CNC CAD
CNC CAD
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En esta entrada del blog, se va a exponer el proceso de fabricación de una placa de circuito impreso (PCB) mediante la máquina de control numérico (CNC). En una máquina de control numérico, es un ordenador el que controla el movimiento de los ejes o la velocidad del motor. En este caso vamos a aprovechar estas características de la CNC para la fabricación de placas de circuito impreso.
A continuación se muestran las partes más generales del software que vamos a utilizar para el diseño de nuestra PCB.
PROTEUS
Proteus es un software para la ejecución de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas, como son: diseño del esquema (Esquemático), Simulación y construcción de PCB (Layout). También nos permite visualizar en 3D la placa que hemos diseñado con todos sus componentes.
A continuación se muestran imágenes de la ventana de esquemático y de layout de proteus, para que cuando más adelante se muestren imágenes del diseño del circuito se sepa a que parte del diseño del mismo corresponde dicha imagen.
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| Esquemático |
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| Layout |
DISEÑO DEL CIRCUITO
En primer lugar, diseñaremos nuestra PCB en proteus. Al elegir un componente u otro dentro de proteus, deberemos de fijarnos si este tiene huella (o footprint), ya que será esta la que posteriormente nos permita añadir dicho componente al layout para proceder al ruteado de la placa.
El circuito que se va a diseñar, es un conversor analógico digital (ADC) para la Raspberry pi 4, ya que este mini ordenador no cuenta con ningún ADC entre sus pines GPIO (General Purpouse Input Output). Para ello se van a utilizar dos MCPs distintos, que son el MCP 3008 y el MCP 3208.
MCP 3008
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| MCP 3008-Datasheet Del datasheet del MCP 3008, nos quedaremos con que es un encapsulado que cuenta con 8 canales, es decir tiene 8 ADC en su interior, su tensión de alimentación va desde los 2.7V hasta los 5.5V, se comunica mediante SPI, dónde el propio MCP, es el esclavo y el controlador (en este caso la raspberry) el maestro. Tiene una resolución de 10 bits. |
MCP 3208
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| MCP 3208-Datasheet |
El MCP 3208, comparte multitud de características con el MCP 3008, como la tensión de alimentación o el número de canales. Lo que marca la diferencia entre un MCP y el otro, es la resolución, ya que el MCP 3208 tiene 12 bits y el MCP 3008 tiene 10, es por ello que el MCP 3208 es mas preciso a la hora de leer señales.
Una característica importante de ambos chips, es la capacidad para hacer lecturas diferenciales o lecturas respecto a tierra. La lectura a tierra, es la mas común, compara el valor en tensión que hay en un pin con el valor de la tierra (GND) que debería ser 0. El problema viene en entornos en los que hay mucho ruido, en ese caso es recomendable utilizar la lectura diferencial, la cual hace una lectura de la tensión en un pin respecto a la de otro pin, sin que la tierra intervenga.
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| Encapsulado MCP 3208 |
En la imagen superior, se muestra el encapsulado del MCP 3208. Es un encapsulado tipo PDIP, con 16 pines. El MCP 3008 tiene el mismo encapsulado que el que se muestra en la imagen superior.
SPI
Anteriormente, se ha hablado de que se establece una comunicación SPI entre los MCP y la Raspberry. A continuación se va a explicar en que consiste este protocolo SPI.
El protocolo SPI es un protocolo de comunicación que utiliza 4 o más hilos. Tiene las siguientes conexiones:
- MISO, (Master Input Slave Output), por buscar una similitud con algo cotidiano, se puede entender el término MISO como: El esclavo (Slave) habla y el maestro (Master) escucha. Este pin se utiliza para enviar datos del esclavo al maestro.
- MOSI, (Master Output Slave Input), en este caso es el maestro el que habla y el esclavo el que escucha. Salida de datos del maestro hacia el esclavo
- SCK, este es el pin de reloj, se utiliza para sincronizar la comunicación
- CS, como podemos controlar múltiples esclavos con un controlador, tenemos el pin Chip Select, mediante el cual, el maestro puede seleccionar a que esclavo se dirige. Cada esclavo adicional supone un cable mas en el montaje.
