesano una herramienta para “automatizar” su fabricación. No
se necesita una inversión a gran escala para esto, una persona con un poco de idea será capaz
de fabricar piezas en poco tiempo y completamente funcionales.

2.3.2 Fresadoras CNC domésticas.
Este tipo de máquinas son las más extendidas en el ámbito de fabricación CNC, la
arquitectura de estas máquinas es la del tipo router, en estas máquinas el motor con la
herramienta de corte tiene al menos un movimiento adicional en X(mesa móvil) o dos en X e
Y. Son las máquina más versátiles puesto que tienen un mayor rango de materiales con que
trabajar. Las construcciones más comunes son aquellas para trabajar madera o materiales
blandos, son las más indicadas para trabajos que implican lotes de producción más grandes
que por ejemplo una impresora 3D.
Ilustración 16:Router CNC con estructura de madera
La máquina representada en la vista anterior muestra claramente el concepto de
fabricación personal, material aglomerado de madera para la estructura, varilla roscada como
husillo guía, motores paso a paso reciclados de una impresora y un mandrino de bricolaje
como mandrino de fresado.

3.Elementos constructivos
3.1 Suconjunto Electrónico
3.1.1 Motores PAP (generalidades)
El sistema de accionamiento de los husillos en los sistemas CNC se hace mediante
motores electrónicos, como hemos visto antes, los servomotores son el tipo de sistema que
nos garantiza unas vibraciones mínimas y un mejor control de posicionamiento de la máquina.
Por otra parte siguiendo la filosofía de automatizar una fresadora de bajo coste para su
posterior uso en FABLAB, nos hemos decantado por el uso de motores paso a paso.
El motor paso a paso (step motor) está concebido para el posicionamiento con
precisión y de forma discreta, con incrementos angulares de su eje, denominados pasos. Éstos
se producen en la inversión de la corriente por los devanados, que a su vez es controlada por
unos interruptores de estado sólido de potencia. A éstos llega una señal discreta proveniente
del circuito digital de control, el cual determina la acción del motor.
Existe una gran variedad de motores paso a paso, diferenciados entre si por su constitución y
forma de construcción. Entre éstos destacan tres tipos:
1. Motores de imán permanente.
2. Motores de reluctancia variable.
3. Motores híbridos.
Este tipo de motores se caracteriza por la utilización de un imán permanente cerámico
cilíndrico en el rotor. El imán está magnetizado radialmente en una serie de polos. El estator
está constituido por láminas de material ferro magnético, bobinado con el mismo número de
polos que el rotor.
El ángulo de paso de este tipo de motores depende del número de polos del estator y
el rotor. Debido a las características del material magnético utilizado en la construcción del
rotor, el número de polos de éste es limitado, por lo que los ángulos que se consiguen con este
tipo de motor son grandes.
En un intento de reducción del ángulo del paso se puede incrementar el diámetro del
imán del rotor, con ello se consigue aumentar el número de polos, pero también el momento
de inercia de éste (que para un cilindro aumenta con la cuarta potencia del diámetro). Esto
reduce drásticamente el par de arranque, por lo que esta posibilidad queda descartada. La

solución a adoptar consiste en construir el motor con más de un estator, con lo que se puede
obtener ángulos del paso inferiores a 3,75º.
Ilustración 17
El número de pasos para el motor viene determinado por la expresión:
Donde;
ne = número de devanados (fases)
np = número de polos
el ángulo por fase será:
Se puede afirmar que un motor con una sola fase no tendría sentido, puesto que el
sentido de arranque sería indeterminado y su cambio sería imposible. Por lo tanto el número
mínimo de fases en un motor paso a paso es de dos.
Con un motor de dos fase y dos polos por fase se puede controlar el sentido de giro en
la ilustración se puede ver el proceso de operación en esta arquitectura de motor. Vemos
como los polos se orientan con la entrada de corriente para llegar a una posición de equilibrio.
Si se invierte el orden de inversión de la corriente por las fases, el movimiento
igualmente se invierte, obteniendo una rotación del rotor en sentido anti horario.

Ilustración 18: Esquema de operación de un motor de dos polos y dos fases

El motor de reluctancia variable está constituido por un rotor de láminas
ferromagnéticas no imantadas, formando un cilindro alrededor del eje, éstas se encuentran
ranuradas de forma longitudinal, formando dientes (polos del rotor). La ranuración del rotor
conlleva una variación de la reluctancia en función de su posición angular.
Igualmente que el rotor, el estator está formado por láminas de material ferro magnético no
imantado, con una serie de ranuras en forma longitudinal, que albergan los bobinados de las
fases, y forman los polos del estator.
Normalmente la constitución del rotor y el estator es a base de láminas ferromagnéticas, pero
también se pueden encontrar unidades con constitución sólida de hierro dulce.
El número de dientes del rotor es menor que el número de dientes del estator, de
modo que sólo un par de polos del estator y su correspondiente par de polos del rotor pueden
estar alineados por fase. Esta construcción tiene la ventaja de conseguir pasos o
desplazamientos muy pequeños sin necesidad de aumentar el número de bobinas y permite
trabajar a frecuencias elevadas (hasta 1200 Hz en ambos sentidos).
Ilustración 19: Rotor reluctancia variable
Los motores híbridos paso a paso operan combinando los principios de los motores de
imán permanente y los de reluctancia variable, intentando obtener las características que
destacan en cada uno de ellos. Combinados se obtienen unos ángulos de paso pequeños y alto
par con un tamaño pequeño.
Las características y forma del estator es prácticamente igual a la de los otros modelos
de motores paso a paso de imán permanente y reluctancia variable. Las diferencias de
importancia se encuentran en la estructura del rotor, formado por un disco cilíndrico imantado
en posición longitudinal al eje

Ilustración 20:Esquema de motor PAP híbrido
La utilización de motores híbridos de dos fases se encuentra altamente extendida, gracias a
sus características y a la simplicidad de control con respecto a otros modelos con más fases. La
estructura de este modelo se puede ver en la ilustración. Este dispone de cuatro polos en el
estator. El bobinado del polo 1 está conectado en serie con el bobinado del polo 3 formando la
fase A que se encuentra excitada. Los bobinados en serie de los polos 2 y 4 forman la fase B.
Ilustración 21

