CNC Casera con Arduino III – Electrónica

Última modificación hace 4 años

Introducción

Por fin llega el momento de ver, con detalle, la parte electrónica de la CNC casera con Arduino Root 3.

La parte electrónica es bastante sencilla, lo que puede despistar es que hay muchas posibilidades.

En este artículo te voy a contar cómo lo he hecho yo. Por qué he tomado las decisiones que he tomado y te daré consejos para seleccionar los componentes.

Mis premisas, a la hora de elegir los componentes, han sido:

• Componentes potentes, que no limiten las posibilidades de la máquina.
• Componentes versátiles, que permitan trabajar el máximo de materiales.
• Componentes fiables, que no se estropeen a la primera de cambio.
• Componentes económicos, en línea con el resto de la máquina CNC.

Vamos a dividir la electrónica en varios grupos, ya que cada uno de ellos puede ser diferente y es posible combinar distintos grupos para obtener lo que queremos y cumplir nuestros objetivos.

Los grupos de los que hablaremos por separado serán:

• Motores paso a paso
• Drivers de los motores de la CNC
• Controladora CNC
• Alimentación
• Fresadora, husillo o spindle de la CNC

Motores paso a paso

Los motores para la CNC serán una de las decisiones más importantes que tomemos y el resto de los componentes de la electrónica estará, dependerá, en gran medida, de esta decisión.

Aunque existen diferentes tipos de motores que podríamos utilizar, como motores de corriente continua, motores paso a paso, servomotores y otros muchos, en este caso nos vamos a decidir por los motores paso a paso.

Los motivos que han hecho que me decida por los motores paso a paso son los siguientes:

• Es una de las opciones más económicas (los servomotores son mejores, pero uno de ellos cuesta varias veces lo que cuesta un motor paso a paso).
• Tienen una muy buena relación potencia/peso/tamaño/consumo eléctrico.
• Son muy resistentes
• No requieren ajustes mecánicos
• No requieren drivers demasiado especiales y caros.

Una vez tenemos decidido que utilizaremos motores paso a paso, tenemos que decidir cuáles usaremos. Para ello tendremos en cuenta:

• Potencia necesaria
• Velocidad
• Resolución y precisión
• Precio
• Formato físico

Potencia

La potencia de los motores paso a paso que utilicemos marcará, entre otras cosas, qué materiales podremos trabajar en la CNC y a qué velocidad.

Sin entrar en demasiados tecnicismos, lo que necesitamos son unos motores que nos permitan trabajar los materiales que tengamos pensados trabajar, con cierta soltura, sin calentarse demasiado o «perder pasos«.

No es lo mismo seleccionar unos motores, para una misma CNC, si lo que pensamos trabajar son maderas blandas, como la madera de balsa, que si queremos trabajar aluminio, por ejemplo, u otros tipos de materiales como maderas duras o plásticos.

Si instalamos unos motores faltos de potencia, estos no tendrán suficiente fuerza para hacer que la herramienta se desplace por el material o penetre en él, sin que se produzcan problemas como vibraciones, perdida de pasos del motor, sobrecalentamiento o, en el peor de los casos, el bloqueo de los motores o su destrucción.

Esto no quiere decir haya un punto mágico, concreto, en la potencia del motor a partir de la cual el motor ya no sirva para trabajar un material, sino que, para trabajar ese mismo material, lo podrá hacer, pero a más baja velocidad que un motor más potente.

Un ejemplo, podemos tener una pequeña Dremel de mano que permita trabajar aluminio avanzando por él a, por ejemplo, 15 cm/m (centímetros por minuto), mientras que una fresadora de 750 vatios podrá avanzar, por ejemplo, a 150 cm/m sin problemas.

¿Quiere eso decir que podemos trabajar cualquier material con tal de que vayamos bajando más la velocidad?

No. Rotundamente no. 

