Txapu-CNC: Hardware

Descripción

  

TxapuCNC es una fresadora casera de 2,5D. Es decir permite realizar mecanizados sobre una superficie (X,Y) a distintas alturas (Z).

En el blog anterior vimos la parte de software, y ahora veremos la de hardware. La descompondremos en dos partes, la electrónica y la mecánica.

 

Electrónica

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)

NOTA: Si en vez de utilizar drivers PaperStepper, quieres utilizar drivers comerciales (tipo Pololu,Easydriver), que funcionen mediante señales "STEP" y "DIR", en vez de utilizar el sketch de Arduino TxapuCNC_RX, deberás utilizar el sketch TxapuCNC_RX_Pololu, que lo puedes descargar aquí.

El esquema de conexionado es el siguiente:

NOTAS

• Puedes elegir otras patillas de entrada-salida modificando el archivo _init.pde dentro de TxapuCNC_RX.
• Puedes utilizar cualquier PaperStepper en función del motor paso a paso que tengas (como ejemplo en los ejes X e Y se ha representado un motor bipolar y en el eje Z uno unipolar.
• No es necesario utilizar el PaperRelé para comandar el motor del cabezal, puedes hacerlo a mano.
• No es necesario utilizar finales de carrera para los límites máximos y mínimos de cada eje (yo no los he implementado en la fresadora, soy muy vago) , la fresadora funcionará, pero perderá el sincronismo si llegamos al tope de algún eje.
• Las entradas de los finales de carrera no tienen una resistencia a 5V ya que todas las patillas de entrada de Arduino disponen de una resistencia Pull-Up interna. pero parece que esto le da problemas a la gente que no los utiliza. La solución es conectar las patillas D2-D7 a GND. (perdonad que no lo haya indicado en las imágenes)

NOTAS: 

En la imagen anterior se han utilizado 3 paperSteppers L298N con tres motores unipolares, y no se representan los finales de carrera de los ejes.

Si no utilizas el PaperRelé puedes conectar el taladrín a la salida conmutada de 220v de la fuente de alimentación (el enchufe del monitor), para que al apagar la fuente se desconecte el cabezal.

El resultado es el siguiente:

y aquí un detalle de la alimentación del taladrín con el paperRelé:

Nota: el cable gris, está conectado internamente al enchufe de 220V conmutado de la fuente ( monitor ).

Nota: El interruptor de la fuente lo he colocado para que sea accesible (es conveniente que la fuente esté colocada con el ventilador hacia adelante para que el polvo y virutas del mecanizado no entren en la fuente).

Mecánica

Puedes utilizar la fresadora que quieras, pero yo he elegido la Mantis-CNC, una fresadora realizada con madera según las indicaciones de David Carr en su blog: make your bot

Los materiales que necesitarás son los siguientes:

Puedes descargar los planos de fabricación en la zona de descargas.
Los planos se pueden imprimir sobre una hoja DIN-A3 y pegarlas sobre la madera. 

NOTA: Los planos están hechos para madera de 13mm de espesor, si utilizas otros espesores, hay que recortar la diferencia en los laterales (la base es de 276mm x 276mm)

NOTA: Al imprimir ten presente que los planos Mantis_Componentes_xx están preparados para imprimir sobre hojas DIN-A3, y  el plano Mantis_Laser está preparado para imprimir sobre una hoja de 800x400, ten cuidado de no tener activada la opción "Ajustar a tamaño de página" al imprimir o los planos no estarán a escala.  Una vez impresos puedes comprobar que están a escala sabiendo que la base es de 276x276mm.

Las piezas puedes hacerlas a partir de una pieza de madera contrachapeada de 15mm de 800x400mm (8,10€ en Leroy Merlín) o en MDF de 16mm 800x400mm(5,5€ en Leroy Merlín). Y puedes cortarlas tu mismo con una sierra de calar.  (recuerda en ajustar los planos al espesor de la madera, o recortar los laterales para que encajen con la base).
Para que las varillas queden  paralelas, te aconsejo que unas las piezas por parejas y las taladres simultáneamente (algunas piezas tienen unos pequeños agujeros de posicionado).   
Si quieres, puedes encargar que te la corten por laser, también en la zona de descargas dispones de un archivo DXF preparado para ser cortado en una madera de 800x400:

Nota: he añadido un plano de conjunto para facilitar el montaje, este plano no está incluido en el archivo zip de descargas. Para acceder a él haz click en la imagen inferior.

Para fijar el taladrín, puedes quitar la tuerca de plástico que suelen tener en la parte delantera, medir su diámetro y comprobar que coincide con el mío. posteriormente tienes que realizar un agujero para poder introducir un tornillo de apriete.

En la realización de la fresadora he realizado las siguientes txapuzas:

En vez de utilizar un motor con su adaptador, la he adaptado a un taladrín para simplificar la fabricación.

