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• VOLUMEN 13 • NÚMERO 38 • ISSN 2075 - 8936
RESUMENEnelpresentetrabajoserealizólaconversióndeunamáquinafresadoradetorretaconvencionalalsistemaautomatizadomanejadoporcomputadora.
Seimplementaronmotoresdepasoparareemplazarlasoperacionesmanuales,loscualesfueroncolocadosalafresadorautilizandobridasespecíficamentediseñadasparaestepropósitoyunsistemaquepuedacontrolarlosmotoresconlacomputadora.
Unavezimplementadoelsistemaserealizaronpruebasdelequipo,lascualesconsistieronenunaevaluacióntécnicademaquinadodepartesyunaevaluacióneconómica.Enlosdoscasosserealizaroncomparacionesconotrasmáquinasextranjerasusadasenelmedio.
Enlasconclusionesseestableceque,despuésderealizadaslaspruebasconelequipomodificado,susparámetrosdefuncionamientosonmuysimilaresalasmáquinasControlNuméricoComputarizado(CNC)demarca,cumpliendocontodoslosobjetivosgeneralesyespecíficos.
Palabras clave: Controldefresadoraconvencional.Sistemaelectrónicodecontrol.
ABSTRACTTheconversionofaconventionalturretmillingmachinetoautomatedcomputersystemwasperformedinthispaper.
Steppermotorswereimplementedtoreplacemanualoperations,whichwereplacedtotherouterusingclampsspecificallydesignedforthispurposeandtheuseofasystemthatcancontrolthemotorswiththecomputer.
Onceweimplementedthesystem,equipmenttestswereperformed,whichwerethetechnicalevaluationofmachinedpartsandeco-nomicevaluation,inbothcasescomparingwithforeignmachinesusedinthemiddle.
TheconclusionsstatesthataftertestingwiththeteamchangeditsoperatingparametersareverylikethebrandCNCmachines,meetingallthegeneralandspecificobjectives.
Keywords: Controlconventionalmilling.Electroniccontrolsystem.
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Artículo Científico
Diseño de un sistema electrónico de control deuna fresadora mecánica convencional para elInstituto Técnico San Cristóbal
Electronic control system design of a mechanicalconventional milling machine for San CristóbalTechnical Institute
1. José Marcio Bascopé Cáceres
1.IngenieroElectrónico,tituladoporlaUniversidadPrivadadelValleCochabamba.InstitutoTécnicoSanCristó[email protected]
Fecha de recepción: 28/11/15Fecha de aprobación: 17/07/2017
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UNIVERSIDAD DEL VALLE
INTRODUCCIÓNLasmáquinasdeControlNuméricoComputarizado(CNC)tuvieronsuorigenaprincipiosdelosañoscincuentaenelInstitutodeTecnologíadeMassachusetts(MIT),endondeseautomatizóporprimeravezunagranfresadora.
LossistemasdeDiseñoAsistidoporComputador(CAD),acrónimodeComputerAidedDesign,puedenutilizarseparagenerarmodelosconmuchas,sinotodas,delascaracterísticasdeundeterminadoproducto.Estascaracterísticaspo-dríansereltamaño,contornoyformasdecadacomponente,almacenadascomodibujosbiotridimensionales.Unavezqueestosdatosdimensionaleshansidointroducidosyalmacenadosenelsistemainformático,eldiseñadorpuedema-nipularlosomodificarlasideasdeldiseñoconmayorfacilidadparaavanzareneldesarrollodelproducto.Además,puedencompartirseeintegrarselasideascombinadasdevariosdiseñadores,yaqueesposiblemoverlosdatosdentroderedesinformáticas,conloquelosdiseñadoreseingenierossituadosenlugaresdistantesentresípuedentrabajarcomounequipo.
Hoyendía,conlaayudadeloslenguajesconversacionalesylossistemasCAD/CAM(osuequivalenteDISEÑOAsistidoporComputador/ManufacturaAsistidaporComputadora),losequiposCNCpermitenalasempresasproducirconmuchamayorrapidezycalidadsinnecesidaddetenerpersonalaltamenteespecializado[1].
Planteamiento del problemaAlgunasinstitucionesdeenseñanzadondesecapacitantécnicosoperativosnocuentancongradespresupuestosparaadquirirestasmáquinas,perotienenlanecesidaddepodercontarconequiposdecontrolnuméricomuchomáseconómi-cosypequeñosdefácilmantenimientoyreparación,quecuentanconlasmismascaracterísticasdeoperaciónalasqueseencuentrandisponiblesparalaindustria.
EltallerdeMecánicaIndustrialdelInstitutoTécnicoSanCristóbalrequiereparasusprácticasenlamateriadeMaquinasdeControlNuméricodeunsistemaelectrónicoparaelcontroldeunafresadoramecánicaconvencional,convirtiéndolaenunamaquinafresadoradecontrolnumérico(FresadoraCNC)debajocostoquerealiceelmecanizadodepiezascom-plejasyprecisasdeproducciónmasivaenmaterialesblandos.
