FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
TESIS
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO
EXPERIMENTAL DE UNA FRESADORA ROUTER
CNC PARA SU APLICACIÓN EN LA
INDUSTRIA MANUFACTURERA”.
PRESENTADA POR:
Bach. CARLOS ENRIQUE ANGLES AGUIRRE
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
JULIACA – PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
TESIS
EXPERIMENTAL DE UNA FRESADORA ROUTER
INDUSTRIA MANUFACTURERA”.
PRESENTADA POR:
Bach. CARLOS ENRIQUE ANGLES AGUIRRE
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
APROBADA POR EL JURADO REVISOR CONFORMADO POR:
PRESIDENTE : _________________________________________
ING. SALVADOR TEODORO, VALDIVIA CÁRDENAS
PRIMER MIEMBRO : _________________________________________
ING. FELIPE, CHARAJA CUTIPA
SEGUNDO MIEMBRO : _________________________________________
ING. WALTER JACINTO, LIZARRAGA ARMAZA
ASESOR : _________________________________________
DEDICATORIA
Al terminar este trabajo de investigación,
con gran esfuerzo, dedico esta tesis
especialmente a:
Mis padres, hermana y familiares por su
apoyo en todo momento y haberme
enseñado a afrontar y enfrentar las
adversidades y retos de la vida, con
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por protegerme en todo momento y permitirme lograr este anhelo de ser un profesional.
Quiero también expresar mi gratitud a mi padre y a mi madre por haberme dado siempre fuerza y apoyo incondicional.
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ... i
ÍNDICE DE FIGURAS ... v
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
INTRODUCCIÓN ... x
CAPÍTULO I: ... 1
ASPECTOS GENERALES ... 1
1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ... 2
1.2. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ... 2
1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA... 3
1.3.1. Problema general: ... 3
1.3.2. Problemas específicos ... 3
1.4. OBJETIVOS ... 4
1.4.1. Objetivo general ... 4
1.4.2. Objetivo específico ... 4
1.5. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO ... 4
1.4.1. Justificación técnica. ... 5
1.4.2. Justificación social. ... 5
1.4.3. Justificación económica. ... 6
1.5. LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN ... 6
1.6. HIPÓTESIS ... 6
1.6.1. Hipótesis general ... 6
1.6.2 Hipótesis Específicos ... 6
1.7. Variables ... 7
1.7.1. Variable independiente ... 7
1.7.2. Variable dependiente ... 7
1.7.3. Variables intervinientes. ... 7
1.7.4. Definición operacional de la variable ... 7
CAPÍTULO II ... 10
MARCO TEÓRICO ... 10
2.1. ANTECEDENTES ... 11
2.2 FRESADORA ... 13
2.2.1. Generalidades ...13
2.2.2. Constitución de una fresadora ...13
2.2.3. Clasificación de las fresadoras ...14
2.2.4. Características de las fresadoras ...16
2.2.5. Funcionamiento de una fresadora ...17
2.2.6. Condiciones de uso de la fresadora ...18
2.3. HERRAMIENTAS DE CORTE (FRESAS)... 18
2.3.1. Constitución y terminología de las fresas ...19
2.3.2. Tipos y clasificación de las fresas ...20
2.4. ANTES Y DESPUÉS DEL CONTROL NUMÉRICO CNC ... 21
2.3. RODAMIENTOS UTILIZADOS EN UN ROUTER CNC ... 31
2.4. ACEROS LAC ... 34
2.4.1. Aplicaciones: ...34
2.4.2. Ventajas ...35
2.5. ACEROS LAF ... 35
2.5.1. Aplicaciones: ...35
2.5.2. Ventajas ...36
2.6. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ... 36
CAPÍTULO III ... 39
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 39
3.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ... 40
3.2. DESCRIPCIÓN DEL ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN ... 40
3.2.1. Juliaca ...40
3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA ... 41
3.3.1. Población. ...41
3.3.2. Muestra ...41
3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS ... 42
3.5. VALIDEZ Y CONFIABILIDAD DEL INSTRUMENTO ... 42
CAPÍTULO IV ... 43
INGENIERÍA DEL PROYECTO ... 43
4.1. SELECCIÓN DE COMPONENTES ... 44
4.2. SELECCIÓN DEL PROTOTIPO ... 45
4.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA ... 46
4.4. SELECCIÓN DEL MOTOR DE DESBASTE ... 52
4.5. DESARROLLO DE LA PARTE ELECTRÓNICA ... 58
4.6. DIAGRAMA DE OPERACIÓN PARA EL DISEÑO DE UNA FRESADORA ROUTER CNC (DOP)...64
CAPÍTULO V ... 68
CÁLCULO Y RESULTADOS ... 68
5.1. FUERZAS DE FRICCIÓN EN UN ROUTER CNC ... 69
5.1.1. Diseño de la mesa de trabajo ...69
5.1.2 Cálculo de la velocidad de corte ...72
5.1.3 Cálculo de la potencia de corte ...72
5.1.4 Diseño de la estructura vertical Z ...73
5.1.5. Flechas o ejes guías de la coordenada Z ...74
5.1.6. Cálculo del eje roscado Z: ...76
5.1.7. Cálculo del torque y potencia del eje roscado Z ...78
5.2. DISEÑO DEL CARRO X ... 79
5.2.1. Flechas guías de las coordenadas X ...80
5.2.2. Cálculo del eje roscado del Carro X ...83
5.2.3. Diseño de la estructura horizontal Y ...84
5.2.4. Flechas o ejes guías, estructura horizontal coordenada Y ...85
5.2.5. Cálculo del eje roscado de Potencia para el Carro Y ...87
CAPÍTULO VI ... 89
ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 89
6.1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LOS EJES Y ESTRUCTURA .. 90
6.2. ANÁLISIS Y RESULTADOS DEL MOTOR ... 91
6.3. ESTUDIO DE LA VIABILIDAD ... 93
6.4. ANÁLISIS ECONÓMICO ... 96
6.4.1. Costos directos ...97
6.4.3. Costo total del proyecto ...100
6.5. DISCUSIÓN ... 101
6.5.1. Mecanizado en una plancha de madera ...101
6.5.2. Mecanizado en una plancha de aluminio ...102
6.5.3. Mecanizado en una plancha de cobre ...103
CONCLUSIONES ... 104
RECOMENDACIONES ... 105
BIBLIOGRAFÍA ... 106
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Modernización de torno EMCO ... 13
Figura 2. Fresadora universal ... 14
Figura 3. Fresadora horizontal ... 14
Figura 4. Fresadora vertical ... 15
Figura 5. Fresadora mixta ... 15
Figura 6. Fresadora universal ... 16
Figura 7. Funcionamiento de la fresadora ... 17
Figura 8. Condiciones de uso... 18
Figura 9. Herramientas de corte ... 19
Figura 10. Constitución de la fresa ... 19
Figura 11. Ángulos de la fresa ... 20
Figura 12. Tipos de fresa ... 21
Figura 13. Router CNC ... 22
Figura 14. Composición de un router CNC ... 24
Figura 15. Programa de un router CNC ... 26
Figura 16. Códigos G y códigos M ... 27
Figura 17. Diagrama de bloques de un motor paso a paso ... 28
Figura 18. Motor paso a paso ... 30
Figura 19. Sistema de transmisión de un router CNC ... 31
Figura 20. Rodamientos lineales ... 32
Figura 21. Detalle de los rodamientos ... 33
Figura 22. Tabla de pernos ... 34
Figura 24. Aceros LAF ... 36
Figura 25. Selección de componentes de la fresadora router CNC ... 44
Figura 26. Diseño de la estructura de la máquina ... 45
Figura 27. Mecanismo tornillo – tuerca, paso de ... 46
Figura 28. Eje Y ... 47
Figura 29. Eje X ... 48
Figura 30. Eje z ... 49
Figura 31. Elementos de sujeción ... 50