Cuando el rotor se encuentra en posición de equilibrio con una fase excitada, los
dientes de un polo de la fase del estator coinciden con los dientes del polo norte del imán
permanente, y los del otro polo con el polo sur.
El funcionamiento para una secuencia de una fase activa lo muestra ilustración . En el
estado 1 los polos de la fase A están excitados, y los dientes del polo 1 atraen a los dientes del
rotor del polo norte, mientras que los del polo 3 atraen de igual forma a los dientes del polo
sur del rotor. Cuando la corriente (i) es conmutada a la fase B (estado 2), el rotor se desplaza
un cuarto de espacio de un diente, quedando alineados el polo norte del rotor con el polo 2
del estator y el polo sur del rotor con el polo 4 del estator. De nuevo la corriente (-i) se
conmuta a la fase A (estado 3) produciéndose un nuevo desplazamiento del rotor en un cuarto
de espacio de diente, quedando alineado en sentido opuesto (polo 1 con polo sur y polo 3 con
polo norte). Otra conmutación de la corriente (-i) en la fase B (estado 4) produce un nuevo
desplazamiento y una nueva alineación inversa de los polos de esta fase con el rotor.
Retornando al estado 1 (i), el rotor ha dado 4 pasos de un cuarto del espacio de un diente. De
aquí deducimos que el ángulo del paso es:
Ilustración 22
En modelo de motor más utilizado, de 200 pasos por revolución, y ocho polos en el
estator lo muestra la figura 2.17. El incremento a cuatro polos por cada una de las fases,
distribuidos alrededor del estator produce que en esta estructura el par generado sea
simétrico en toda la superficie del rotor

Comparación de los diferentes tipos de motores paso a paso
-Motores de imán permanente:
Tienen un par elevado debido a la incorporación de un imán en el rotor.
Los ángulos de paso que se pueden obtener son grandes.
El tamaño está condicionado al rotor de imán permanente y al ángulo de paso, no se puede
obtener tamaños reducidos.
Debido a la imantación del rotor, este tipo de motores presentan un par residual o par de
frenado.
El efecto de amortiguamiento generado por la imantación limita el rango de velocidades.
-Motores de reluctancia variable:
Al no incorporar imán permanente, el rotor se puede fabricar con un diámetro pequeño, y por
consiguiente el tamaño del motor también es reducido.
Con un diámetro del rotor pequeño, el momento de inercia de este también lo es, lo que
proporciona un rango dinámico elevado (altas velocidades), y un buen par de arranque.
El ángulo del paso está limitado, el diámetro del estator limita el número de polos bobinados
que puede albergar.
No tiene par de retención residual cuando se desactiva, lo cual a menudo es una desventaja.
Son los que tienen menos par, pero la fabricación es más fácil.
-Motores híbridos:
Permiten obtener ángulos de paso pequeños sin necesidad de utilizar gran número de fases.
Tienen un buen rango dinámico, comprendido entre los motores de imán permanente y los de
reluctancia variable.
Al incorporar imantación, presentan el par de retención residual en ausencia de alimentación.
Las medidas son contenidas sin llegar a alcanzar al motor VR debido a la ubicación del imán
permanente en el estator.
Produce un par elevado, producido por fuerza de reluctancia como los motores VR.

3.1.2Control de los motores paso a paso
El control de un motor paso a paso se consigue alimentando las diferentes fases con
una corriente. Dependiendo del nivel de la intensidad, de la polaridad y del orden de
excitación secuencial obtenemos diferentes respuestas en el motor. A estas diferentes formas
de alimentar el motor se les denomina (secuencias de alimentación o de excitación).
En este apartado se hará referencia básicamente a la excitación de los motores
híbridos, que son los más difundidos. Hay que tener en cuenta que el control de los motores
de reluctancia variable difiere de los motores híbridos y los de imán permanente en que sólo
tenemos un sentido de la corriente para excitar el bobinado.
3.1.2.1 Secuencia de dos fases activas (full step)
Esta secuencia se caracteriza por que ambas fases están siempre activadas. El
movimiento del rotor se consigue con el cambio de polaridad en la corriente que circula por los
bobinados de las fases. La inversión del sentido de giro responde a la inversión de la secuencia
de excitación, por ejemplo, si la secuencia para obtener el movimiento incremental de un paso
es +A+B, -A+B, -A-B, +A-B, +A+B,... el movimiento en sentido de avance se podría obtener
desplazándose en la secuencia a mano derecha, y para invertir el sentido de giro se tiene que
invertir el sentido de la secuencia, es decir hacia mano izquierda a partir de la última posición.
La tabla 4.1 muestra la secuencia de excitación de dos fases activas (full step).
RELOJ PASOS FASE A FASE B
REF. REF. -i +i
1 1 -i -i
2 2 +i -i
3 3 +i +i
4 4 -i +i
El par que se obtiene en esta secuencia es el máximo que puede entregar el motor, ya
que en todo momento ambas fases están activas con la intensidad nominal de trabajo. La
posición de equilibrio del rotor se establece entre los dientes del estator correspondientes a
cada fase, en equilibrio con los campos magnéticos generados por cada bobinado.

Ilustración 23:Secuencia de avance con dos fases activas.
Ilustración 24:Secuencia de retroceso de dos fases activas.

En las ilustraciones anteriores se puede observar las formas de onda correspondientes
a la secuencia de excitación full step en dirección de avance y retroceso respectivamente. Las
ondas FA y FB corresponden al sentido de la corriente por cada fase, nivel 1 es corriente
positiva y nivel 0 es negativa. Las señales de inhibición de la corriente por la fase son
representadas por las formas RstA y RstB, que para la secuencia full step están a cero, no
inhiben la corriente. El conjunto de líneas formado por FA, FB, RstA y RstB suelen ser las líneas
de control típicas en los circuitos de potencia (drivers) que alimentan el motor. Las
intensidades que circulan por cada fase son simbolizadas por las formas de onda de IA e IB. Por
último, la posición del rotor con las fases activas correspondientes es simbolizada por un
modelo de motor de dos polos y dos fases.
3.1.2.2Secuencia de una fase activa (wave)
En esta secuencia, sólo una de las fases permanece activa, lo que conlleva a que los
dientes del rotor queden alineados con los correspondientes del estator de la fase activa,ya
que la otra fase desactivada no genera ningún tipo de par. El trabajar en secuencia full step o
wave implica que a la misma relación de pasos, la posición absoluta del rotor no sea igual,
existiendo una diferencia entre ambas de medio ángulo de paso, no acumulable. Por otro lado
otra consecuencia de esta configuración es la disminución del par que produce el motor en
aproximadamente un 30% con respecto a la secuencia de paso completo, en un motor híbrido.
Se ha de tener en cuenta que el par es directamente proporcional a la intensidad, y éste es el
vector resultante de la suma de los vectores de par por cada fase, que forman entre si un
ángulo de 90º (referidos al ángulo eléctrico de alimentación de las fases y para un motor
híbrido). Dando una relación de 1 a 0.7 trabajando a full step o wave respectivamente.
En la excitación de una fase activa el nivel y la duración de las oscilaciones es mayor
que en la excitación de dos fases activas (ver figura 4.4). Comparando la figura 4.3 (a) y 4.3 (b),
en la excitación wave el campo magnético que se crea es el de la fase activa, realizando que el
rotor quede alineado con el estator. El hecho de tener un único campo perpendicular hace que
el rotor sea más susceptible a las oscilaciones. Mientras que en la excitación full step se
generan dos campos magnéticos que sujetan al rotor en la posición de equilibrio con un par de
mantenimiento superior, esto limita la acción del par de carga, proporcionando una mejor
respuesta transitoria a un paso.