A continuación, se muestran las imágenes correspondientes al esquemático y al layout de la PCB.
ESQUEMATICO
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| Esquemático |
A la derecha de la barra vertical, encontramos las conexiones correspondientes a la alimentación de la PCB y por tanto a la alimentación de los MCPs. Se han colocado dos regletas de dos contactos conectadas a 5v y a GND. También se han colocado dos condensadores cerámicos de 100 nF, para filtrar el ruido de la alimentación. También se ha colocado una regleta de 8 contactos conectada a un potenciómetro que varía la tensión entre 0 y 5 voltios, esto lo utilizaremos para comprobar el MCP con diferentes tensiones.
LAYOUT
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| Bottom |
En la imagen superior se muestra la cara bottom de la PCB, esta cara es la opuesta a donde se colocan los componentes, en este caso debido a la sencillez del diseño, solamente hay pistas por esta cara. Si queremos escribir algo en esta cara, deberemos de hacerlo aplicando un mirror al texto, es decir 'escribirlo al revés'.
A la hora de hacer el ruteado, las pistas de alimentación, es decir Vcc y GND, serán de T40 y las e señal de T20, con esto indicamos el ancho de la pista. Tenemos que tener en cuenta, que los drills (agujeros), se van a realizar con una broca de 1mm, por ello, es conveniente modificar la huella de alguno de los componentes para cambiar el diámetro del drill y el tamaño del pad (cobre alrededor del drill sobre el que se suelda), esto lo haremos simplemente para visualizarlo en el layout y hacernos la idea de como va a quedar, ya que el drill lo va ha hacer de 1 mm de todos modos.
MECANIZADO DE LA PCB
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| Top La imagen superior muestra la cara top de la PCB, esta es la cara donde se colocan los componentes, en ella simplemente se realiza una serigrafía para indicar en que lugar se colocará cada componente así como una indicación de las distintas conexiones. Los bordes de diseño que se ven en las imágenes, corresponden a los bordes físicos de la PCB, es decir, a la hora de cortar la placa, la CNC lo va a hacer siguiendo ese borde. La capa en la que definimos por donde se va ha realizar el corte de la PCB se llama Mech1. VISTA 3D A continuación se muestra la vista en tres dimensiones del diseño e la PCB. en esta vista se mostrarán todas las capas.  |
Vamos a fabricar esta PCB sobre una placa formada por dos laminas de cobre pegadas sobre una superficie de material dieléctrico (FR4 en este caso). El grosor de estas láminas de cobre es de 35 um. El grosor del dieléctrico es de 1.6mm.
Conviene dejar al menos 0,76 mm de separación entre un componente y otro, y 1.27mm entre un componente y el extremo de la PCB, de este modo se evita que la soldadura fluya de un pad a otro. Esta distancia mínima, la podemos configurar en proteus, avisándonos cuando nos acercamos demasiado.
Existen dos clases de componentes:
- THD, (Through-Hole Device), de orificio pasante. Requieren drill.
- SMD, (Surface Mounted Device), de montaje superficial. No requieren drill.
En este diseño, la mayor parte de los componentes es THD, sin embargo, se han soldado un par de condensadores SMD para filtrar el ruido.
Se debe de evitar (sobre todo en las pistas de señal) los ángulos rectos o agudos.
MANEJO DE LA CNC
A continuación se explicaran ciertos detalles a tener en cuenta a la hora de fabricar una placa de circuito impreso utilizando la CNC así como su manejo. En primer lugar, deberemos de haber exportado el circuito de proteus como un archivo Gerber. Para ello, iremos a la ventana de layout, output >> Generate Gerber/Excellon files. Al hacer esto, se desplegará el siguiente menú:
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| Parámetros |
En este menú, seleccionaremos las capas que queremos exportar, elegimos el formato (Gerber X2), indicamos la capa que contiene el corte de contorno, e indicamos otras características como las unidades utilizadas o la rotación. Para la placa que se va a fabricar, esta configuración es la adecuada.
Este archivo Gerber, contiene coordenadas y otros parámetros para indicar movimientos a la CNC, también indica velocidades, cambios de herramienta, rotación de la herramienta, etc.
