CNC Kingpin 2500 — Pórtico CNC de Precisión Industrial

Proceso de Fabricación

De la chapa al control de movimiento

Cada fase sigue un orden lógico: primero la estructura portante, luego mecanizado de precisión, después el sistema de movimiento y finalmente el control eléctrico y software.

Diseño y soldadura del bastidor en acero S355JR

Se parte de perfiles RHS (tubo rectangular estructural) 120×80×6 mm para largueros y travesaños, y 150×100×8 mm para la viga del puente. El corte se realiza con sierra de cinta o tronzadora de disco. Todas las uniones se sueldan con hilo MIG ER70S-6 Ø0.8 mm en varias pasadas con precalentamiento a 80 °C para evitar tensiones residuales. Tras la soldadura se taladran los anclajes al suelo y se colocan las 4 placas de nivelación.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué S355JR? Límite elástico 355 MPa frente a los 235 MPa del S235 habitual. Al mismo precio que el acero común permite usar paredes de 6–8 mm en lugar de 10 mm, reduciendo 20% el peso sin sacrificar rigidez.

Soldadura MIG ER70S-6 RHS 120×80×6 / 150×100×8 EN10219 S355JR Precalentamiento 80°C

Granallado Sa 2.5 y tratamiento anticorrosión

Una vez terminado el bastidor se granalla a Sa 2.5 (ISO 8501-1), eliminando toda la cascarilla de laminación y el óxido de la soldadura. Sobre la superficie limpia se aplica imprimación epoxi 2K de 60 µm seguida de un acabado poliuretano 2K RAL 7035 de 80 µm. El sistema aguanta el contacto continuo con refrigerante, taladrinas y aceite durante toda la vida útil sin descascarillarse.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué epoxi + PU y no un mono-componente? La imprimación epoxi adhiere perfectamente al acero granallado. El PU 2K aporta resistencia química a aceites y coolant. Un mono-componente se agrietaría en menos de 2 años con el uso industrial diario.

Granallado Sa 2.5 Epoxi 2K 60 µm PU 2K RAL 7035 80 µm ISO 8501-1

Mecanizado CNC de placas de precisión

Las 7 piezas personalizadas (placas de carro X, Y, Z, base Z fija, anclajes y rack ATC) se mecanizan en fresadora CNC a partir de preformas de S355JR o inox 304. Los taladros para carros HIWIN se trabajan a tolerancia H7 para que los carros queden alineados entre sí dentro de ±5 µm. Los conos BT30 del rack ATC se mecanizan con taper 7:24 acabado a Ra 0.4 µm para garantizar repetibilidad de posicionamiento de herramienta en cada cambio.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué tolerancia H7 en taladros HIWIN? Los carros necesitan posicionamiento relativo dentro de ±5 µm para que la guía no trabaje con precarga desigual, lo que triplicaría el desgaste. Con H7 se garantiza sin ajuste posterior en montaje.

Tolerancia H7 taladros HIWIN Cono BT30 taper 7:24 Ra 0.4 ISO 2768-m general S355JR + Inox 304

Montaje de guías lineales HIWIN y cremalleras helicoidales

Las guías HIWIN HGR25R se atornillan con M8 clase 10.9 a par 32 Nm según tabla HIWIN. La alineación entre los dos raíles del eje X se verifica con nivel de precisión 0.02 mm/m y reloj comparador. Las cremalleras helicoidales M3 se posicionan con galga de distancia desde el eje de guía y se fijan con M8. El piñón se une al eje del reductor Neugart PLE060 con pasador cónico para eliminar todo el juego rotacional.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué cremallera helicoidal y no husillo de bolas en X/Y? En 2500 mm de recorrido, un husillo requeriría soporte intermedio, soporte flotante y gestión de dilatación térmica. La cremallera helicoidal no tiene límite de longitud, transmite más par y su ángulo de paso elimina el ruido y el backlash de una cremallera recta.

HIWIN HGR25R + HGH25CA Cremallera M3 helicoidal C45 Neugart PLE060 i=5 Par apriete M8 32 Nm

Instalación del husillo BT30 y sistema ATC neumático

El husillo BT30 2.2 kW refrigerado por agua se fija en la placa carro Z con 4 tornillos M8. El circuito de refrigeración conecta bomba 12 V → husillo → depósito de 5 L con agua destilada y anticongelante al 20%. El rack ATC de inox 304 se posiciona a altura fija respecto al origen Z. La sonda tool setter Ø50 mm se conecta a una entrada digital de la Mesa 7i96S y LinuxCNC mide automáticamente la longitud de cada herramienta antes de arrancar el corte.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué BT30 con ATC y no un portaherramienta ER fijo? El BT30 con pull stud permite cambio automático en menos de 3 segundos con repetibilidad de ±2 µm. Un ER fijo requiere operario, llave y parada de producción. Con 8 modelos de corte Kingpin, el ATC multiplica la productividad directamente.