Bajar la velocidad supone que la herramienta (la broca, fresa, o lo que estemos usando) penetra o se desplaza más lentamente en el material y eso genera un gran problema: el calor.

Podemos, hasta cierto, disminuir el calor haciendo que cuanto más lentamente avance la herramienta más despacio gire esta. En otras palabras, haciendo que el motor que utilizamos para hacer girar la herramienta (fresadora, spindle, etc) gire más lentamente.

El problema es que las fresadoras, spindles, etc. tienen unos límites de revoluciones, por arriba y por abajo, de los que no podemos salirnos. Además, la inmensa mayoría de motores van perdiendo eficacia (reduciendo su potencia) a medida que su velocidad baja.

En una CNC tan importante como la fuerza de los motores para avanzar es la fuerza que tengan para mantener la posición. Si los motores no son capaces de mantener su posición cuando están trabajando, ejerciendo bastante presión, contra el material que estamos trabajando tendríamos problemas.

La potencia se suele medir en Nm (Newtons/metro) o en oz/in (onzas por pulgada). En mi caso opté por unos motores de 1,9 Nm o 270 oz/in.

Son motores con una fuerza considerable y de momento no he echado de menos más potencia en los trabajos que he hecho.

Hay que tener en cuenta que no solo se trata de poner de motor más potente posible porque la elección de un motor más potente supone también el tener que utilizar unos drivers de más potencia, una fuente de alimentación mayor y cableado más grueso; lo que puede encarecer seriamente el proyecto.

Velocidad

Como hemos visto, la velocidad está íntimamente ligada a la potencia. Es un camino de dos direcciones.

Lo normal es que estos dos parámetros estén inversamente relacionados. Un motor más rápido suele ser menos potente, de forma relativa.

En la práctica, y en una CNC como esta, la velocidad de los motores paso a paso no va a suponer una limitación importante de la máquina y nos va a servir prácticamente cualquier motor de los que podemos considerar «normales«, esto es, que no tengan características especiales, por ser demasiado rápidos o demasiado lentos.

Hay que tener en cuenta que los motores paso a paso no mueven nada directamente, sino que lo hacen a través de una serie de correas y piñones. Esto nos permite jugar con la velocidad para desmultiplicar y hacer los movimientos más lentos, pero más potentes.

Resolución y precisión

Para obtener resultados precisos con pequeñísimos movimientos, es necesario que los motores tengan la resolución y precisión suficientes. Esto no va a suponer problemas con los motores paso a paso modernos, ya que suelen pasos de 1.8º, lo que supone 200 pasos para una rotación completa.

Como tras la salida del motor existe una relación de desmultiplicación, esto supone que, por cada paso, o 1.8º de rotación, el movimiento en muy pequeño (pocas micras), y además podemos variarlo fácilmente cambiando los piñones por otros con una relación de dientes más conveniente.

Formato físico

Las medidas de los motores a utilizar en una CNC como esta están estandarizadas y tienen unas medidas determinadas. Definidas como NEMA 17, NEMA 23, y otras.

NEMA es la «Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos» y su estándar para soportes de motor se usa comúnmente en la industria para garantizar que las piezas de repuesto se ajusten y estén fácilmente disponibles, y que los motores de diferentes fabricantes sean intercambiables. El número NEMA está relacionado con el diámetro del motor multiplicado por 10. Entonces, un motor NEMA 23 mide 2.3 pulgadas.

Un error bastante habitual es pensar que un motor de un tamaño mayor es más potente, pero esto no siempre es así. Pueden perfectamente existir motores NEMA 17 con más potencia que motores NEMA 23.

Precio

Para una CNC como esta vamos a necesitar cuatro motores paso a paso y, aunque los motores paso a paso no suelen ser excesivamente caros, puede suponer una parte importante del presupuesto total de la máquina.