Figura 32. Conexión del motor paso a paso ... 51
Figura 33. Rotor del motor paso a paso ... 52
Figura 34. Amoladora ... 53
Figura 35. Proceso de diseño CAD-CAM-CNC ... 54
Figura 36. Generación de un código G ... 55
Figura 37. Cable VGA ... 56
Figura 38. Puerto paralelo ... 56
Figura 39. Funciones del puerto paralelo ... 57
Figura 40. Pines del puerto paralelo ... 58
Figura 41. Drivers ... 59
Figura 42. Conexión de la tarjeta TB 6560 ... 60
Figura 43. Conexión de la tarjeta TB 6560 ... 61
Figura 44. Conexión de la tarjeta TB 6560 ... 62
Figura 45. Motor paso a paso Step - Syn ... 92
Figura 46. Mecanizado en plancha de madera ... 102
Figura 47. Mecanizado en plancha de aluminio ... 103
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de Operacionalización de las Variables ... 9
Tabla 2. Características del motor paso a paso ...50
Tabla 3. Características del driver 6560 ...61
Tabla 4. Diagrama de Cableado ...63
Tabla 5. Ajuste de decaimiento ...63
Tabla 6. Ajuste de par de bloqueo de semi corriente ...63
Tabla 7. Tabla de presión especifica de corte Kso para fresado ...71
Tabla 8. Tabla de Ingresos...93
Tabla 9. Tabla de Egresos ...94
Tabla 10. Flujo de Ingresos y Flujo de Egresos ...94
Tabla 11. Flujo Efectivo Neto ...95
Tabla 12. Equipamiento del sistema de control...97
Tabla 13. Equipamiento de Materiales ...98
Tabla 14. Máquinas y Equipos Utilizados ...99
Tabla 15. Costos Directos ...99
Tabla 16. Costos Indirectos...100
RESUMEN
En este trabajo de investigación se da a conocer el diseño y construcción un
prototipo de enrutador CNC, utilizado para trabajar una amplia variedad de
materiales (metal, plástico o madera); utilizando una computadora que realiza el
control con precisión de una herramienta de corte. Permitiendo mecanizar los
diferentes materiales. Se desarrolló en forma de proyecto especial un
diagnóstico, análisis técnico y económico para el diseño y la posterior
construcción e incluso se evaluó el costo de los materiales que se utilizaran para
su construcción como son: ángulos de metal, ejes roscados, motores paso a
paso para el movimiento de los ejes y otros materiales. Posterior mente se
realizaron pruebas de mecanizado, que mostraron resultados con un rendimiento
estadísticamente satisfactorio; Se utilizaron programas de diseño CAD y CAM,
un procesador que genera el código G que se carga al programar y controlar el
router CNC. Conclusión que el diseño y construcción de la fresadora router CNC
no resulta caro permitiendo que las pequeñas empresas y los empresarios
tengan acceso a ella, esto generara aumento de la producción, el mínimo
desperdicio de material por su velocidad y precisión, ahorro y menor costo de
fabricación. Estas iniciativas promoverá la capacitación de operadores,
programadores CNC y técnicos de servicio, de gran demanda en la ciudad de
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
Hoy en día las empresas dedicadas a la manufactura y metal mecánica tienen la
necesidad de obtener una fresadora Router CNC, debido a que la pequeña y
mediana industria vive una realidad caracterizada por procesos productivos, en
muchos casos antiguos las cuales son muy desfasadas con la tecnología actual.
La diferencia se debe principalmente al poco interés de las industrias y el
elevado precio de las máquinas actuales, lo cual genera poca productividad, lo
que paulatinamente retrasó el crecimiento de la industria Peruana en temas
tecnológicos.
Para solucionar esta problemática, se presenta el desarrollo de un
prototipo automatizado de una fresadora router CNC de bajo costo, la cual se
fundamenta en el avance de la tecnología, junto con la informática mediante la
introducción de los sistemas de control a las máquinas herramientas
tradicionales, logrando actualmente altas precisiones y repetitividad, lo que
otorgan a estos sistemas servo mecánicos de un sin número de posibilidades y
permiten liberar al operario de las tareas rutinarias para dar paso a la
automatización.
De esta manera, esta tesis hace realidad el posicionamiento de un
portaherramientas, dotado de una fresa para hacer mecanizados, en cualquier
punto del espacio tridimensional que se limita por las dimensiones de la mesa
éste sea, realizado en un programa de dibujo asistido por computadora, como
SolidWord, Aspire y AutoCAD, puede ser mecanizado sobre la superficie de la
mesa.
En consecuencia, la fresadora CNC representa una máquina capaz de
mecanizar piezas en diferentes materiales (en aluminio, plástico o madera) para
la industria metal mecánico y manufacturero en tiempos cortos y mínimos precios
de operación, donde los límites están enmarcados por la imaginación y la
CAPÍTULO I:
1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Se han presentado problemas en el momento que se realizó el mecanizado
de diferentes láminas metálicas para la fabricación de diferentes figuras y
moldes de precisión (máquinas herramientas), se ha de mejorar el ámbito
constructivo en la industria manufacturera y metal mecánica.
1.2. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
En la región de Puno existe el problema sobre información en la fabricación
de piezas metálicas en máquinas CNC, así como en el desarrollo de
tecnología. Se ha visto que se desconoce criterios de selección de un
sistema de fabricación en acero en máquinas CNC, se generó una
propuesta de una inversión económica cara en la fabricación de una pieza
metálica.
Debido a esta realidad, es indispensable se comprenda la
conformación y principios de los materiales, para el diseño y construcción
de un prototipo experimental de una fresadora Router CNC.
La Ingeniería Mecánica, ha sido responsable de diseñar y mejorar
otros mecanismos. Para así lograr que cada vez se realice un mejor trabajo
con menos esfuerzo y tiempo.
Para el diseño y construcción de un prototipo experimental de una
difícil ya que no se cuenta con la información necesaria y equipos para este
tipo de diseño.
1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.3.1. Problema general:
P.G 1: ¿De qué manera influye el diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router CNC, para la fabricación de
piezas de manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580,
DIN 8589?
1.3.2. Problemas específicos
P.E. 1: ¿Qué tipo de tecnología se busca emplear para el diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router CNC,
para la fabricación de piezas de manufactura mecanizadas
bajo normas DIN 8580, DIN 8589?
P.E.2: ¿Qué metodología se debe utilizar para el diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router CNC,
para la fabricación de piezas de manufactura mecanizadas
bajo normas DIN 8580, DIN 8589?