REF. REF. 0 +i
1 1 -i 0
2 2 0 -i
3 3 +i 0
4 4 0 +i
La ventaja de utilizar la excitación wave radica en el bajo consumo energético de este
sistema, debido a que en todo momento sólo una fase está activa y por consiguiente el
consumo medio equivale al de una sola fase. Para un motor de dos fases este sistema no
aporta prácticamente ningún beneficio, pero para motores con un número de fases elevado el
ahorro energético y el coste de la fuente de alimentación es considerable. Por ejemplo, si
tenemos un motor de 5 fases con un consumo de 2 amperios por fase, trabajar en full step
supone una fuente de alimentación de 10 amperios, mientras que en wave el consumo se
reduce a 2 amperios.
Ilustración 25: Secuencia de avance con una fase activa(wave)

Ilustración 26: Secuencia de retroceso de una fase activa (wave)
3.1.2.3 Secuencia de medio paso (half step)
Esta secuencia es la combinación de las dos mencionadas anteriormente, se alterna
una posición en full step con otra dewave, consiguiendo que el rotor se estabilice en las
posiciones alineadas con el estator como en las posiciones intermedias. Operando con
secuencia de excitación de medio paso, el número de pasos por revolución se multiplica por
dos y como consecuencia el ángulo del paso se divide igualmente por dos. La combinación de
las dos secuencias hace que en un instante estén las dos fases alimentadas y en el siguiente
sólo una. El resultado es que el par que se obtiene es inferior al que proporciona la excitación
full step, pero superior a la excitación wave.
Esta secuencia es la combinación de las dos mencionadas anteriormente, se alterna
una posición en full step con otra dewave, consiguiendo que el rotor se estabilice en las
posiciones alineadas con el estator como en las posiciones intermedias. Operando con
secuencia de excitación de medio paso, el número de pasos por revolución se multiplica por
dos y como consecuencia el ángulo del paso se divide igualmente por dos. La figura 4.8
muestra la posición del rotor respecto al estator de un motor de tres fases. La combinación de
las dos secuencias hace que en un instante estén las dos fases alimentadas y en el siguiente

sólo una. El resultado es que el par que se obtiene es inferior al que proporciona la excitación
full step, pero superior a la excitación wave.
REF. REF. +i +i
1 1/2 0 +i
2 1 -i +i
3 1 1/2 -i 0
4 2 -i -i
5 2 1/2 0 -i
6 3 +i -i
7 3 1/2 +i 0
8 4 +i +i
Secuencia de excitación para half step

Secuencias de avance y retroceso en avance a medio paso
El trabajo con medios pasos hace que el incremento en medios pasos sea la mitad que
en el paso completo, reduciéndose la oscilación en la respuesta a un paso. Esto minimiza los
efectos de la resonancia mecánica que se producen en el motor a determinadas regiones de
frecuencia de paso. La figura 4.9 nos muestra una comparación de las curvas de características
dinámicas par/velocidad para la secuencia de excitación en paso completo, en medio paso y
medio paso con conformación de onda (21/2
). También nos muestra la forma de onda de la
corriente por una fase para una excitación de medio paso y medio paso con conformación de
onda.
Lo único que hay que evitar en la excitación con conformación de onda (√2) es detener
el motor en las condiciones de corriente límite y en una posición de medio paso. Porque la
disipación térmica del conjunto queda concentrada en un solo devanado.

3.1.2.4 Secuencia de excitación en micropasos
La excitación de un motor híbrido puede simbolizarse mediante un diagrama polar Un
ciclo completo ( 360 grados eléctricos) de la señal por las fases genera exactamente cuatro
pasos. Un paso completo equivale a 90º de la señal eléctrica. La representación de la corriente
por los bobinados IA e IB se emplaza sobre los ejes de coordenadas x e y respectivamente,
formando un ángulo de 90º, que corresponde al ángulo que forma la disposición mecánica de
los polos del estator con relación a un paso. O sea que los campos magnéticos que generan las
fases del motor forman un ángulo de 90º entre si, mirar apartado 2.3. (Motores híbridos). Las
intensidades IA e IB pueden tomar los valores discretos 0, +i y -i, correspondiendo i al valor
máximo de la corriente de la fase.
Rekha Mandeep, desarrolló un método de control del sentido de rotación por
micropasos para cualquier motor PAP standard mediante el teclado y puerto COM de un PC,
basado en un microcontrolador AT89c51.[14]
El par es proporcional a la corriente por el bobinado del motor, y el par resultante es la
suma de los pares individuales producidos por la corriente de la fase A y la fase B. La dirección
del par la determina la dirección del flujo de la corriente. En la figura 4.10 se puede observar
que para una excitación individual de una de las fases se produce un par proporcional y con el
mismo sentido que la corriente de excitación, por ejemplo, si tenemos excitada la fase A con
una corriente +i el par que genera se representa mediante el fasor de nombre TA, con la misma
dirección que la intensidad. Lo mismo sucede si excitamos la fase B, el par resultante lo
representa el vector TB. Si ambas fases son excitadas al mismo tiempo (fase A = +i y fase B = +i)
cada una de ellas produce un par TA y TB en las direcciones correspondientes al flujo de la
intensidad, y el par resultante es la suma de estos vectores, simbolizado por el vector TA+TB
Con la excitación discreta de 0, +i y -i para los valores de la corriente, el vector de par
tiene cuatro posiciones en el diagrama polar, correspondiendo cada una de ellas a un paso
completo

Ilustración 27:
Con la excitación discreta de 0, +i y -i para los valores de la corriente, el vector de par
tiene cuatro posiciones en el diagrama polar, correspondiendo cada una de ellas a un paso
completo. La ilustración anterior muestra la disposición del vector de par y la intensidad por la
fase para una secuencia de excitación de una fase activa (a), y para una secuencia de dos fases
activas (b). En estas gráficas se puede observar la diferencia que existe en el par resultante
cuando se trabaja con cada tipo de excitación. Para el funcionamiento a medio paso, las
posiciones del vector resultante son el doble que las de paso completo y corresponden a la
suma de las posiciones mostradas en la ilustración 22 (a) y (b), de forma intercalada.