Ya que hoy en día se pueden encontrar taladrines a bastante bajo precio:



  En vez de utilizar un eje roscado con su tuercas especiales antiholguras que son bastante caras, he comprado 1 metro de varilla roscada de métrica 8 (paso 1,25) a 1,3€ y tuercas normales M8 (bueno por unos céntimos más las compré de latón para intentar disminuir el rozamiento) por 1,2€. Para disminuir en lo posible las holguras entre la varilla y las tuercas, he colocado dos tuercas en cada eje.

 Las tuercas (al igual que los casquillos) las he fijado con "araldit rápido" (resina epoxi), mezclado con polvos talco para intentar hacer el adhesivo un poco más espeso. Con un palillo he ido retocándolo para que no se expanda demasiado. Es necesario que la varilla roscada esté introducida en las tuercas para que éstas permanezcan alineadas. Aquí vemos las tuercas del eje Z.

Las tuercas inferiores de la mesa (eje Y)

Y la fijación de las tuercas (fotografía desde abajo,debajo del motor paso a paso) del eje X:

La fijación de los motores X e Y es un poco demasiado "txapuzas", los fijé provisionalmente y como funcionó así lo dejé. Pero posteriormente he descubierto las barritas de adhesivo epoxi, que creo que se podrían fijar como el motor del eje Z.

La fijación del motor del eje Z la realicé primeramente con burlete adhesivo y adhesivo de doble cara (el "taco" y el "verde" que se utiliza para las protecciones en pelota mano) pero tenía demasiada holgura (como la unión eje-varilla era rígida creí que era mejor que el motor tuviera algo de movimiento). Lo que hice es fijar de forma rígida el motor con barritas adhesivas epoxi (dependiendo como la aplastes consigues el ángulo y posición correcto del motor) y realizar una unión flexible con la varilla mediante mangueras de PVC. 

Como he comentado, para el acoplamiento del eje del motor con la varilla roscada he utilizado dos métodos:
Para el primero he utilizado un casquillo de plástico:

Taladré un agujero pasante  con una broca del mismo diámetro que el eje del motor pasos a paso, y luego volví a taladrar hasta la mitad con una broca un poco más pequeña que el diámetro de la varilla roscada, de forma que se al introducir la varilla roscada se genere rosca en la pieza de plástico.
De esta forma la varilla se rosca por un extremo y entra a presión por el otro en el eje del motor. (acoplamiento eje X)

Este sistema tiene la desventaja de que la unión es rígida y no absorbe los descentramientos del taladrado de los agujeros y desviaciones de la varilla (si te fijas la varilla del eje Y está muy torcida). A pesar de que funciona creo que es mejor el segundo sistema:

Para este acoplamiento he utilizado dos trozos de manguera flexible de PVC:

Uno pequeño, de diámetro interior igual al eje del motor paso a paso, y de longitud igual a la longitud del eje del motor paso a paso. Y otro del doble de longitud y de diámetro interior aproximado al eje y al exterior del tubo pequeño:
Primero introducimos el tubo pequeño en el eje del motor:

Sobre él colocamos el tubo grande

Introducimos la varilla roscada. dependiendo de la separación entre el eje y la varilla roscada variaremos la flexibilidad de la unión. Quizás tengas que calentar el tubo para aumentar su flexibilidad y poder introducirlo.

Finalmente, (si es necesario), con un alambre impedimos que las mangueras deslicen, haciendo una Txapu-abrazadera (acoplamiento eje Z y eje Y).

 Nota: para el acoplamiento del eje Y, puse un poco de cinta aislante entre el eje y el tubo de PVC, pero con el alambre no es necesario.

Creo que es bueno hacer unos "agujeros de acceso" en la madera de la base para permitir arreglar la máquina sin tener que desmontarla completamente.  
Si no encuentras cojinetes de deslizamiento (no es necesario que tengan valona, yo los utilicé porque los tenía disponibles), creo que se podrían moldear con la barrita de epoxi cubriendo previamente el eje con film plástico (o tal vez aceite y moviéndolos hasta que se sequen para que no se peguen al eje).

Si nó, siempre puedes comprar unos cojinetes IGUS (11@1,13€/Ud):

Realización casera de casquillos

Si no tienes casquillos, puedes hacerte tú unos. Sólo necesitas los siguientes componentes: Una pistola de adhesivo térmico y papel de aluminio.

Cortaremos un réctángulo de papel de aluminio (el utilizado para envolver alimentos) de una longitud suficiente para que de 3 vueltas a la varilla de deslizamiento.
Envolvemos el papel de aluminio sobre la varilla y lo fijamos con cello.