P.E. 3: ¿Cuáles son los costos de diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router CNC, para la fabricación de
piezas de manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580,
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo general
i. Diseñar y construir un prototipo de una fresadora router CNC, para
la fabricación de piezas de manufactura mecanizadas bajo normas
DIN 8580, DIN 8589
1.4.2. Objetivo específico
i. Aplicar el sistema tridimensional para el diseño y construcción de
un prototipo de una fresadora router CNC, para la fabricación de
piezas de manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580, DIN
8589.
ii. Realizar el diagrama de proceso para el diseño y construcción de
un prototipo de una fresadora router CNC, para la fabricación de
piezas de manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580, DIN
8589.
iii. Calcular los costos para el diseño y construcción de un prototipo de
una fresadora router CNC, para la fabricación de piezas de
manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580, DIN 8589.
1.5. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO
Juliaca, ciudad en donde existen empresas que buscan ser más
competentes y tener equipos con tecnología, las cuales satisfagan las
necesidades de los clientes que son muy exigentes en temas de acabado
y precisión estos parámetros se busca lograr con la máquina Router
de madera rústicos y muebles, para hacer grabados, tallados y prototipos
en 2D y 3D. Asimismo se utilizan estas máquinas para hacer calados en
metales, matrices y modelos para fundición. Según el tipo de broca que se
utilice, la velocidad de corte y las características técnicas del equipo, se
puede emplear para cortar madera, tableros de aglomerado y MDF, acrílico,
aluminio, cobre, bronce, policarbonato, mármoles blandos, espuma de
uretano y de poliuretano, resinas epóxicas con fibra de vidrio, PVC, polifan,
alucobond y compuestos de otros materiales.
1.4.1. Justificación técnica.
En el aspecto técnico, se ha incrementado la industria metal mecánica en la ciudad de Juliaca y en otras ciudades del Perú, por mejorar el tiempo, la calidad y precisión en cada trabajo ya que estos aspectos son importantes en todo campo manufacturero y metal mecánico.
1.4.2. Justificación social.
1.4.3. Justificación económica.
Este tipo de investigación diseño y construcción de un prototipo experimental de una fresadora Router CNC, se busca que las pequeñas y medianas empresas tengan acceso a ella ya que su construcción no resulta cara.
1.5. LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN
La presente investigación tiene las siguientes limitaciones:
Los programas que se han utilizado en el presente trabajo de
investigación son muy costosos por lo que se deberá de emplear software gratuito con licencias de uso proporcionada por el propietario y que, lamentable mente tiene fechas de caducidad muy cortas.
Existe escasa bibliografía respecto al tema que se está investigando.
1.6. HIPÓTESIS
1.6.1. Hipótesis general
Si se diseña y construye un prototipo de una fresadora router CNC,
entonces se fabricaran piezas de manufactura mecanizadas bajo
normas DIN 8580, DIN 8589.
1.6.2 Hipótesis Específicos
i. Si se aplica el sistema tridimensional en el diseño y construcción
de un prototipo de una fresadora router CNC, permitirá la eficaz
fabricación de piezas de manufactura mecanizadas bajo normas
ii. El diagrama de procesos permitirá diseñar y construir un prototipo
de una fresadora router CNC, para la fabricación de piezas de
manufactura mecanizadas bajo normas DIN 8580, DIN 8589.
iii. Se realizará el cálculo de costos que permitirá reducir el tiempo
de diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router
CNC, para la fabricación de piezas de manufactura mecanizadas
bajo normas DIN 8580, DIN 8589.
iv.
1.7. Variables
1.7.1. Variable independiente
Prototipo experimental de una fresadora Router CNC.
1.7.2. Variable dependiente Piezas de manufactura.
1.7.3. Variables intervinientes. Normas DIN 8580, DIN 8589
Software CAD CAM
1.7.4. Definición operacional de la variable
Las variables que se indicaron anteriormente como: variables
Independientes, variables dependientes, variables intervinientes
son operadas con la automatización a través de un programa, el cual
genera códigos G que viene hacer el idioma de la máquina. Se
muestra las siguientes variables:
Variable Manipulada: Condición que se mantiene ajustada en forma constante de la variable controlada. Ejemplo: Mecanizado de
diferentes materiales es manipulado por un programa de diseño en
la computadora.
Variable Controlada: Es un proceso controlado. Ejemplo: Si la variable manipulada es el mecanizado de diferentes materiales, la
variable controlada es la precisión y el acabado que mantiene el
control numérico computarizado.
Estas variables, se han definido en la automatización y se
busca controlar la precisión, acabado, al mecanizar los diferentes
materiales a través sensores de movimiento, controladores, programa
CAD CAM, rpm y una herramienta de corte. Estos elementos
1.7.5. Operacionalización de las variables
VARIABLES DEFINICION CONCEPTUAL
INDICADOR INDICE
Variable Independiente
Prototipo experimental
de una
fresadora Router CNC.
El CNC dirige en forma automática y coordinad el desplazamiento de los ejes para mecanizar piezas o figuras complejas. Para el diseño de este prototipo
se consideró
parámetros y cálculos para escoger la estructura.
Mecanizado con una fresadora Router CNC
Dureza de la Máquina
Utilización de diferentes tipos de actuadores
Conocimient o de los diferentes tipos de transmisión.
Variable Dependiente
Fabricar piezas de
manufactura.
Los procesos de transformación
consisten en una serie de operaciones con el material en bruto para luego mecanizarlo y transformarlo en una pieza que cumplirá una función determinada.
Resultado de modelos tallados con desprendimiento de viruta durante el mecanizado.
Utilización de una
herramienta de corte
RPM adecuadas para el mecanizado.
Variable Intervinientes
Normas DIN 8580, DIN 8589
Arranque de viruta por medio
de filos
determinados geométricamente : torneado, fresado, etc.
Acabados de calidad y precisión.
Mecanizado no
convencional
Softwar e CAD CAM
Es un programa genera códigos G que son reconocidos por las máquinas CNC
Control Numérico Computarizado .
El idioma utilizado es la generación de códigos G
Tabla 1. Tabla de Operacionalización de las variables
CAPÍTULO II
2.1. ANTECEDENTES
Respecto al diseño y construcción de un prototipo de una fresadora router
CNC, existen varios trabajos de investigación y se han revisado los
siguientes:
2.1.1 Tesis de propuesta de diseño para la fabricación de máquina automatizada para optimizar la operación de cortes rectos en la manufactura de muebles en melamina.
La tesis elaborada por Steve Alexander Palma Chauca, Rodolfo
Christian Jesús Bravo, 2012, publicado como tesis digitales por la
Universidad Ricardo Palma, donde menciona “La máquina herramienta, ha
jugado un papel fundamental en el desarrollo tecnológico del mundo, hasta
el punto que no es una exageración decir que la tasa del desarrollo de
máquinas, herramientas gobierna directamente la tasa del desarrollo
industrial” (1).