Si el vector de par resultante es la suma de los vectores de par individuales de cada
fase, y estos son proporcionales a la intensidad que circula por ellas, ajustando el valor de esta
intensidad se puede hacer que el vector resultante adopte un ángulo α diferente,
comprendido entre 0 y 90º eléctricos o el ángulo de un paso. Así como ajustar el valor del par
resultante. En la excitación de medio paso con el control de intensidad de forma discreta,
existe una diferencia entre el par producido con una fase activa y con dos fases activas. Para
conseguir que el par sea constante en todo momento, tomamos el vector T correspondiente al
par total que produce el motor y lo hacemos girar formando un círculo con el centro en el eje
de coordenadas (figura 4.12). Las proyecciones de este vector sobre los ejes de coordenadas x
e y representan las corrientes de excitación de la fase A y B respectivamente, para conseguir el
par constante en cada instante. Estas proyecciones forman una onda de forma senoidal,
desfasadas entre si 90º.
Ilustración 28: Diagrama polar para una secuencia de micropasos
La ilustración 23 muestra un diagrama polar de un paso equivalente a π/2 grados
eléctrico. Este está dividido en m micropasos discretos. Si tomamos como variable
independiente el valor discreto x correspondiente al número de micropaso. Con el módulo
correspondiente a la intensidad máxima I. El valor de la intensidad por cada fase iA e iB es el
resultado de proyectar el vector x, con un argumento α que corresponde al número de
micropasos por el ángulo de un micropaso sobre los ejes de coordenadas.
Los valores de iA e iB tienen que ser lo mas precisos posibles, ya que la posición del
micropaso depende directamente del valor que tengan. Por ejemplo, si queremos obtener
cuatro micropasos por paso (m=4), con un valor de intensidad I, aplicamos las formulas de iA e
iB de la ecuación 4.1, dando un valor discreto a la variable x = 1, 2, 3, 4, 5 ... correspondiente a
cada micropaso.
Aunque el número de micropasos por paso pueda ser de un rango muy elevado, del
orden de 100 micropasos o incluso mas, una relación superior a (25-32) micropasos no aporta
ninguna ventaja mensurable. La figura 4.15. Muestra la respuesta de un motor trabajando a un

paso completo en forma de onda superior, y trabajando a micropasos (onda inferior).
Con la secuencia de micropasos el movimiento del motor es prácticamente lineal,
desapareciendo los saltos bruscos y las oscilaciones mecánicas.
Se ha de tener en cuenta que no hay una relación lineal suficientemente precisa entre
un esquema de forma de onda senoidal y un ángulo exacto de micropaso. La razón de ello es
que suele haber un campo magnético no homogéneo entre los dos campos del rotor y el
estator.
En caso de que el motor tenga que funcionar a revoluciones elevadas, es más
conveniente trabajar solamente en pasos completos, porque el control por armónicos ya no es
una ventaja debido a que la corriente en el devanado del motor sólo tiene una forma de onda
triangular.
3.1.2.5 Secuencia de excitación en nanopasos
Esta secuencia de excitación se está desarrollando en motores paso a paso híbridos de
fases, este tipo de excitación alcanza las 1/1000 divisiones de una excitación deltipo full step.
Anitha Karthi, S. R. Paranjothi y S. Solaimanohar[15] han llevado a cabo una investigación
dónde gracias a este tipo de control se consigue un nivel bajo de vibración,bajo nivel rumoroso
y un control mejorado del sistema.
El sistema propuesto por los autores es el desarrollo de un dispositivo del tipo Nano
step controlado por un dsPIC(microcontrolador avanzado), con un ángulo de 0’72º,el paso
completo (full step) del motor de cinco fases es dividido en 1000 pasos más pequeños 500,000
steps por vuelta.
El proceso de Nano Stepping usando motores de 5 fases en ambas direcciones, horaria
y anti horaria en estos momentos se obtiene mediante el modo de control de corriente. Es un
método más económico por lo que existe ahora en el mercado.
3.1.3 Motores PAP bipolares y unipolares
El motor más ampliamente extendido y utilizado en la mayoría de las aplicaciones es el motor
híbrido de dos fases. Éste se puede encontrar con diferentes combinaciones en los bobinados
de excitación, para diferentes tipos de alimentación.
-Motor bipolar: tiene dos bobinados, correspondiendo cada uno de ellos a una fase. Dispone
de cuatro hilos, dos para cada bobinado. El control se realiza forzosamente de forma bipolar,
normalmente mediante un puente.
-Motor unipolar: el bobinado por cada fase es doble, unido en el interior y puesto en serie nos
entrega 6 hilos, agrupados de tres en tres para cada fase (uno de estos es el punto común). El
control es unipolar, aunque se puede realizar un control bipolar serie dejando el hilo central al
aire, no está diseñado con esta finalidad.
-Motor de 8 hilos: se trata de un motor con doble bobinado como el motor unipolar, pero con
todos los terminales accesibles desde el exterior. Esto permite realizar múltiples

combinaciones de excitación, como motor unipolar uniéndolos de tres en tres en oposición de
campo y como motor bipolar con los bobinados en serie o en paralelo.
3.1.3.1 Relación entre par y excitación en motores PAP bipolares y unipolares.
El par de un motor PAP es proporcional la intensidad producida en el campo
magnético generado en los devanados del estator. La única forma de incrementarlo es
añadiendo más espiras o aumentando la corriente que lo atraviesa. La situación límite se
encuentra cuando la magnitud de la corriente es tan grande que llega a saturar al núcleo, pero
sobretodo el incremento de temperatura de los motores debido a las pérdidas en los
bobinados. Esta es una clara desventaja para el motor unipolar frente al bipolar ya que la
resistencia de éste es el doble que la del otro, debido a que la sección del hilo es
aproximadamente la mitad por las limitaciones físicas de la cavidad del estator que alberga los
bobinados.
En el motor bipolar la corriente por el bobinado puede aumentarse en un factor (√2),
lo cual tiene un efecto directo sobre el par. Gracias a su menor pérdida de potencia, los
motores bipolares proporcionan aproximadamente un 40% más de par que los motores
monopolares , construidos en una carcasa del mismo tamaño. En igualdad de par un motor
bipolar se pude reducir en tamaño.
3.1.3.2 Motores PAP de 8 hilos.
Las etapas de potencia pueden ser de dos tipos según conexionado, unipolares o
bipolares. En los unipolares los devanados se excitan de uno en uno mientras que en los
bipolares se realiza por inversión de corriente en los pares. El control es el mismo que el
mencionado en el apartado anterior para los motores de 4 hilos y 6 hilos.
Ilustración 29: Diferentes formas de conexionar los motores paso a paso a 8 hilos.
De estas diferentes conexiones la conexión en paralelo es la que otorga un mayor par
con un rango de velocidades más amplio. La contrapartida es que el consumo aumenta, puesto
que la corriente que pasa por la fase se duplica.
La elección del tipo de conexionado dependerá de las necesidades de par y velocidad
de la aplicación. En la configuración unipolar se obtiene un mayor rendimiento del motor a alta
velocidad, el bipolar lo hace a baja velocidad. Mirando las curvas par/velocidad mostradas en
la figura 25, se observa que la respuesta de la conexión unipolar es bastante uniforme,
alcanzando un régimen de pasos elevado sin que decaiga el par. Mientras que en las
configuraciones bipolares se obtiene un par más elevado a baja velocidad, pero éste decae