Hay que tener en cuenta, además, que no todos los motores de la máquina tienen que ser iguales, pudiéndose optimizar cada uno de ellos. Por ejemplo, en el eje Y esta máquina tiene, por diseño, dos motores (uno a cada lado), lo que supone que comparten trabajo y, por tanto, podrán ser de menos potencia que el del eje X, en el que solo hay un motor dedicado a ese movimiento. 

El precio de los motores puede variar mucho de unos sitios a otros. Es posible encontrar un mismo motor mucho más caro o barato dependiendo del sitio donde lo compremos. El país también influye mucho en el precio; un mismo motor que nos cueste en China 15 € nos puede costar en España más de 30 €. Eso sí, lo tendremos rápido y con garantía (además de que estaremos dando negocio a un comercio local que probablemente nos pueda asesorar mejor).

Yo los compré en Alemania por eBay, pero los que yo compré ya no están disponibles. En este momento te recomiendo comprarlos en Amazon, si los quieres rápido, o en AliExpress si no te importa esperar algún tiempo.

 

Poniéndolo todo junto

Los motores paso a paso de la CNC son una parte muy importante.

Te recomiendo poner unos buenos motores que tengan una potencia suficiente, pero sin pasarnos para la máquina que es.

Yo tras mucho buscar opté por los NEMA 23 de 1.9 Nm y acepté por completo. No me han dado un solo problema y, hasta ahora, han tenido potencia suficiente, en todos los ejes, para los trabajos que he realizado (algunos bastante agresivos).

Estos son los motores que te recomiendo comprar. Son los mismos que yo compré en Alemania y están disponibles en Amazon con envío gratuito con Prime.

Ten en cuenta que necesitarás cuatro motores, por lo que deberás agregar cuatro unidades a la cesta de la compra.

Drivers de los motores de la CNC

Los drivers son los elementos electrónicos que reciben las señales digitales de baja potencia del controlador y las convierten en las señales analógicas de alta potencia que los motores necesitan.

La correcta elección de los drivers es muy importante, tanto por capacidad y funcionalidades como por su correcto funcionamiento junto con los motores concretos que usemos.

Existen muchas posibilidades, y muchos precios distintos, y en este caso yo fui a lo seguro, y es lo que te recomiendo (si te decides por poner los mismos motores que yo).

Entre las características y funcionalidades que puede tener un driver, resaltaría:

• Voltaje de funcionamiento: Lo ideal es que elijamos unos drivers que nos permitan trabajar a 48VDC.
• Corriente de salida: Tienen que poder proporcionar la corriente que necesitan los motores (en mis motores son 3 Amperios).
• Rango de subdivisión, micropasos o microsteps: Permite que los motores se muevan en incrementos mucho más pequeños de lo que mecánicamente son capaces, aumentando su precisión.

Yo opté por unos drivers DM542A, que son capaces de suministrar una corriente de salida de 4.2A (recordar que mis motores consumen 3A y conviene dejar un buen margen de seguridad) y acerté. Existen drivers muy parecidos y fáciles de confundir con este, como los TB6600, que son algo más baratos, pero había leído en los foros especializados en inglés demasiadas historias de terror sobre esos drivers como para decidirme por pagar algo más e ir a lo seguro.

Los trabajos que realiza una CNC son, no solo muy duros, sino muy largos (la CNC puede estar varias horas seguidas trabajando), y tener una electrónica en la que puedas confiar da mucha tranquilidad.  

¿Tienes experiencia previa con impresoras 3d? Si es así, a lo mejor estás pensando en utilizar los drivers que se suelen utilizar en las impresoras 3D como los DRV8825 o similares. No es una buena idea. Los drivers pequeños utilizados en impresoras 3D no son capaces de entregar la corriente que los motores de una CNC necesitan (excepto si la CNC es muy pequeña, y se le exigen trabajos muy ligeros claro).

Estos son los drivers que yo uso y que te recomiendo. Son los mismos que yo compré en Alemania y están disponibles en Amazon con envío gratuito con Prime.