Una vez se ha creado el Gerber, abriremos el Circuit Cam, que es un software de procesamiento de archivos Gerber, en Circuit Cam configuraremos parámetros como el aislamiento del cobre (pistas, pads) o los gaps, que son zonas del contorno de la PCB que la CNC no corta con el fin de que esta no salga despedida o se dañe, estas zonas son muy pequeñas y una vez finalizada la fabricación de la placa, esta se puede retirar fácilmente.
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| Gaps En la imagen superior, se muestra la configuración de los gaps, se indica la herramienta que se va a utilizar, el tipo de gaps (4 esquinas) y finalmente el ancho del gap que en este caso es de 0.3mm. |
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| Aislamiento |
En la imagen superior, se ve la configuración correspondiente al aislamiento, como podemos observar, se indica la capa que se va a aislar (InsulateDefaultTop), se indica las herramientas que se van a utilizar, en este caso para las partes mas pequeñas y para el detalle, va a utilizar la universal cutter 0.2mm, para el resto del aislamiento, va a utilizar la end mill 1.0mm. Indicaremos el ancho del aislamiento y daremos a ejecutar. El ancho de aislamiento debe de ser de 2 mm tanto en Base como en Especiales. El ancho puede ser mayor, pero cuanto mayor sea, más va a tardar la CNC en fabricar la PCB y más se va a desgastar la fresa.
Una vez hemos configurado estos parámetros, debemos abrir el BoardMaster (software con el que controlaremos el proceso de fabricación de la PCB) , una vez abierto, desde el circuit cam haremos clic sobre exportar, haciendo esto, nos aparecerá la PCB en el BoardMaster . Ahora deberemos de colocar la PCB en el sitio que mejor nos venga. Comprobaremos la colocación de la PCB guiando el cabezal de la CNC con el ratón.
Iremos a la caja de herramientas, donde se nos pedirá elegir unas herramientas determinadas, debemos colocarlas según el orden en el que se nos solicita. Una vez seleccionadas todas las herramientas, damos a OK y nos aparecerá en la vista principal un código de colores simulando la distribución de las herramientas en el clamp (lugar donde se colocan las herramientas en la CNC). Mediante este código de colores, podemos comprobar si todas las herramientas están colocadas correctamente.
Una vez tenemos todo preparado, seleccionaremos la acción que queremos realizar (Milling Top, Milling Bottom, Drilling Plated, Cutting Outside), nosotros empezaremos por hacer los drills, así que seleccionaremos Drilling Plated. Una vez elegida la acción a realizar, haremos una selección de la PCB. Para hacerlo de una manera rápida, clicaremos sobre all +, de este modo estaremos seleccionado todos los elementos de la PCB que se realizan con esta acción (los drills). Con todo seleccionado, clicaremos sobre Start, en ese momento la CNC empezará a hacer los drills. Del mismo modo haremos las demás acciones.
Antes de comenzar el mecanizado mediante la CNC, debemos de preparar la placa sobre la que vamos a trabajar. Si esta no cuenta con fiduciales (agujeros para sujetar la placa y poder invertirla) deberemos hacerlos, para ello utilizaremos la broca de métrica 3. Llevaremos el cabezal a la posición 'Home', accionaremos el cabezal de la CNC para que comience a girar. Una vez esté el cabezal en movimiento, lo bajaremos de una forma 'semiautomática', es decir mediante las flechas que nos permite mover los ejes. Lo iremos bajando poco a poco y con cuidado, una vez hecho el agujero, escribiremos 295 en el cuadro que se encuentra en el centro de las flechas que mueven los ejes, al hacer esto, estamos indicando la distancia que vamos a mover el cabezal con cada pulsación. Una vez escrito, moveremos el cabezal hacia el lado contrario del que hemos hecho el primer fiducial. Una vez allí, repetiremos el proceso, bajando el cabezal poco a poco hasta hacer el agujero. Con esto ya estaremos listos para empezar a fabricar la PCB.
A continuación, se muestra una imagen de la CNC en el proceso de fabricación de una placa de circuito impreso.
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| CNC trabajando |
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| Resultado |
Como se puede ver en la imagen superior, la CNC mecaniza placas de gran calidad en un tiempo relativamente pequeño.
ENLACES DE DESCARGA
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