rápidamente. En otras palabras, si utilizamos la conexión bipolar para arrastrar una carga con
el par que proporciona, la velocidad de trabajo no puede aumentar mucho, ya que enseguida
el par de carga superaría al par del motor. Este efecto aún se agudiza mas en la conexión en
serie, que proporciona un elevado par pero a régimen de velocidad bajo. Sin embargo con la
conexión unipolar y con una carga cercana al par que proporciona el motor en este tipo de
conexión, hace que éste pueda trabajar a más alta velocidad, por que el par se mantiene
constante hasta un régimen elevado.
Ilustración 30: Curvas características de los diferentes conexionados.
Hasta el momento sólo se ha considerado el máximo par teórico disponible del motor,
asumiendo que las únicas limitaciones son las dimensiones del motor y la temperatura de
trabajo, siempre a la máxima corriente disponible para cada caso. Cuando estas características
se comparan con una base de corriente fija, el par a baja velocidad en conexionado en serie
puede llegar a ser incluso el doble que en paralelo. Hay que decir que bajo estas condiciones
el motor se calentará bastante más en el conexionado en serie, debido que la corriente de fase
estará circulando a través de un doble número de vueltas del bobinado. Este hecho comporta
un incremento de la inductancia de los devanados, esto en la práctica que la corriente caerá
más pronto con el aumento de velocidad.
En la elección del motor se ha de tener en cuenta el tipo que se pretende utilizar,
sobre todo en las conexiones en serie, ya que el tiempo de conmutación de los devanados se
ve afectado por la constante de tiempo L/R. Si se emplea un motor con alta inductancia y baja
resistencia por devanado, se incrementa este tiempo y la consiguiente limitación de la razón
de pasos por segundo.
Una manera de aumentar el par en un intervalo de velocidad dado o lo que es lo
mismo, aumentar el intervalo de velocidad para un par determinado, consiste en utilizar
etapas de potencia que admitan una mayor tensión de alimentación. La adopción de una
tensión superior hace que la pendiente de subida en la corriente por los devanados sea más
rápida, consiguiéndose un mejor flujo de ésta cuando se trabaja a alta velocidad
Otro aspecto a cuidar cuando se conecta un motor de 8 hilos es observar la fase
correcta de los devanados, debido a que si éstos se conectan en oposición, la inductancia
efectiva sería virtualmente cero y se podría dañar la etapa de potencia.
Cuando se trata la elección del motor, si se tienen acotadas las necesidades de la
aplicación se pueden elegir los bipolares o unipolares, de 4 y 6 hilos respectivamente, según la

necesidad. Pero lo más versátil es disponer de 8 hilos, ya que este admite cualquier tipo de
conexión.
3.1.4 Drivers (controladores)
Representan el enlace entre las señales lógicas de control y las señales de potencia,
corriente que circula por los bobinados. Éstas tienen que responder con rapidez a las
excitaciones, así como proporcionar la corriente necesaria a la tensión de trabajo requerida
para la alimentación. Representan los interruptores de potencia que conmutan según el
control, formados por transistores bipolares, MOSFETS ...
3.1.4.1. Principales problemas en los drivers
La característica del bobinado de los motores es que es inductiva, al producirse por
una combinación de inductancia y una resistencia en serie. Las etapas de potencia que
controlan los bobinados se ven sometidas a los efectos de las pendientes de corriente y a las
sobretensiones que produce la carga inductiva, por lo que es necesario el uso de supresores
para proteger a los demás elementos de potencia.
Los tres tipos principales de circuitos supresores son el supresor por diodo, por diodo y
resistencia y el supresor por diodo Zener.
1. Diodo supresor. Si un diodo es situado en paralelo con el bobinado, la circulación de la
corriente fluye por éste cuando el transistor es desactivado, y la corriente decae en
este momento. En este esquema no se produce apenas ningún cambio en la corriente
cunado se efectúa la desactivación, y la tensión del colector del transistor es la tensión
de alimentación E, más la caída de tensión directa en el diodo. Este método es muy
simple, pero, por otra parte, la circulación de la corriente muestra una considerable
lentitud en el tiempo, produciendo un par de retardo.
2. Diodo más resistencia supresora. La resistencia se conecta en serie con el diodo, para
una rápida recirculación de la corriente. La tensión que se aplica a el colector del
transistor cuando se desactiva es:
E=Tensión de alimentación
I=Corriente justo antes del paro
Rs=Resistencia supresora
Vd=Caída de tensión directa en el diodo.
Se requiere una resistencia RS alta para producir una caída rápida de la corriente, pero
esto provoca una caída de potencial elevada en el colector VCE. En este caso el valor
de la resistencia RS estará supeditado a las características de máxima tensión aplicable
al colector del transistor.
3. Supresor por diodo Zener. El diodo zener se conecta en serie con el diodo normal. La
mejora de este método radica en que el potencial aplicado al colector del transistor es
el voltaje de la alimentación más la tensión del zener, independientemente de la
corriente. Este estará determinado por las características de máxima tensión aplicable
al colector del transistor.

3.1.4.2 Alimentación por tensión constante
La alimentación por tensión constante consiste en aplicar una tensión directamente al
bobinado. El valor de ésta dependerá de la resistencia interna del bobinado para obtener el
valor nominal de la intensidad. De tal forma que V = ri*In.
Ilustración 31
La ilustración 26 muestra un control unipolar de un devanado de un motor. En éste la
corriente de excitación fluye de la fuente de alimentación E por el bobinado, cuando el
transistor T está en conducción. La velocidad con la que la intensidad evoluciona hacia su valor
nominal depende de las características internas del bobinado. Éstas vienen establecidas por la
constante de tiempo L/R. La respuesta es inversamente proporcional a la resistencia y
directamente proporcional a la inductancia. En principio interesaría que la resistencia interna
del bobinado del motor sea grande, pero el tener una resistencia interna elevada provoca
grandes pérdidas de potencia en ésta, y en consecuencia el correspondiente calentamiento del
cuerpo del motor, por lo que interesa que ésta sea lo más pequeña posible. Llegado a este
punto, el único factor a determinar es la inductancia, que interesa que sea pequeña para
proporcionar una transición de la corriente lo más rápida posible. Cuando el interruptor T se
bloquea, el flujo de corriente se corta de la fuente de alimentación E, pero éste, que fluye por
el bobinado, se cierra sobre el diodo de supresión. De igual forma que en la conducción, las
constantes para el corte de la corriente dependerán de las características del bobinado (L/Ri).
Si la corriente nominal por el devanado es E/Ri, y la constante de tiempo es L/Ri, la corriente de
conducción por el devanado evoluciona según la expresión.

para el corte.
El establecimiento o el corte de la corriente por el bobinado viene determinado por los
tiempos tc y te respectivamente. Éstos se consideran cuando la corriente ha adquirido el 95%
de su valor nominal, de aquí que el tiempo de establecimiento y corte sean:
Desde el punto de vista dinámico, un motor híbrido paso a paso da un paso por cada cambio
de la corriente que se produzca en alguno de sus bobinados, de forma que en una secuencia
completa, proporciona cuatro pasos. La velocidad con que la corriente cambia de sentido en
los bobinados (de forma exponencial) depende de la inductancia, la resistencia del devanado y
la tensión de alimentación aplicada.
Ilustración 32
muestra que a bajas velocidades de paso, la corriente por el devanado alcanza su valor
nominal, antes de que se produzca el cambio de sentido. Sin embargo si la inversión de los
hilos del devanado se realiza más rápidamente, a frecuencia de pasos más elevada, la corriente
no tiene tiempo de alcanzar su valor nominal, debido a la limitación del tiempo de
establecimiento y corte te y tc. En consecuencia la potencia y el par que entrega el motor
disminuyen con el aumento de la razón de pasos.