2.1.2 Tesis de Generador de código CNC para Proceso de Fresado, Empleando Visión Computarizada.
La tesis Elaborada por Gilberto Sánchez Rodríguez, 2014, publicado
por la Universidad Autónoma Del Estado De Hidalgo, donde se menciona
“Como Humanos, percibimos la estructura tridimensional del mundo que
nos rodea con aparente facilidad. Por ejemplo; podemos percibir la forma
de traslucidez de cada pétalo de una flor así como es susceptible a la luz”
2.1.3 Tesis de Diseño y Construcción de una Fresadora con Control Numérico por Computadora para Uso Didáctico.
La tesis elaborada por Oscar Alejandro Cruz García, Evelyn Rebeca
Guerra López, Ricardo Alfredo Herrera Castro, Néstor Oswaldo Meza
Orellana, 2014, publicado por la Universidad de El Salvador, donde se
menciona “El primer desarrollo en el área del control numérico por
computadora (CNC), lo realizó el inventor norteamericano John T. Parsons
(Detroit 1913-2007) junto con su empleado Frank L. Stulen, en la década
de 1940” (3).
2.1.4 Tesis De Diseño Mecánico De La estructura Para Un Router CNC.
La tesis Elaborada por Hugo Andrés Morales Ríos, 2012, publicado
por la Universidad Autónoma de México, donde se menciona “Un Router
CNC se puede definir como una herramienta automatizada de control
numérico de 3 ejes, utilizada para manufacturar piezas de diferentes
materiales blandos, como lo son: madera, acrílico, cerámicos, entre otros”
(4).
2.1.5 Diseño y Construcción De un Router CNC Para La fabricación de Puertas de MDF.
La tesis Elaborada por Javier Medardo Quimbita Quimbita, Raúl
Ernesto Sánchez Barrionuevo, 2008, publicado por la Escuela Politécnica
Del Ejercito sede - Latacunga, donde se menciona “La automatización, es
determinada maquina o proceso de producción, de tal manera que se
obtenga sus más altos rendimientos y el aumento de la productividad” (5).
Fuente: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132. 48.52.100/2287/Tesis.pdf?sequence=1
2.2 FRESADORA
2.2.1. Generalidades
Máquina herramienta que realiza trabajos en formas cóncavas,
convexas y planas; a través de una herramienta de corte llamado
fresa el cual produce el desgaste del material en forma de viruta y así
darle forma al material mecanizado como: engranajes, prismas, cola
de milano, cabezas de forma, etc.
2.2.2. Constitución de una fresadora
La máquina de fresar lo constituyen los siguientes componentes
mecánicos:
Bastidor
Husillos de Trabajo
Mesa
Carro Transversal
Consola
Caja de velocidades del husillo
Caja de velocidades de los avances
Figura 2. Fresadora universal
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.2.3. Clasificación de las fresadoras
De acuerdo al tipo de trabajo y orientación de la mesa, las fresadoras se
pueden clasificar de la siguiente manera:
2.2.3.1. Fresadora horizontal
En donde el material está ubicada paralelamente a la herramienta de
corte.
Figura 3. Fresadora horizontal
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – COSUDE, material revisado y actualizado por
2.2.3.2. Fresadora vertical
El trabajo se realiza en forma vertical al material que está ubicado en la
superficie de la mesa.
Figura 4. Fresadora vertical
Fuente: Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado
por Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.2.3.3. Fresadora mixta
En este tipo de fresadora el husillo trabaja en forma horizontal y en
forma vertical.
Figura 5. Fresadora mixta
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por
2.2.3.4. Fresadora universal
Se le llama así, a este tipo de fresadora por tener en común dos porta
herramientas: El primer portaherramientas, está ubicado en el cabezal superior,
en donde se ubica el husillo de la fresa; esto hace que tenga un amplio rango
de movimientos en distintas direcciones horizontales y verticales. El segundo
portaherramientas, está ubicado en la mesa; en cual se coloca la pieza a
mecanizar. Esto ocasiona que la fresadora universal se pueda crear piezas de
una complejidad asombrosa.
Figura 6. Fresadora universal
Fuente:http://www.demaquinasyherramientas.com/maquinas/fresadora- universal
2.2.3.5. Fresadoras especiales
Este tipo de fresadora realiza trabajos particulares y se clasifican especial
mente en: Fresadoras acopiadoras, talladoras de engranajes y otras, utilizados
en la producción en serie.
2.2.4. Características de las fresadoras
Las filas múltiples de dientes de forma de la fresa o herramienta de corte,
las cuales van montadas en el eje porta fresa. Le otorgan características
especiales a esta máquina herramienta, y como gran ventaja la variedad de
trabajos que realiza la máquina en superficie de planos paralelos,
circulares, mecanización de formas esféricas, cóncavas y convexas en forma
rápida y precisa.
2.2.5. Funcionamiento de una fresadora
El accionamiento de una fresadora parte de un motor alojado en la parte
de arriba del bastidor, este motor se encarga de generar y transmitir movimiento
al sistema de engranajes de la caja de velocidades y luego al husillo de trabajo.
El encargado del avance automático de las mesas lo genera la caja de avances
a través de un eje de articulación a un mecanismo de tornillo sinfín y corona, el
desplazamiento de las mesas (Vertical, transversal y longitudinal) también se
pueden realizar en forma manual a través de una manivela acoplada a un
mecanismos de tornillo y tuerca.
Cuando el trabajo se realiza en forma horizontal el eje es largo
produciendo el prolongamiento del husillo con el porta fresa apoyándose con un
soporte ubicado en el brazo superior.
Figura 7. Funcionamiento de la fresadora
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – COSUDE, material revisado y actualizado por
2.2.6. Condiciones de uso de la fresadora
Para operar la máquina debemos de tener mucho cuidado, debido a que
es una máquina de gran precisión por ende fue hecha con mucho cuidado y su
costo es elevado. Por lo que se deduce su conservación en forma óptima, para
ello debemos realizar el mantenimiento de sus mecanismos, revisar que estén
bien acoplados, lubricación de las partes de rotación y deslizamiento y la
limpieza adecuada de la máquina.
Figura 8. Condiciones de uso
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por
Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.3. HERRAMIENTAS DE CORTE (FRESAS)
Una fresa está constituida por dientes con filo que cortan el material, el
mecanizado se produce por giro de la herramienta este movimiento lo
genera el husillo. Las revoluciones por minuto que gira la fresa dependerá
del material que se mecanizará y el tipo de trabajo a realizar como
Figura 9. Herramientas de corte
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por
Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.3.1. Constitución y terminología de las fresas
“Las fresas en general están constituidas por un cuerpo de revolución, en
la superficie del cual se hallan los dientes tallados en el propio material
postizo” (6).
El cuerpo de las fresas es de acero rápido y pueden ser de formas
cilíndricas, cónicas, esféricos o combinaciones de ellas.
Las fresas contienen dientes postizos de acero rápido o carburos
metálicos con superficies laterales y frontales.
Figura 10. Constitución de la fresa
Cada diente está ubicada una detrás de otra en todo el contorno de
la fresa cada diente tiene un filo lateral y frontal por lo tanto cada diente se
considera como herramienta de corte por ende debe contener los ángulos
correspondientes
Figura 11. Ángulos de la fresa
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por
Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.3.2. Tipos y clasificación de las fresas
A continuación se muestra los siguientes tipos de Fresa:
Por su diseño de la fresa.
Por sus dimensiones (en mm o en pulgadas).
El diámetro del agujero de la espiga.
El tipo de diente.