Elsistemaquesehaimplementadoesunsistemadelazoabierto,ésteconstadeuncircuitodeinterfacequerecibelasseñalesdemandodesdelaPC,circuitodecontroldepasosycircuitodepotenciaparacontrolarlosmotoresPasoaPaso(PAP);estesistemadeberápodercontrolarlacargamecánica(figuraNº1).
Figura Nº 1. Diagrama de bloques de los elementos que se usan para controlar un eje del sistema
Fuente:Elaboraciónpropia,junio2014
Motor Paso a PasoLaventajafundamentalqueposeenlosmotoresPAP,respectoaotrostiposdemotores,esquenonecesitanenprincipiounsistemaderealimentaciónparacontrolarlavelocidadoposicióndelmotor.LosdriverdelosmotoresPAPtienenbási-camente2entradas:unadedirección(DIR),conlaqueseindicaenquésentidogiraelmotor,yotradereloj(CLK),porlacualunpulsocorrespondeunpasoquedéelmotor;estopermitecontrolardeunaformamuysencillalaposiciónylave-locidad del motor, ya que si por la entrada de CLK hay una señal cuadrada de 200Hz y si el motor es de 200pasos/revolución(1,8º),giraráaunavueltaporsegundo.Detodasformas,losmotoresPAPsonmuysensiblesalasvaria-cionesdecarga;unavariaciónfuerteenelparquetienequerealizarelmotorpuedeproducirqueéstepierdaelpasoy,portanto,quepierdalaposiciónrealdelmotoralnotenerrealimentación.Unfalloenlaposicióndelmotorpuedetenerconsecuenciaspeligrosas,motivoporlacualelsistemacontaráconrealimentación[1].
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Estructura física y característicasElprincipiodefuncionamientodelosmotoresPAPsebasaenlosiguiente:cuandounabarradehierrooacerosesuspende(eslibrederotar)dentrodeuncampomagnético,éstasealineaconelcampo,demaneraquelareluctanciatotaldelcir-cuitosealamínimaposible.
Sisecambialadireccióndelcampo,labarragiraráconundeterminadopar.EnlafiguraNº2sepuedever,enlavistafrontal,queelestatorestáformadode8polosmagnéticoscon5dientescadaunoyunabobinaencadaunodeesospolos(motorde1,8ºporpaso).Enlavistalateralsepuedeobservarqueelrotorestáformadoporunimánpermanentequeposeeunatapaencadaextremocon50dientescadauna(noserepresentanlosdienteseneldibujo),estandounadeestastapaspolarizadacomoNylaotracomoS;además,eltamañodelosdienteseselmismoqueeldelestator,peroestándesfasadosdemaneraqueeldientecoincideenelotroextremoconunhueco.Losdientesdelestatortienentodosigualtamaño,peroestándesfasados1,8ºentrelospolos[3].
Figura Nº 2. Estructura física de un motor Paso A Paso
Fuente: www.mcblec.com Interfaz de comunicación hacia el sistema de controlEsnecesarioespecificarlainterfazdecomunicaciónquesemanejaentrelaPCylatarjetaprincipal.LacomunicaciónentrelaPCylatarjetaprincipalesparalela,poraquíseenvíanlosdatoshacialosactuadoresyserecibelasseñalesdelosLimityHomeSwitchs.
Ladistribucióndepinesdeladaptadorsepresentaenlasiguientepágina(tablaNº1).
Tabla Nº 1. Distribución de pines del adaptador
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
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HaydistintasmanerasdeconectarlasseñalesdesalidadealgúnpindelconectorDB-25ydosdeellassemuestranenlafiguraNº3.Enelladoizquierdosemuestraunaconfiguraciónqueutilizaunaresistenciadepull-up,cuyafunciónesdefinirclaramentelosestadosaltoobajodelaseñal(porejemplo,5o0volts);enelderechosetieneunaconfiguraciónsimilar,peroconlaadicióndeunbúfer74HC245(elcualesunseguidordelaseñaldeentradayseprendeoapagaencorre-spondenciaconésta)quepermiteunaislamientodelaseñaldesalidaconrespectoalpindelpuertocomounamedidadeseguridad,ademásdepermitirutilizaralgunosmiliamperiosparaalgunaseñalactivadoradetransistor,led,etc.Estaeslaconfiguraciónutilizadaenlatarjetarealizada[4].
Figura 3. Conexión en pin DB25 Salida
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Lasseñalesdeentradapuedenserdeswitcheslímite,elbotóndeparadadeemergencia,algúnsensor,etc.Similaralcasodelospinesdesalidas,paralasentradaspuedeutilizarselaresistenciadepull-upsolaoconlaadicióndeunbúfer,talcomosemuestraenlafiguraNº4.Enestecasoseutilizaunbotónnormalmenteabiertoylatarjetarecibeunaseñalaltamientraséstenosepresiona.Alhacerlosecierraelcircuitoyelnododelaresistenciaconectadoalpindeentradabajaatierraeingresaentoncesunaseñalbaja.