Ahora con la pistola termoadhesiva vamos recubriendo el aluminio, girando lentamente la varilla.
Una vez frío, (podemos enfriarlo con agua), lo sacamos de la varilla, y eliminamos las dos vueltas de aluminio que no se han fijado al adhesivo. De esta forma conseguimos que tenga la holgura adecuada, y se deslice sin problemas.

El resultado es el siguiente:

Al hacer manualmente los casquillos, al unirlos sobre las plataformas deslizantes (con la varilla introducida, desde luego), habrá que fijarse que las varillas queden completamente horizontales sobre la plataforma.

Enlaces de Interés

Blog de David Carr donde se explica como construir una fresadora casera: make your bot. 
Página de EMC2, dedicada al mecanizado en linux.

RepRap, creación de una máquina autoreplicante. Realización de piezas por deposición de material.

ReplicatorG, programa para producir código para RepRap a partir de ficheros stl
Contraptor realización de una fresadora utilizando perfiles perforados.

Aplicación en "processing" utilizada por contraptor para enviar archivos Gcode al controlador Arduino.
Gcodetools: Plug-in para inkscape que genera Gcode a partir del dibujo vectorial que hayamos dibujado (casi todos los archivos de ejemplo de TxapuCNC_TX los he creado con este fantástico plug-in).
HersheyFonts: Plugin para inkscape que genera textos con carácteres de una linea simple, ideales para simplificar el mecanizado.
PyCAM: Programa que genera archivos Gcode a partir de archivos STL (3D) o Archivos DXF o SVG (2D).

PaperStepper L298N: Uno de los drivers posibles para utilizar en TxapuCNC.
PaperStepper L293: Otro de los drivers posibles para utilizar en TxapuCNC (Yo he utilizado éste para la realización de la fresadora).
PaperStepper Unipolar: Otro de los drivers posibles para utilizar en TxapuCNC.
PaperStepper Unipolar: Otro de los drivers posibles para utilizar en TxapuCNC.
PaperStepperChino: Adaptador para usar un driver Standar (chino) en TxapuCNC.
PaperRelé: Placa utilizada para gobernar el motor del cabezal.
PaperduinoStripboard: Posible placa de Arduino para controlar TxapuCNC.
PaperduinoPerfboard: Posible placa de Arduino para controlar TxapuCNC.
PaperduinoPCB: Posible placa de Arduino para controlar TxapuCNC.
CableFTDI: Si utilizas un Paperduino, será necesario que tengas un cable USB-RS232(TTL) para comunicarte con el PC.

mister_mst de forocoches está haciendo una TxapuCNC, mira sus progresos aquí

Galería

San ha realizado una evolución, (con la mesa de trabajo más grande y con otro modo de fijar las tuercas) del TxapuCNC:


Teneis más fotos de su trabajo en:
https://docs.google.com/#folders/folder.0.0B82NJbZaMceIODBjYjU5NDYtYTg0Mi00N2NlLWIwN2YtZTI2MjFjMmYwMDE5

Y los planos en formato PDF y Autocad realizados por Zumel los teneis aquí

(21b TxapuCNC Planos evolucionados.zip)

Teneis más información de sus trabajos en Forocoches

Información legal

1. Propiedad intelectual

Todos los derechos de propiedad intelectual del contenido de Txapuzas eléctronicas, están bajo una licencia Creative Commons Share-Alike, cuyo contenido podéis revisar en este enlace.
Por tanto queda permitido copiar, distribuir, comunicar públicamente la obra y hacer obras derivadas de la misma, siempre que se respeten los términos de la licencia arriba reseñada.

3. Actualizaciones y modificaciones de Txapuzas electrónicas

El autor se reserva el derecho a actualizar, modificar o eliminar la información contenida en Txapuzas eléctrónicas, y la configuración o presentación del mismo, en cualquier momento, sin previo aviso, y sin asumir responsabilidad alguna por ello.

4. Indicaciones sobre aspectos técnicos

El autor no asume ninguna responsabilidad que se pueda derivar de problemas técnicos o fallos en los equipos informáticos, que se produzcan a causa de los circuitos e ideas expuestos en el blog de txapuzas electrónicas, así como de los daños que pudieran ocasionar.
El autor se exime de toda responsabilidad ante posibles daños o perjuicios que pueda sufrir el usuario a consecuencia de errores, defectos u omisiones en la información facilitada.

Descargas

Los planos, archivos para mecanizado, esquemas e instrucciones están disponibles en el siguiente enlace:

Si tienes problemas con el enlace anterior, aquí puedes descargar todos los archivos de txapuzas

NOTA: El 3 de Abril de 2011 se actualiza el archivo de descargas

Notas

Para la realización de este proyecto se han utilizado los programas: Arduino, Inkscape, Openoffice, Gimp, Picasa, Fritzing,  Gambas

Si encuentras algún fallo, se te ocurre alguna mejora, o simplemente quieres hacer algún comentario, te lo agradeceré: Gracias.  :-)