Algunas fresas son especiales y se identifican con sus especificaciones
Figura 12. Tipos de fresa
Fuente: Programa De Capacitación Laboral – Caplab, Agencia suiza para el
desarrollo y la cooperación – Cosude, material revisado y actualizado por
Hermann Probst, Lima enero del 2001
2.4. ANTES Y DESPUÉS DEL CONTROL NUMÉRICO CNC
“La explosiva expansión industrial desde comienzos del siglo XX y el
empleo masivo de maquinaria impulsada por energía motriz demandó una
búsqueda constante de procesos cada vez más eficientes” (7).
Un ejemplo seria los que trabajan en un taller mecánico, conocen la
operación más sencilla de taladrado en donde se perfora orificios en una
chapa metálica con un taladro manual de columna. Para realizar esta
operación se debe realizar múltiples tareas: ubicar la chapa en la mesa del
taladro, colocar una broca en el mandril y asegurarla al husillo, seleccionar
la velocidad de rotación mediante un cambio de poleas, activar el husillo y
accionar la palanca, o el volante de avance, para dirigir la broca hacia la
chapa a mecanizar.
Es así que en el ejemplo anterior podemos ver una tarea de
varias veces.
El concepto de control numérico se introdujo en Estados Unidos en
la década de los 50 en una fresadora que trabajaba con válvulas en vacío
la cual fue reemplazada por transistores en los años 60, a partir de los
años 70 se introdujo la computadora y se convirtió en lo que hoy
conocemos como control numérico computarizado.
2.2.1. Router CNC
El control numérico computarizado se utiliza para controlar el
desplazamiento de cada trayectoria del router durante el corte o
mecanizado en diferentes materiales tales como: madera, acero,
compuestos, aluminio, plásticos y espumas. Por ende esta máquina forma
parte de una de las tantas máquinas herramienta que tiene variantes de
CNC muy parecido a una fresadora mecánica. Generalmente esta
máquina se utiliza para trabajos idénticos y repetitivos produciendo alta
calidad y productividad en las fábricas de metal mecánica dedicadas a la
manufactura.
Figura 13. Router CNC
Fuente:
2.2.2. Composición de una máquina CNC
Para poder entender sobre la composición de Router CNC debemos saber
que el CNC controla y monitorea los movimientos que puede realizar una
máquina herramienta estática o portátil como son: fresadora, torno,
rectificadora, máquina de corte por láser, por chorro de agua o por
electroerosión, estampadora, prensa, brazo robotizado, etc. Muchas
máquinas CNC tienen incorporado computadoras, dichas computadoras
tienen un sistema de realimentación bueno para regular la velocidad y
controlar la posición de la herramienta de corte. Otras máquinas CNC
utilizan una computadora externa utilizando drivers que controlan a una
serie de motores (servomotores y/o motores paso paso), así como
componentes de accionamiento para producir el desplazamiento de los
ejes de la máquina para así ejecutar los movimientos programados.
Los componentes principales de una maquina CNC son los siguientes:
Elemento de entrada.
El Controlador.
Máquina herramienta.
Sistema de encendido.
A continuación se muestra el diagrama de bloques de una maquina CNC.
Figura 14. Composición de un router CNC
Fuente:http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/introduc
cion-a-la-tecnologia-cnc
2.2.3. Mecanizado de un router CNC
Para realizar el mecanizado como se muestra en la figura anterior
debemos entender que la computadora manda ordenes e instrucciones a
los controladores de la máquina esto se produce a través de los códigos G
o códigos M posterior mente el software convierte esos códigos en señales
que activan a los motores de desplazamiento y accionan el sistema. A
continuación mostraremos algunas funciones del sistema.
Control de movimiento.- “Todas las máquinas CNC comparten una
movimiento llamadas ejes. Un eje de movimiento puede ser lineal (en
línea recta) o rotatorio (en una trayectoria circular)” (7). A mayor
cantidad de ejes de la máquina CNC este será más complejo
Estos ejes se encargan de transmitir los movimientos necesarios
para el proceso de fabricación. Si seguimos con el ejemplo de un taladro
industrial, los ejes ubicarían la herramienta sobre el orificio a mecanizar
(en dos ejes) y efectuarían la operación (con el tercer eje).
Accesorios programables.- La máquina CNC no es eficiente si solo lo compone un control de movimiento. En lo general se programan de
una u otra manera todas las máquinas se relacionan directamente con
todos sus accesorios por lo que se puede programar cualquier función.
Las siguientes funciones son básicas en cualquier máquina CNC:
Cambiador automático de herramienta, velocidad del husillo y el
refrigerante.
Programa CNC.- El mecanizado de la pieza se realiza con un listado que se produce secuencial mente, son un conjunto de instrucciones que
se les conoce con el nombre de CNC.
“El programa CNC está escrito en un lenguaje denominado G y
M, estandarizado por las normas 6983 de ISO (Organización
Internacional de Normalización) y RS274 de EIA (Alianza de Industrias
y Misceláneas (código M)” (7).
Figura 15. Programa de un router CNC
Fuente:http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/introduccion-a-la-tecnologia-cnc
El código G es el encargado de mandar las órdenes de movimiento
a la máquina como son: avances lineales, avances radiales, pausas, ciclos,
movimientos rápidos. En cambio el código M realiza y ordena funciones
que no corresponden al movimiento de la máquina, siendo estas funciones
las siguientes: arranque y detención del husillo, cambio de herramienta,
refrigerante, detención del programa.
Según lo explicado anteriormente tenemos que considerar y saber
que cada máquina debe tener su propio programa CNC.
A continuación se muestra la tabla con los códigos G y M más
Figura 16. Códigos G y códigos M
Fuente:http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/introduccion-a-la-tecnologia-cnc
Controlador CNC.- Este es el principal elemento que interpreta un programa CNC capaz de accionar los comandos en orden secuencial
Con forme el controlador lee el programa este acciona apropiadas
funciones de la máquina, produce el movimiento de los ejes y sigue
instrucciones del programa.
El controlador también cumple con otros propósitos como por ejemplo:
En caso de error se modifica el programa.
Se verifica la exactitud del programa con el funcionamiento en vacío.
Programa CAM.- Este programa se utiliza al complicarse con la escritura del CNC las causas son por imprudencia del operario u
operaciones dificultosas.
El operador del CNC implanta las operaciones de mecanizado y el
programa CAM se encarga de convertir esas operaciones en CNC
2.2.4. Motores paso a paso
Este elemento se encarga de generar los movimientos a través de impulsos
eléctricos por ser un elemento electromecánico. Estos motores paso a
paso son excitados por pulsos digitales haciendo que giren en un valor
angular a diferencia de los motores eléctricos que giran en forma continua
y son accionados por electricidad. Un motor paso a paso se clasifica como
un sistema de ciclo abierto el cual sigue instrucciones digitales.
Figura 17. Diagrama de bloques de un motor paso a paso
2.2.5. Propiedades físicas de un motor paso a paso
La composición de un motor paso a paso es de láminas de acero al silicio,
estator y rotor la transmisión está dada por un eje de acero al silicio también
lo componen: cables, arandelas, rodajes y cubiertas. La composición de un
motor paso a paso en acero al silicio ofrecerá mayor resistencia eléctrica
por lo tanto reducirá las perdidas en el núcleo.
En cuanto a los imanes son de plástico de ferrita, de ferrita
sinterizada y Nd-Fe-B imanes entre sí.