3.1.4.2ª Mejora por resistencia adicional en la alimentación por tensión
Una forma de mejorar la respuesta del motor con alimentación por tensión fija, consiste en
aumentar la tensión de alimentación, lo que provoca que el establecimiento de la corriente se
produzca de forma más rápida. Pero se tiene que prever una resistencia exterior, para limitar
la corriente que circula por los bobinados del motor al valor de la corriente nominal.
Ilustración 33:Control unipolar a tensión constante con resistencia adicional.
Analíticamente, el valor de la resistencia externa Re tiene una relación proporcional a
la tensión de alimentación.
(4.6)
Ahora el tiempo de establecimiento y de corte se verá afectado según la expresión:
(4.7)
Aunque se obtiene una mejora en la respuesta del motor trabajando a alta velocidad, por
tener un mejor flujo de la corriente a estas relaciones de pasos. Los inconvenientes resultan
evidentes, la incorporación de una resistencia trabajando a la corriente nominal, provoca
una pérdida de potencia en esta, sobre todo en estado de reposo o en un régimen de pasos
bajos. Lo que conlleva a una disminución importante del rendimiento en el circuito de
alimentación.
Por ejemplo, si la resistencia del bobinado de un motor de 4 fases es de 1.5Ω, la corriente
nominal es de 4A y la tensión de alimentación establecida es de 24V. La resistencia que se

tiene que añadir para conseguir la corriente máxima es de 4.5Ω por cada fase. La potencia que
disipa es aproximadamente 4.5*42 = 72W en la secuencia de activación de una fase activa.
Esta potencia se dobla cuando la secuencia de activación es de dos fases activas.
3.1.4.3.Control motor PAP por corriente
Como ya se ha observado en el apartado anterior, la tensión de alimentación de los
devanados juega un papel importante a la hora de trabajar a altas velocidades. Se ha de
seleccionar la tensión de alimentación lo más alta posible, lo que proporciona un aumento en
la rapidez del cambio de la corriente. La adopción de un generador de corriente constante
limita la intensidad por la fase, y sólo se activa en el momento que la corriente por el
devanado alcanza su valor nominal. Antes de llegar a este valor, el generador de corriente está
saturado y la tensión de alimentación queda aplicada directamente al devanado.
se puede observar la evolución de la corriente por el bobinado. Esta tiende a asumir el valor
marcado por la tensión de alimentación (V/Ri), pero cuando alcanza el valor nominal Inom se
activa el generador de corriente, limitando el incremento en este nivel. De aquí podemos
deducir que aumentando la tensión de alimentación la corriente incrementa el valor a que
tiende, pero como el corte se realiza siempre al nivel de Inom, el efecto es que el incremento
de cero a este valor se realiza más rápidamente. También se puede observar la diferencia

existente entre la evolución de la corriente con un control de tensión constante y por
generador de corriente. Trabajando a altas relaciones de pasos con este sistema, la corriente
logra alcanzar su valor nominal cosa que no sucedía con el control por tensión. La pérdida del
valor nominal de la corriente se produce a velocidades más elevadas.
J G Gajipara[16] estudia este modelo de alimentación en su estudio para el control de
motores PAP en requisitos de alta velocidad y par, en su estudio se plantea un modelo de
control mediante el uso del “chopping” de corriente. En el estudio se ve como este tipo de
control es el más adecuado para manejar con facilidad velocidades altas así como aceleracines
altas en un motor PAP,el estudio está realizado en un microcontrolador (P16F452).
Muestra una comparación en la respuesta de corriente de los diferentes tipos de control.
Control por tensión L/R, control por tensión con resistencia adicional L/(5*R) y el control
conmutado.

3.1.4.4.Control bipolar chopper en puente H
Las excelentes características en la relación de par/tamaño de los motores bipolares
sobre los unipolares, ha relegado a estos últimos prácticamente a la extinción, sobre todo con
la aparición de integrados específicos para el control bipolar, con una relación de precios muy
bajos y ofreciendo una facilidad de control y montaje semejante a la de los unipolares. De aquí
que en la mayoría de las aplicaciones se adopte por un control bipolar conmutado en puente
H.
En los motores híbridos de dos fases, el driver bipolar da unos excelentes resultados
por la siguiente razón, todos los bobinados se encuentran siempre excitados. En comparación
con el driver unipolar, en éste la corriente fluye en una dirección del bobinado, pudiéndose
obtener un incremento en el par de un 20 a un 35%.En los motores híbridos de dos fases, el
driver bipolar da unos excelentes resultados por la siguiente razón, todos los bobinados se
encuentran siempre excitados. En comparación con el driver unipolar, en éste la corriente
fluye en una dirección del bobinado, pudiéndose
obtener un incremento en el par de un 20 a un
35%.
En el driver en puente se tiene que tener
especial cuidado en la activación de los
transistores de potencia, ya que éstos pueden
resultar dañados; esto puede ocurrir si los dos
transistores que se encuentran en cascada son
activados al mismo tiempo. Cuando un transistor
es desconectado, se tiene que dar un margen de
tiempo antes de que el otro transistor se active,
ya que ambos transistores pudrían entrar en
cortocircuito. Esto es debido a que normalmente
el tiempo de desconexión es mayor que el
tiempo de activación, por lo que, si uno se
conecta y el otro se desconecta al mismo
tiempo, se produce un cortocircuito. Se tienen que tomar las correspondientes medidas de
seguridad para que esto no suceda.
En términos energéticos, la energía magnética presente en el bobinado es
realimentada hacia la fuente de alimentación. En el driver bipolar, la energía magnética se
pierde al cerrarse el circuito sobre el bobinado, el diodo y la resistencia exterior. El driver
bipolar con configuración en puente aventaja al unipolar en este aspecto.
Jugando con el control de conducción y bloqueo de los transistores, se puede obtener
diferentes caminos de recirculación de la corriente. En función de cada uno de estos se
obtienen características diferentes que los hacen más o menos apropiados para una
determinada aplicación.
Ilustración 34:Puente H para el control de un
motor bipolar

3.1.4.5.Drivers comerciales y elección para la máquina
Como comentábamos en apartados anteriores, la tecnología “desktop” un paso
adelante del concepto “Do it yourself”(DIY) en pleno auge ha permitido que muchas
desarrolladores/empresas se involucren en fabricar productos de precio asequible y
rendimiento aceptable para estas min máquinas de salón.
En el mercado podemos encontrar diferentes tipos de drivers para los motores PAP
sea cual sea su construcción. Tenemos desde los drivers separados cada uno en un propio
encapsulado unidos por una placa” breakout” que hace de “ladrón para conectar varios ejes a
un puerto LPT además de implementar entradas/salidas para elementos como finales de
carrera o bien señales del tipo PWM para controlar automáticamente la velocidad del
mandrino. (Conocido como sistema modular).
Como se ha dicho, la mayoría de estos sitemas low cost todavía utilizan una conexión
de tipo LPT, lo que obliga en muchos casos a depender de arquitecturas de PC para el control
un tanto obsoletas.
Por lo que respeta los drivers con circuitos independientes, tenemos varias soluciones
en el mercado, pero una de las más populares es la de la casa “Geckodrive”.[17]
Ilustración 35:Driver de la casa Geckodrive