BT30 2.2 kW 0–18.000 rpm Rack inox 304 3 posiciones Tool setter Ø50 mm IP67 Electroválvula ATC 24VDC

Cuadro eléctrico 48VDC y conexionado apantallado

El cuadro IP54 600×400×200 mm aloja en carril DIN: fuente Mean Well SE-1000-48 (48VDC/20A para servos), fuente HDR-120-24 (24VDC para lógica y electroválvulas), 4 drives Leadshine ELD2, relé seguridad Pilz PNOZ Cat.3 PLd, magnetotérmico 3P 16A y diferencial 30mA. Todo el cableado de potencia servo usa cable apantallado 4×1.5 mm²; los encoders usan cable par trenzado 4×2×0.25 mm². Las cadenas Igus E2 protegen los cables en los 3 ejes móviles.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué bus de 48VDC y no 230VAC directo a los servos? Los drives Leadshine ELD2 a 48V ofrecen respuesta dinámica superior a los drives AC de similar precio. Un bus DC centralizado simplifica el cuadro, elimina transformadores individuales y permite aprovechar el frenado regenerativo entre ejes sin disipadores adicionales.

Mean Well SE-1000-48 960W Leadshine ELD2-522 × 3 + ELD2-404 Pilz PNOZ Cat.3 PLd Cadenas Igus E2

Configuración LinuxCNC y puesta en marcha

LinuxCNC corre en PC industrial Intel N100 con kernel RT-PREEMPT. La Mesa 7i96S gestiona por Ethernet FPGA el control diferencial de 4 ejes: X1, X2 (gantry sincronizado con Gantrykins), Y y Z, con señal paso/dirección a 400 kHz. El VFD Huanyang GT2 recibe la consigna de velocidad vía Modbus RS485 desde el componente HAL. Los 8 programas G-code de Kingpin utilizan macros O-word para el ATC: el husillo va a posición segura, activa la electroválvula neumática, recoge la herramienta del rack, la mide con el tool setter y reanuda el corte sin intervención del operario.

💡 ¿Por qué? ¿Por qué LinuxCNC y no Mach3 o un DSP propietario? LinuxCNC es software libre sin licencias, con HAL completamente configurable. La Mesa 7i96S da latencia <5 µs, 10× mejor que un puerto paralelo. El control gantry sincronizado X1+X2 (Gantrykins) y el ATC con O-word son nativos en LinuxCNC. Mach3 requiere plugin de pago y no ofrece control determinista real.

LinuxCNC + Mesa 7i96S FPGA RT-PREEMPT <5 µs latencia VFD Modbus RS485 G-code O-word ATC automático

Selección de Materiales

Por qué cada material

Cada material se ha elegido por criterios de resistencia mecánica, coste, disponibilidad en España y adecuación a las solicitaciones reales de la máquina en servicio.

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Acero S355JR

EN10219 / EN10025

Límite elástico355 MPa

Resist. tracción470–630 MPa

Módulo elástico210 GPa

SoldabilidadExcelente

Precio aprox.~0.75 €/kg

Bastidor, placas y anclajes. El sufijo JR garantiza 27 J de resiliencia Charpy a 20 °C. Soldable con MIG sin precalentamiento hasta 25 mm de espesor. Elegido sobre S235 por su 50% más de límite elástico al mismo precio.

⚙

Acero C45 Templado

EN10083-2 / ISO 683

Dureza superficial55–60 HRC

Núcleo~280 HB

Contenido C0.42–0.50%

ProcesoTemple + revenido

AplicaciónCremalleras + piñones

Superficie dura que resiste el desgaste por rodadura, núcleo tenaz que absorbe impactos dinámicos. Imposible de conseguir con un solo tratamiento en acero de bajo carbono.

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Inoxidable AISI 304

EN 1.4301

Resist. corrosiónExcelente

Límite elástico205 MPa

Cr / Ni18% / 8%

AcabadoPulido espejo conos

AplicaciónRack ATC

El rack ATC está en contacto constante con refrigerante y virutas. El inox 304 no se oxida, no contamina los conos BT30 y permite limpieza con agua a presión sin degradación.

🔩

Tornillería Clase 10.9

ISO 4762 / ISO 898-1

Resist. tracción1040 MPa

Límite fluencia940 MPa

RecubrimientoZn 5 µm

Uso guíasPar 32 Nm M8

FijadorLoctite 243

Los tornillos de guías HIWIN deben aguantar vibración continua sin aflojarse. Clase 10.9 con Loctite 243 evita el microdeslizamiento bajo carga dinámica que afloja la clase 8.8.