Los rodamientos del motor paso a paso se eligen de acuerdo al
tamaño del motor la carcasa es de aluminio ya que este permite una alta
resistencia al calor.
2.2.6. Cómo funciona un motor paso a paso
El motor paso a paso es el encargado de controlar el movimiento lineal a
través de pulsos. “Un pulso (también conocido como un reloj o señal de
paso) que se utiliza en un sistema de motor paso a paso se puede producir
por los microprocesadores, la lógica de tiempo, un interruptor o cierre de
relé. Un tren de la tecnología digital se traduce en impulsos de revoluciones
del eje” (8).
El motor necesitara un número exacto de pulsos esto producirá el
rotación y la secuencia de los pulsos. La velocidad de rotación del eje
estará relacionada con la frecuencia.
Figura 18. Motor paso a paso
Fuente: https://tienda.bricogeek.com/motores-paso-a
paso/546-motor-paso-a-paso-nema-17-32kg-cm.html
2.2.7. Sistemas lineales de movimiento para router CNC
El sistema lineal en una máquina es de gran importancia ya que este
proporciona un movimiento que acciona a diferentes componentes, el
sistema lineal de movimiento cumple tres tareas importantes como son:
Sirve de apoyo de los componentes de la maquina
Sirve de guía en un desplazamiento lineal
Apoyo de cargas secundarias.
La composición del sistema lineal está dada por lo general de
Figura 19. Sistema de transmisión de un router CNC
Fuente: http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/cnc-linear-motion-
systems.html
2.3. RODAMIENTOS UTILIZADOS EN UN ROUTER CNC
El rodamiento cumple una función muy importante en mecanismos rotativos
ya que estos sirven de punto de apoyo para ejes y árboles permitiendo
absorber elevadas cargas, el rodamiento tiene un peso reducido y permite
recorridos ilimitados.
Cada rodamiento tiene una característica totalmente especificada
así como una serie que determina, su uso y aplicaciones, por ejemplo,
puede ser errores de alineación, a la rodadura con reducido rozamiento, o
en cuanto a la duración de vida.
Por ende se tiene que seleccionar al rodamiento apropiado que
cumpla con las características, cargas y trabajo a las cuales serán
expuestos.
2.3.1. Rodamientos lineales
Los rodamientos lineales de bolas y los casquillos de fricción pueden ser
2.3.2. Compensación de errores de alineación
Producto de las desviaciones por tolerancias se producen errores en el
montaje o fallos en la construcción, para ello se tiene que elegir un
rodamiento que compensen esos errores.
Un buen auto alineamiento de las bolas de las hileras producirá un
giro con normalidad y se distribuirán las cargas en forma total en cada una
de las hileras, gracias a esto se permite elevadas aceleraciones, trabajo
silencioso y evitar sobre cargas.
Figura 20. Rodamientos lineales
Fuente:
https://medias.schaeffler.com/medias/es!hp.info/KFB..-PP-AS;a6o0Q2V1b9Lc
Los tornillos soportarán cargas axiales y las guías soportaran cargas
Figura 21. Detalle de los rodamientos
Fuente:file:///C:/Users/intel/Downloads/CABALLERO_JOSE_DISE%C3%91O_S
ECADORA_CACAO_ANEXOS.pdf
2.3.3. Elementos de sujeción
Los elementos de sujeción se utilizan para sostener las piezas
desmontables de una máquina por lo general en lo posible se trata de poner
pernos de un solo tipo y que sean comerciales para poder ser
reemplazados en caso de que estos se dañen o se malogren.
General mente los elementos de sujeción utilizados son los pernos
siendo estos de rosca ordinaria o fina, varían de acuerdo a la forma del
filete y al trabajo que va a desarrollar.
Otro elemento de sujeción utilizado son los remaches en este caso
Figura 22. Tabla de pernos
Fuente: https://ingemecanica.com/tutoriales/tornillos.html
2.4. ACEROS LAC
Estos aceros son laminados en caliente según la norma ASTM A500.
2.4.1. Aplicaciones:
Estructuras livianas, semipesados y pesadas.
Carrocerías.
Postes.
Tijerales.
Ventanas.
Rejas.
Barandas.
2.4.2. Ventajas Refrentado.
Libre de rebordes.
Resistencia a la tracción, límite de fluencia, y alargamiento.
Figura 23. Aceros LAC
Fuente: https://issuu.com/acerosarequipa/docs/catalogo_productos_2011/8
2.5. ACEROS LAF
Estos aceros son laminados en frío y sus formas estructurales pueden ser:
cuadradas, redondas y rectangulares.
2.5.1. Aplicaciones:
Estructuras livianas.
Muebles para el hogar y oficina.
Tubos de escape.
Bicicletas.
Sillas.
Rejas.
Cocinas.
Carpintería metálica en general.
2.5.2. Ventajas Refrentado.
Libre de rebordes.
Figura 24. Aceros LAF
Fuente:https://issuu.com/acerosarequipa/docs/catalogo_productos_2011/8
2.6. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
Automatización: Es el control, supervisión, recolección de todos los datos en un tiempo real utilizando un software especial.
CNC (Control Numérico por Computador): ”Control decimal
herramienta que son operadas mediante comandos programados en
un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual
mediante volantes o palancas” (10).
Fresadora: En todas las operaciones de la fresadora el material esta fijo y el encargado de realizar el corte de la viruta es una herramienta
en movimiento.
Fresa: Es de acero rápido o incrustaciones de wolframio las cuales pueden estar fijas o en movimiento.
Fresado: Es una operación de mecanizado en donde el desbaste del material lo realiza una herramienta de corte.
Husillo: “El mecanismo tuerca husillo es un mecanismo que convierte
el movimiento de rotación en movimiento lineal, y un par de torsión
(fuerza de rotación) a una fuerza lineal” (11).
La fuerza de corte: Se produce por acción de giro de la herramienta de corte o del material.
La profundidad de corte: Es la cantidad de viruta que se arranca de la superficie del material con la herramienta de corte.
Maquinas herramienta: “Se utilizan para conseguir geometrías de piezas a partir de una pieza primitiva, la obtención de esta pieza o
a través de una herramienta que choca contra la pieza a una velocidad
considerable” (12).
Maquinabilidad: “En algunos casos, la dureza y la resistencia del
material se consideran como los principales factores a evaluar. Los
materiales duros son generalmente más difíciles de mecanizar pues
requieren una fuerza mayor para cortarlos” (13).
Router: “Su función principal consiste en enviar o encaminar paquetes de datos de una red a otra, es decir, interconectar sub redes,
entendiendo por sub red un conjunto de máquinas IP que se pueden
comunicar sin la intervención de un cable de interfaz ” (14).
Velocidad de avance: “Es la velocidad relativa instantánea con la que
una herramienta (en máquinas tales como máquinas de fresado,
máquinas de escariar, tornos) se enfrenta el material para ser
CAPÍTULO III
3.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN
El presente proyecto de tesis, pertenece al tipo de investigación aplicada
en el campo de la educación tecnológica, el método empleado en este
trabajo de investigación es experimental debido a que los resultados de
esta investigación conllevaran al desarrollo del proyecto, Fresadora Router
CNC (control numérico computarizado).