Sus especificaciones:
SPECIFICATIONS:
Supply Voltage: 15 to 80 VDC
Phase Current:
0 to 7 Amps
Auto Current Reduction: 71% of set current, 1 second after last Step Pulse
Size: 2.5”W, 2.5”D, .85”H (63.5mm, 63.5mm, 21.5mm)
Mounting Pattern: 4 6-32 screws, 1.75” by 2.375” (44.5 mm, 60 mm)
Weight: 3.6 oz. (100 gm)
Quiescent Current: 20 mA or less (drive disabled)
Short-circuit trip current: 10A, 3uS response time
Step Frequency: 0 to 333 kHz
Step Pulse “0” Time: 2uS min (Step on rising edge)
Temp: 0 to 70 C
Step Pulse “1” Time: 1 uS min
Humidity: 0 to 95 % (non-condensing)
Direction Setup: 200nS before step pulse rising edge
200nS hold after step pulse rising edge
Power Dissipation: 1 to 13 W (0 to 7 Amps)
Como comentábamos anteriormente, la implementación de un driver con un
funcionamiento más que acertado y un coste reducido no está para nada enfrentados, existen
múltiples desarrolladores que disponen en sus propias webs de los diseños de sus circuitos
integrados para la libre descarga y construcción por uno mismo.
Si antes hablábamos del módulo de driver por separado, ponemos un ejemplo ahora de lo que
sería una interfaz(breakout) de un desarrollador argentino llamado Esteban Castell.[18]

Ilustración 36:Interfaz CNC Esteban Castell(Esteca55)
Otra fuente de información con archivos para construir tus propios drivers está en la
página Instructables[19]donde se recogen multitud de diseños en formato de descarga libre.
En este caso se usan los chips de Toshiba TB6560AAHQ que tanto se están utilizando en las
unidades provenientes de Asia,(como la usada para la automatización de la fresadora para el
FABLAB.
ARDUINO [21]
Sin dejar de lado la temática LOW COST y DIY, no se puede ni w3 se debe pasar por
alto el fenómeno Arduino. Arduino es una placa con un microprocesador y un entorno de
desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos de varias disciplinas.
Arduino puede usarse para el desarrollo de objetos interactivos, captando señales de
entrada desde diversos sensores e interruptores, teniendo la capacidad de controlar
una gran variedad de luces, motores y otro tipo de de salidas físicas.Los microcontroladores
Ilustración 37:Drivers "caseros" con chip Toshiba

más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo
coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños.
Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser
conectado a software del ordenador (por ejemplo: Macromedia
Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). Las placas se pueden montar a mano o adquirirse.
El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente.
Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución es libre. Es decir, puede
utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin haber adquirido
ninguna licencia.
Ilustración 38:Placa Arduino
Uno de los proyectos desarrollados con Arduino como interfaz CNC es el de TxapuCNC.[22].El
autor de este blog ,la parte electrónica está realizada fundamentalmente con módulos Paper:
1 Paperduino (puedes utilizar Perfboard, Stripboard , PCB o un Arduino) con el
programa TxapuCNC_RX cargado.
3 PaperSteppers (puedes usar L293D, Unipolar, o L298N.)
1 PaperRelé si quieres gobernar el motor del cabezal desde el programa.
1 Paper-FTDI para conectar con el PC (si utilizas un Arduino en vez de un Paperduino
no lo necesitarás)

... y por supuesto un PC con TxapuCNC_TX (con gambas y GNU-Linux)
Como se describe, la curiosidad principal de este programa es que las placas Arduino
que utiliza son (una variante aún más Low Cost) Paperduino[23]. El paperduino es el concepto
más simplificado del Arduino, se ha eliminado el PCB y se usa el circuito imprimido en un papel
y un trozo de cartón como soporte.
Ilustración 39:Visión general de varios Paperduino

Ilustración 40:Esquema final de las conexiones en un paperduino.
Para la automatización de la fresadora se ha escogido un tipo de control con todos los
módulos integrados. Lleva 4 microchips TOSHIBA TB6506, con capacidad de controlar 4 ejes,
pero la adaptación de este 4 eje se dejará para trabajos futuros. La controladora es de tipo
bipolar y doble fase, tiene el sistema de protección por optoacopladores, por lo que si algo en
el driver funcionase mal no dañaría nuestro PC. Se puede configurar el tipo de escala de paso
del modo paso completo, medio paso, 1/8 de paso o 1/16 de paso. Dispone de una entrada
para el control manual de los ejes, mediante un conector de 15 pines así como 5 pines para
entradas como pueden ser finales de carrera o pal padores para posicionamiento, una salida
de 5V que pude servir para accionamientos de reléso cualquier aladido que funcione a 5V
como pudiese ser una luz o una pequeña bomba para refrigeración de la herramienta.

Ilustración 41:Interfaz M335 T4 sin armadura
Ilustración 42:Vista conexión de control a PC y control manual
Otras de sus especificaciones son:
Tensión nominal:DC12-DC30V
Chip único para control sinusoidal de micropasos para motores PAP
Sentido de rotación horario y anti horario.
Modelo variable de excitación de las fases.
Alta corriente de salida:3.5ª
Apagado automático por exceso de temperatura.

3.1 Subconjunto Mecánico
3.2.1 Diseño inicial
El diseño de partida es la microfresadora Proxxon MF70. Es unafresadora vertical de precisión
perfecta para laboratorios, ópticos, joyeros, electrónicos y modelistas.
Mesa transversal en aluminio duro (compresión de la superficie). Base y columna de soporte
dlel motor realizadas en fundición gris, laguía en forma de cola de milano en todos los ejes, sin
juego, ajustable. Carcasa del brazo en aluminio fundido a presión, con motor especial de 24
polos (equilibrado). La fresadora MF 70 trabaja sin vibraciones a altas revoluciones. Fijación de
la herramienta por medio de pinzas de fijación sistema micromot (acero templado, de 3
ranuras), de 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,4 - 3,0 y 3,2 mm.
Mesa con 3 ranuras continuas en T (norma
micromot 12 x 6 x 5 mm). Una regla
desplazable facilita el posicionamiento del
carro transversal. Todas las coronas manuales
con anillo de escala ajustable a cero (1 U = 1,0
mm, 1 división parcial = 0,05 mm).
La velocidad del mandrino es regulable
mediante el potenciómetro que se ve como 2
en la foto de la derecha. Todos los husillos
vienen con su rueda graduada para desplazar
los ejese según sea necesario; hay que decir
que el accionamiento manual de estas no es
todo lo suave que se desearía.
Los husillos están formados por 3 barillas
roscadas de métrica 6, el eje Z y X el sentido de
la rosca es anti horario, mientras que en la Y es
con sentido horario. En todos los ejes la tuerca
por la cual se ejecuta el desplazamiento está
hecha de Delrin, un plástico con
buenas propiedades de lubricación
así como buen ajuste con la
geometría de la rosca.
El espacio de trabajo en la máquina
es de 140x46x70 mm., algo
reducido en el eje Y pero las
soluciones para dar más recorrido al
eje Y pasan por modificar la
estructura original, cosa que al final
se ha descartado.
Ilustración 43: Fresadora Proxxon MF70 en estado original.