Ten en cuenta que necesitarás cuatro drivers, uno para cada motor, por lo que deberás agregar cuatro unidades a la cesta de la compra.

Controladora CNC

En el punto de la controladora de la CNC, hay poco que decir.

La controladora está formada exclusivamente por un Arduino Uno.

El cableado exacto dependerá del software que usemos por lo que lo veremos en el siguiente artículo, junto al software.

Ni siquiera necesitamos una placa de conexiones, ya que las mismas son muy sencillas y podemos cablearlas directamente al Arduino Uno.

Un Arduino Uno de buena calidad es todo lo que necesitaremos.

Si quieres puedes utilizar una placa de conexiones para facilitar las mismas, aunque no es en absoluto necesario.

Yo, como puedes ver en las fotografías, utilicé una pequeña placa perforada para facilitar las conexiones pequeña.

Alimentación

De la alimentación dependerá que todo funcione correctamente.

Los motores de la CNC tienen un consumo relativamente alto y hay que alimentarlos adecuadamente.

Cada uno de los motores que he usado pueden consumir un máximo de 3A y son cuatro motores, así que he optado por poner dos fuentes de alimentación de 36V y 9.7A

Aprovechando que hay potencia de sobra, he conectado a estas mismas fuentes algunas tiras de LED a 12V y algunos accesorios más.

El «bloque» con el Arduino, los drivers y las fuentes de alimentación ha quedado (en un montaje rápido y sucio, que era provisional pero que así se ha quedado) de esta manera:

Fresadora, husillo o spindle de la CNC

Como comenté en la introducción a la construcción de esta CNC, la fresadora, spindle, o motor es una de las partes importantes de la CNC.

Cuando construí la CNC puse una fresadora económica, a muy parecida a la conocida Makita RT0700C (prácticamente un clónico), que me dio un resultado excelente.

Posteriormente, la sustituí por un motor de alta frecuencia con su variador.

Como comenté en la introducción a la construcción de esta CNC, la fresadora, spindle, o motor es una de las partes importantes de la CNC.

Cuando construí la CNC puse una fresadora económica, a muy parecida a la conocida Makita RT0700C (prácticamente un clónico), que me dio un resultado excelente.

Posteriormente, sustituí la fresadora por un motor de alta frecuencia con su variador.

Es un desembolso importante (del orden de 300 €) pero en mi opinión vale la pena.

Las razones que motivaron este cambio fueron las siguientes:

• La fresadora hace mucho ruido. Muy incómodo para trabajar en un ambiente doméstico (y eso que yo tengo la CNC en el garage de una casa independiente, no quiero ni imaginarme lo que debe ser tener durante horas algo que hace ese ruido en un bloque de vecinos.
• Se puede regular la velocidad por software, de forma que el programa pueda hacer esos cambios de velocidad según sea necesario. Además, su rango de velocidades es mayor que el de una fresadora.
• Puede trabajar horas y horas sin inmutarse ni calentarse.
• Como la refrigeración de este motor de alta frecuencia es por agua no expulsa aire con lo que no sale el serrín, o las virutas del material con el que estés trabajando, disparado por todo el garaje 🙂
• Permite poner una enorme variedad de tipos y tamaños de fresas.

Conclusión

La electrónica de la CNC Root 3 no es complicada, aunque puede superar a alguien fácilmente por la cantidad de opciones que hay y por la dificultad de acertar con la combinación adecuada.

Si te encuentras en ese caso, yo te recomiendo que optes por los mismos componentes que he utilizado yo. El resultado ha sido muy bueno y te asegurarás de que son componentes que funcionan bien conjuntamente y que son equilibrados.

En breve escribiré un nuevo artículo de esta serie con el software que he utilizado para este proyecto. Suscríbete a la Newsletter para no perdértelo.

Si te ha gustado el artículo te agradeceré mucho si inviertes un minuto en dejar un comentario más abajo.