3.2. DESCRIPCIÓN DEL ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
A continuación se detalla el ámbito o espacio donde se desarrolla la
investigación, que está relacionada a las actividades manufactureras y
metal mecánica.
3.2.1. Juliaca
Se elaboró el presente trabajo de tesis con el fin de mejorar el
acabado, tiempo y precisión de los procesos de manufactura que
realizan los talleres de metal mecánica (Tornería, Estructuras
Metálicas, etc.) de la ciudad de Juliaca que es la capital de la provincia
de San Román y del distrito homónimo, ubicada en la jurisdicción de
la región Puno, en el sureste de Perú. Situada a 3824 msnm en la
meseta del Collao, al noroeste del Lago Titicaca, en la cual existen
talleres que realizan trabajos de manufactura con aluminio, madera,
hierro, bronce, cobre utilizando métodos convencionales por corte con
equipo oxiacetilénico, fresadora universal, torno horizontal los cuales
solución examinada es la automatización a través del CONTROL
NUMÉRICO COMPUTARIZADO (CNC).
3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA 3.3.1. Población.
La población está conformada por las 04 carreras del Senati
dedicadas a la producción manufacturera y metal mecánica, las
cuales realizan trabajos en hierro, aluminio, madera, plástico, bronce,
cobre. Con operaciones manuales y convencionales a estos procesos
operacionales lo constituyen muchas etapas que van desde el corte
hasta el mecanizado de las piezas.
3.3.2. Muestra
La muestra se Tomó en la carrera de soldadura de la empresa Senati
¨SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO
INDUSTRIAL¨ ubicada en la av. Universal # 208 de la ciudad de
Juliaca, perteneciente al área de metal mecánica, en donde se
realiza trabajos de manufactura con diferentes metales, plástico y
madera. Utilizando equipos manuales y convencionales (Equipo
oxicorte, fresadora universal, torno horizontal) esto conlleva a malos
acabados, pérdida de tiempo y falta de precisión por ser procesos
largos.
La información tomada, está basada en las condiciones de
operación manual de la empresa hasta el año 2017, donde intervienen
3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS
La recolección de datos se realiza mediante la observación experimental
de la operación de la máquina, para tal efecto se construyó una maqueta
de una fresadora Router CNC que representara al prototipo experimental
con el fin de realizar las pruebas de arranque, desplazamiento de los ejes
X, Y, Z de equipos, velocidad de los ejes roscados para determinar
distancias y así poder registrar los datos en forma manual.
3.5. VALIDEZ Y CONFIABILIDAD DEL INSTRUMENTO
La validez y confiabilidad se basa en la experiencia en el trabajo con
máquinas herramienta el apoyo para el funcionamiento manual y
automático haciendo uso del software de MATCH 3, CAD CAN, CAD para
la programación del CNC los cuales garantizan una base sólida de registro
de datos y validan la solución planteada según las pruebas que se realicen
en la operación de la fresadora Router CNC.
3.6 PLAN DE RECOLECCIÓN Y PROCEDIMIENTO DE DATOS
Se realizará utilizando herramientas de medición como el flexómetro,
escuadra de precisión esto asegurara el desplazamiento y distancia de los
CAPÍTULO IV
INGENIERÍA DEL PROYECTO
4.1. SELECCIÓN DE COMPONENTES
Se selecciona los componentes que utilizaremos en la construcción del
prototipo de una fresadora Router CNC, los cuales serán los siguientes:
Motor paso a paso Stepper.
Sistema guiado por computadora
Motor de giro para la herramienta de corte.
Mesa de trabajo.
Sistema de transmisión
Guías para el deslizamiento lineal.
Fuente:
http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/componentes-de-un-router-cnc.html
4.2. SELECCIÓN DEL PROTOTIPO
Se eligió realizar el diseño y construcción de la fresadora router CNC
basándose en la simplicidad y autonomía de los ejes cartesianos
Fuente: Elaboración Propia
En este prototipo, la mesa será hecha de metal y tendrá un
desplazamiento longitudinal a una velocidad constante de 5.35 mm/s, este
movimiento se alcanzará gracias a los tornillos de potencia que son accionados
por el motor paso a paso.
La estructura metálica estará compuesto por tubos cuadrados y ángulos
para resistir las cargas que se generan al momento de mecanizar, esta
estructura también permitirá el acceso de otros componentes.
La unión de los tubos y ángulos de la estructura se hará con el proceso
4.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA
La transmisión utilizada en el sistema tridimensional del prototipo de la
fresadora Router CNC serán tornillos y tuercas utilizados como elementos
de rotación pasivo que girarán a una determinada revolución además
permitirán la transmisión de torsión en forma axial.
El avance del tornillo con respecto a la tuerca se produce debido a
que en cada ajuste el sistema avanzará un paso especificado que está
directamente relacionada al paso del tornillo.
Fuente:http://www2.ula.ve/dsiaportal/dmdocuments/elementos/TORNILLO
POTENCIA.pdf
4.3.1. Diseño tridimensional de la estructura mecánica de la máquina
Para el diseño y construcción de la estructura se consideró el recorrido de
los ejes tridimensionales (X, Y, Z), obteniendo las siguientes medidas:
Recorrido longitudinal en X = 1060 mm
Recorrido transversal en Y = 830 mm
Recorrido vertical en Z = 610 mm Figura 30
Superficie útil de la mesa longitudinal que sería X * Y = 1060 * 610 =
646,600 mm2
Movimiento lineal del eje Y: Este carro es robusto y ajustable y se desplaza a lo largo de la estructura está diseñado y construido por tubo
rectangular y ángulo de 2” x 2” y un espesor de 1.2 mm
respectivamente, este carro soportara el peso de los carros X y Z
incluyendo el peso de motor y la herramienta de corte, el eje roscado
esta sostenido por 08 rodamientos de 1.5 cm de diámetro anclados a
un fierro angular de 2.5 cm x 10 cm de largo.
La partes laterales de la estructura esta soldado con electrodo E
– 6011 el cual tiene una resistencia a la tracción de 60.000 lb/pul2 y
pernos de sujeción para el ajuste de las planchas de fierro de un 1/8
de espesor que se encargan de controlar la presión ejercida por los
pernos.
Movimiento lineal del eje X: Se realizó el movimiento lineal del eje X donde se ha utilizado un mecanismo capaz de soportar los
componentes del carro Z para ello se utilizó 03 ángulos los cuales
fueron soldados con E – 7018, se sujetó el motor con bases de tubo y
se reforzó la estructura con acero perfil en T.
Figura 29. Eje X
Fuente. Elaboración propia
Movimiento lineal del eje Z: El movimiento de este eje se efectúa en el arco que mueve el eje Z. El adaptador permite fijar la herramienta de
corte que se utilizara, el porta herramientas está hecho de metal para
un mejor ajuste de la herramienta. El motor es el encargado de hacer
girar la varilla roscada del portaherramienta dependiendo del trabajo a
ejecutar.
El ajuste de las fresas, brocas u otros accesorios se realiza en
forma manual en el portaherramientas por necesitar diferentes alturas.
De igual manera que los ejes X y Y. Este eje está protegido de no
finales de carrera y pueden ser ubicadas automáticamente a su
posición inicial.