3.2.1.1 Adaptaciones existentes
Existen diferentes adaptaciones para esta máquina realizadas por usuarios particulares e
diversos kits de transformación distribuidos por varias empresas.
USOVO
Esta empresa alemana suministra todo el kit listo para montar en la máquina, con interfaz y
drivers separados, 3 motores paso a paso, soportes, toda la tornillería, acoplamientos flexibles
y una mesa más larga para ganar espacio de trabajo en X. También suministran la máquina
completamente modificada, a la cual se le ha variado la estructura para poder ganar 40 mm en
recorrido sobre el eje Y. Los motores utilizados son Nanotec 1,8° 1,4A bipolar con 400 pasos
por mm.
Ilustración 44:Proxxon MF70 Modificada por la casa USOVO
IDEEGENIALI
Esta casa italiana también suministra un kit par la transformación a CNC, consta de fuente de
alimentación, controladora con caja para instalarla, 3 motores de tipo NEMA 23 con un par de
1,2Nm,los soportes para los motoresy el cable de conexión de PC
a control.
KIT CONVERSION
Ilustración 45:Kit de Ideegeniali

Esta casa italiana presenta un kit también al estilo del anterior, muy poco “intrusivo” a la
estrtuctura original. No modifica el espacio de trabajo ni un milímetro, todas las piezas están
realizadas en aluminio y tienen un ajuste perfecto con la máquina.Se comercializa bajo el
nombre de “Kiwi 10 minuti”, que es lo que se debe tardar en montarlo.
Ilustración 46:Kit de kitconversion ensamblado
Ilustración 47:Despiece del kit de la casa Kitconversion

PROJECT GURU[24]
Modificación de un particular, para la modificación ha utilizado una controladora de la casa
Mixpol, coriente másima de 2,5 A y interfaz y drivers para los ejes integrados en un mismo
módulo. Los soportes están hechos de aluminio, para el acoplamiento entre el husillo y el eje
motor se ha optado por unos acoplamientos del tipo Oldham.
Ilustración 48: Modificación ProjectGuru
GRAHAM STABLER[25]
La modificación hecha por este usuario tiene varios aspectos particulares, los drivers e interfaz
están realizados por él mismo, siguiendo los esquemas de la página de otro autor asimismo
como la fuente de alimentación.
Los soportes de sujeción de los motores PAP también están hechos mediante pletina y pilares
de aluminio.
La otra modificación importante de
este autor ha sido tener en cuenta la
holgura de husillo e intentar
compensarla, para ello ha colocado
varios rodamientos de bolas a
miniatura al final de los ejes, los
rodamientos de bolas tienen
también juego axial que es el
encargado de intentar absorber la
holgura o “backlash.
Ilustración 49:Control de la máquina

Se han sustituido las arandelas originales por nuevos rodamientos de bolas pequeños, los
rodamientos son los encargados de absorber el juego axial que puedan tener los husillos.
BUBBLEGUM CNC[26]
Este es un proyecto de distribución libre alojado en la web de thinginverse, los soportes del
motor se han hecho mediante prototipado rápido en impresión 3D, El kit está diseñado para
usar rodamientos 626RS. Los archivos en formato STL están disponibles en la web para uso
público.
Ilustración 51:Diseño CAD de Bubegum
Ilustración 50:Rodamiento a la punta del husillo

MIKE COOK [27]
La modificación de este usuario también tiene la electrónica de control implementada por el
usuario, con el distintivo que el interfaz para controlar los motores es una placa Arduino. En la
web se explica detalladamente el proceso de desmontaje y esquemas de montaje de los
soportes hechos por el autor asícomo los esquemas electrónicos para el montaje de la
eelctrónica de control.
Ilustración 52
Ilustración 53

Ilustración 54

3.2.2 Fuerzas de corte
Para el diseño de una máquina es de suma importancia conocer el tipo de fuerzas que actúan
durante su operación. El propósito de una máquina herramienta es cortar material de un
sólido. Para el caso de una fresadora vertical, se utiliza una herramienta giratoria con uno o
más filos. Cuando cada filo entra al material para cortar se genera una fuerza que se puede
descomponer en varios vectores. Para analizar las cargas dinámicas, deflexiones, potencia y
estructura de la máquina; es de utilidad manejar componentes de la fuerza comunes a las de la
máquina. En este caso se analizan la componente paralela al avance Fx, la componente
perpendicular al material Fy y la componente axial, que va sobre el eje de la herramienta.
Ilustración 55: Representación del mecanizado convencional, se puedever como el ancho de la rebaba es mínimo
al inicio y máximo al final del corte.
Un modo de obtener el valor de las fuerzas es utilizar el modelo cuasi-estático de W.A Kline.
[28]Con las ecuaciones descritas a continuación podemos obtener las fuerzas de corte
respecto al tiempo.
(3.2.2a)
) (3.2.2b)
) (3.2.2c)
(3.2.2d)
(3.2.2e)

Donde:
Us= Potencia de corte específica del material a cortar
da=Profundidad de corte en el eje z
f= Avance, avance por diente por núero de dientes de la herramienta.
nt=Número de dientes en contacto con el material.
Ángulos de los filos del cortador.
b= Profundidad de corte lateral
vi =Angulo de rotación de la herramienta
D= Diámetro de la herramienta
Ilustración 56: Esquema de los diferentes parámetros de corte
Tabla 1
Material Potencia de
corte(kW/cm3
/min)
Hierro Colado 0.044-0.8
Acero dulce 0.05-0.066
Acero inox 0.055-0.9
Aleaciones de
magnesio
0.007-0.009
Titanio 0.053-0.066
Aleaciones de Aluminio 0.012-0.022
Latón 0.056-0.07

3.2.3 Modificaciones realizadas.
La máquina se desmontó por completo para la medición y diseño de las diferentes
piezas que la conforman. Puesto que en la empresa donde trabajo (Blumaq) dispone de
máquinas de corte por láser, se estudió desde un momento en hacer todos los soportes de
motor y piezas mediante el corte de chapa de acero. Se barajaron varios modelos para los
soportes, así como arquitecturas, soporte integral en chapa y conformado mediante doblado,
o varias piezas unidas mediante pilares atornillados.
Ilustración 57:Soporte para motor eje Z en chapa doblada
Las piezas no llegaron a realizarse debido a las pequeñas dimensiones de los diferentes
elementos, por lo que se tuvo que optar por cortar las piezas en partes separadas.
Ilustración 58:Soporte para eje Z

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