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Acero S235JR Galvanizado

EN10219 + Z275

Espesor chapa2 mm

Galvanizado275 g/m² Z275

ProcesoPlegado + soldadura

AplicaciónBandeja viruta

MantenimientoLimpieza agua a presión

Para la bandeja de recogida de viruta no se necesita alta resistencia. El galvanizado Z275 resiste el refrigerante acuoso y la humedad sin pintar, simplificando el mantenimiento.

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Grasa Mobil Vactra No.2

ISO VG 68

Viscosidad 40°C68 cSt

Índice viscosidad95

BaseAceite mineral

Intervaloc/200 h trabajo

AplicaciónGuías HIWIN

HIWIN especifica en su documentación técnica Vactra No.2 o equivalente ISO VG 68 para guías de perfil. Grasa de litio EP genérica reduce la vida de los carros hasta un 60% por incompatibilidad con los retenes de caucho.

Componentes Clave

Por qué cada componente

Las decisiones de componentes determinan la precisión, fiabilidad y coste de la máquina. Aquí la justificación técnica de cada elección principal.

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Guías HIWIN HGR25R

6 raíles · 12 carros HGH25CA

Guías de perfil con recirculación de bolas, precisión clase C, carga dinámica 22 kN por carro. Separación entre raíles X: 160 mm, Y: 140 mm, proporcionando par resistente suficiente para la masa del pórtico.

💡 ¿Por qué? Alternativa con rodamientos lineales LM sería 4× más barata pero con rigidez radial 10× menor. Para una máquina de 620 kg con cremallera helicoidal, el HGR25 es el mínimo viable para mantener error de posicionamiento <0.05 mm.

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Servos Leadshine ACM + ELD2

3× 750W + 1× 400W · Encoder 23bit

Servomotores AC con encoder absoluto de 23 bits (8 millones de posiciones/vuelta). Drives ELD2 en bus 48VDC con Step+Dir diferencial y retroalimentación RS485. Corriente pico 22A para aceleración rápida.

💡 ¿Por qué? Encoder incremental con índice tendría pérdida de posición ante un corte de corriente. El encoder absoluto de 23 bits recupera la posición al arrancar sin necesidad de hacer home, crítico en una máquina de producción.

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Reductor Neugart PLE060 i=5

Backlash <3 arcmin · Par 40 Nm

Reductor planetario de 3 etapas con backlash garantizado <3 arcmin. La relación i=5 convierte la velocidad nominal del servo (3000 rpm) en 600 rpm de salida con par multiplicado ×5, adecuado para el piñón M3 Z20.

💡 ¿Por qué? Sin reductor, el servo trabajaría en el límite de par a baja velocidad. El PLE060 actúa como multiplicador de par y como filtro de inercia: el servo ve una inercia reducida ×25, mejorando la respuesta dinámica.

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Husillo BT30 2.2kW Refrigerado

0–18.000 rpm · ER20 collets

Husillo de 3 rodamientos angulares de contacto, par ATC con pinza neumática ISO 7388 BT30, refrigeración por agua para trabajo continuo. VFD Huanyang GT2 2.2kW controla la velocidad vía Modbus RS485.

💡 ¿Por qué? Un husillo de fresadora sin refrigeración alcanza 80°C en 15 minutos de trabajo continuo y los rodamientos se dañan. La refrigeración por agua mantiene temperatura < 35°C indefinidamente, triplicando la vida del husillo.

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Mesa 7i96S + LinuxCNC

FPGA Ethernet · 5 ejes · 32 I/O

FPGA conectada por Ethernet con latencia determinista <5 µs. Genera señales paso/dirección diferenciales a 400 kHz para los 4 drives. 32 entradas/salidas para finales de carrera, E-Stop, tool setter y ATC.

💡 ¿Por qué? Un controlador basado en puerto paralelo tiene latencia variable de 25–100 µs, causando irregularidades en el movimiento a alta velocidad. La Mesa 7i96S por Ethernet ofrece latencia 20× mejor con un PC industrial estándar.

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Cremallera Helicoidal M3 C45

Paso helicoidal 19° · L hasta 3m

Cremallera módulo 3, paso helicoidal 19°, material C45 templado y rectificado. Paso lineal resultante con piñón Z20: π×3×20 = 188.5 mm/vuelta. Con reductor i=5: 37.7 mm/vuelta del servo.

💡 ¿Por qué? La helicoidal respecto a la recta elimina el ruido de alta frecuencia (el chasquido diente a diente) y dobla la zona de contacto simultáneo, reduciendo el backlash efectivo de ~0.1 mm a <0.02 mm sin ajuste de tensión.

Pórtico CNC Kingpin 2500