El impacto y rozamiento es mínimo en los movimientos lineales
de los carros debido a que se utilizaron ejes guías redondos, su
desventaja es la complicación durante su calibración por eso se exige
una óptima construcción de los elementos mecánicos para evitar
desviaciones y atascamientos.
Figura 30. Eje z
Fuente: Elaboración propia
4.3.2. Mesa de corte
Se eligió la mesa en vacío aunque está limitado para materiales delgados
estos siguen cumpliendo con el objetivo de sostener y asegurar el material
que se va a mecanizar, la mesa esta perforada por agujeros de 3/4” las
cuales están separadas a 1” de distancia alrededor de toda la plancha de
madera estos agujeros sirven para colocar los espárragos con volandas
lisas que sujetaran el material, el espesor de la plancha de madera es de
Figura 31. Elementos de sujeción
Fuente:
http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/componentes-de-un-router-cnc.html
4.3.4. Motor paso a paso
El motor paso a paso que se ha seleccionado para transmitir el movimiento
de los ejes tridimensionales será el motor Stepper con las siguientes
características.
Fuente:
http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/como-funciona-stepper-motor-motor-paso-a-paso.html
Este motor se puede configurar en tres formas distintas produciendo en
cada una de ellas torque, corriente y resistencia de diferentes valores.
Paralelo Serie UniPolar
Torque (n.m.+ 10%) 2.0 2.0 1.4
Corriente (amps/phase) 4.2 2.1 3.0
Resistencia (ohm/phase + 105) 0.46 1.84 0.92
Inductancia (mh/phase + 20%) 2.2 8.8 2.2
Rotor inercia (g.cm 2) 480
Motor peso (kg) 1.0
Motor largo (mm) 76
Numero de cables 8
Identificar mediante un multímetro
Para eso se debe poner el multímetro en continuidad, hacer las mediciones
correspondientes y hacer una anotación de los colores correspondiente a
cada cable que marcan continuidad.
Configuración del motor paso a paso
La forma de representación es mediante la salida de 8 cables
correspondientes a los 4 bobinados pero que a diferencia de los otros no
tienen terminal central unida.
Es posible convertir este motor unipolar de 8 cables a 4 cables
únicamente uniendo extremos correspondientes a cada bobina con otra
bobina.
Al operar este motor como bipolar es posible usar dos cables por
cada fase en paralelo o en serie. En paralelo disminuye la inductancia del
cable lo que aumenta el rendimiento requiriendo más corriente. En serie
sería como tener una bobina por fase por lo tanto aumenta la inductancia
del cable y disminuyendo la corriente requerida.
Figura 32. Conexión del motor paso a paso
Fuente:https://cdn.automationdirect.com/static/manuals/surestepmanualsp/sur
En la siguiente figura se muestra el bobinado, cableado de un motor
paso a paso.
Figura 33. Rotor del motor paso a paso
Fuente:
http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/como-funciona-stepper-motor-motor-paso-a-paso.html
4.4. SELECCIÓN DEL MOTOR DE DESBASTE
Se ha seleccionado el motor que se encargará de realizar el corte, es la
rectificadora amoladora por su tamaño, es ligero y por trabajar a 30000
revoluciones por minuto y con una potencia de 1305 W diseñadas para
cortar metales que tengan un margen de velocidad menores a los 8000
rpm, esta amoladora está ubicado en el carro Z con una base de ángulo
metálico de 1” x 1” la cual estará soldada para evitar las vibraciones y
empernada en caso sea necesario ajustar o regular la amoladora, esta se
encargar de sujetar a la herramienta de corte ( broca, fresa y piedras
abrasivas ) ya que su diseño permite acoplar diferentes herramientas de
Interior mente está compuesta por un rotor y encendido por carbones
los cuales son comerciales en caso de que este se malogre, hay un sistema
de enfriamiento que refrigera a la misma herramienta.
Figura 34. Amoladora
Fuente:https://www.google.com.pe/search?q=rectificadora+amoladora&source=lnms&
tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwj0waahiOTdAhUDrVkKHWZVAm0Q_AUICigB&biw=
1366&bih=626#imgrc=pjZXAtoJ3ET2eM:
4.4.1. Algoritmo de control
Es importante automatizar la fresadora Router CNC y esto se logra a través
de un algoritmo de control para la generación de un código G tal como se
Figura 35. Proceso de diseño CAD-CAM-CNC
Fuente: http://redip.bqto.unexpo.edu.ve
4.4.2. Pasos para generar un código G
Como primer paso se realizará el diseño en el programa Aspire, ya que
este programa trabaja con poli líneas que facilitan el procedimiento.
Como segundo paso se abre el Mach3 para luego buscar el diseño que
se realizó y guardado en el Aspire, posteriormente se comenzará a
generar el código - G para mecanizar cada trayectoria que hay en el
dibujo, se puede personalizar cada trayectoria ya que estos programas
los permiten.
Luego que se genera todos los códigos – G, se abre la función en donde
están grabadas todas las trayectorias en la que se decide el orden de
ejecución de las trayectorias de corte.
Se abre el Mach3 luego se hace clic en la función “Load G-Code”, para
buscar el archivo generado, si no aparece se coloca *.* para que se
Por último se prende la fresadora Router CNC y se ubica los ejes en 0,
se sujeta la herramienta de corte en la amoladora, se prende la
amoladora y se inicia con el programa.
Figura 36. Generación de un código G
Fuente: https://es.scribd.com/document/312928887/Codigo-G
4.4.3. Puerto paralelo para un router CNC
La fresadora Router CNC necesita de una computadora para que envié
señales digitales a la interfaz y así se ordene el funcionamiento de los
motores paso a paso a través de los drivers.
El interfaz entre la computadora del sistema CNC se realizará por
medio de un puerto paralelo y un cable VGA teniendo como ventaja que
El puerto paralelo TTL y el cable VGA se caracterizan por que el 1
lógico es +5V y el 0 lógico es 0V.
Figura 37. Cable VGA
Fuente: https://tienda.xenoncomputer.com/c2g-cable-alargador-de-puerto-paralelo-
3-m-175471-p.htm
Figura38. Puerto paralelo
Fuente:http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/puerto-paralelo-de-un-router-cnc.html
Figura 39. Funciones del puerto paralelo
Fuente:http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/puerto-paralelo-de-un-router-cnc.html
El trabajo de los pines es el siguiente:
Los pines del 2 al 9 controlan 4 ejes, un par de pines por eje, uno será
(paso) y otro será (dirección)
Los pines 10 al 13 y 15, se utilizan para habilitar el paro de emergencia
y los interruptores de límite.
Los pines 1, 14, 16 y 17 se utilizan como salidas a relevador, para
Figura 40. Pines del puerto paralelo
Fuente:http://fabricatupropioroutercnc.com/blog/puerto-paralelo-de-un-router-cnc.html
4.5. DESARROLLO DE LA PARTE ELECTRÓNICA
En esta parte se utilizará los siguientes componentes:
03 drivers para cada motor paso a paso
01 tarjeta electrónica para la interfaz
Fuente de poder de 5VDC y 12VDC.
Los 03 drivers se encargan de energizar a los motores paso a paso
los cuales son comunes en el mercado en caso se necesite sustituirlos. Se
ha utilizado una tarjeta electrónica como interfaz a la PC, por puerto