Figura Nº 4. Conexión en pin DB25 Entrada
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Diseño de la lógica secuencial para el circuito de giros y pasosLosmotoresPAPconlosquesecuentasonmedianosNEMA23yrequierenmayortorqueparagarantizarelmovimientodelosejessinquesepierdanpasos.Paraellosediseñaelcontrolenergizandodosbobinasalavez,elcualproporcionamayortoquealosmotores,yaqueseenergizadosbobinasparadarunpaso.Eldiseñocontemplaelsentidodegiroylasecuenciadepasos.
Alserunmotorde1,8ºporpaso,elgirocompletolorealizarádando200pasos.EnlatablaNº2semuestralasecuenciadepasosdeunmotordepasosunipolar.
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Tabla 2. Secuencia de pasos de un motor Paso a Paso unipolar
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
HaciendounanálisisalatablaNº2,sepuedenotarquelabobinaCeselinversodelabobinaA;lomismoocurreconlabobinaDqueeselinversoalabobinaB.Porlotanto,paraeldiseñodelcircuitodesecuenciadegiroypasosnoesnece-sarioincluireneldiagramadeestadoscomoseveenlafiguraNº5[4].
Figura 5. Diagrama de estados
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Deldiagramadeestadosserealizalatabladeverdaddeldiseñosecuencial,paralacualseutilizaFlipFloptipoD,cuyaentradadereloj(CLK)representalaseñaldepasos,ylavariableXrepresentalaseñaldedirección,talcomosepuedeob-servarenlatablaNº3.
Tabla Nº 3. Tabla de verdad para diseño secuencial
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Dondexrepresentaelcontroldelsentidodegiro,AyBlasbobinasdelmotor.
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Simplificación por Mapas de Karnaugh
LasecuacionesextraídasdelosmapasdeKarnaughson:
•ParaDA:DA=X’B+XB’CompuertaXORportantoDA=X(+)B
•ParaDB:DB=X’A’+XACompuertaXNORDB=(X(+)A)’
Graficandoestasecuaciones,DAyDBnosdanelcircuitocontroladordelsentidodegiroylasecuenciadepasosparalosmotorescomosemuestraenlafiguraNº6.
Figura Nº 6. Circuito lógico de control de Pasos
Fuente: Elaboración propia, junio de 2014
Diseño del circuito de control de potenciaComosevio,elmotorestáformadoporvariasbobinasquehandeseractivadasydesactivadassecuencialmente;sinembargo,lacaracterísticafundamentaldelabobinaesqueéstaintentaoponersealasvariacionesdeintensidadmedi-antevariacionesdetensión,loqueseexpresamatemáticamentecomo:
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Donde:•VLeselvoltajedelabobina•Linductanciadelabobina
SiseresuelvelaecuaciónparauncircuitoconunatensióndealimentaciónVyunaresistenciadecarga(silahay)másre-sistenciainternadelabobinaigualaR,setienequelacargadelabobinavendrádadaporlasiguienteecuación.
Estosignificaquedesdeelmomentoenqueseactivaunabobinahastaqueéstaalcanzasucorrientenominal,pasaráunperiododetiempo(“τ”sedenominaconstantedetiempoyrepresentaeltiempodecargaaun63%delnominal,paracalculareltiempoal95%seutilizaelvalor3τ);estosepuedevermásclaramenteenlafiguraNº7,enlaqueserepresentalaintensidadteórica(laseñalrectangular)ylareal,enlaquelosfrentessecurvandebidoalosretrasosenlacargaydescargadelabobina[2].
Figura Nº 7. Intensidad de corriente de una bobina
Fuente: Elaboración propia, junio de 2014
Sedebetenerencuentaqueelpardelmotordependedirectamentedelacorrientequecirculaporlabobina,detalformaqueenestosflancosdesubidaybajadaelpardelmotordisminuyeeinclusoseanula,pudiendoproducirperdidasdepasoyunalimitaciónconsiderabledelavelocidadmáxima.Esporestoporloqueestanimportanteminimizarlomásposibleestosflancos.
Control por corriente forzada (L/NR)Paraeldiseñodelcircuitocontroladordepotenciasetomanlascaracterísticas(tablaNº4)delmotorunipolarde6hilosNEMA23dadasporelfabricante.
Tabla Nº 4. Características eléctricas de un motor Paso A Paso
Fuente: Sinotech Shanghai
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Estemétodoautilizaresdecorrienteforzada(L/nR).Consisteenaumentarenunfactor“n”laresistenciadecargadelabobinaparareducirτ enunfactor1/n.Normalmente,elvalordenestáentre2y10.Paraesteejemploseutilizaelvalorde4,loqueimplicaráqueτ sereduciráalacuartaparte(τ =L/4R).SiseaumentaR,tambiénsetendráqueaumentarlatensióndealimentaciónenelmismofactorparamantenerlaintensidadnominaldelmotor.ElesquemabásicoeselqueseobservaenlafiguraNº8[4].
Figura Nº 8. Esquema de corriente forzada en configuración unipolar
Fuente: www.mcbtec.com,...
Eldiodoevitaquesegenerenaltastensionesquepuedandestruireltransistor.Estossepuedenconectarenlaconfigu-raciónqueseindicaobienenparaleloconlabobina[5].Acontinuación,serealizaránloscálculosdelcircuitoparabobi-nasenparalelo.
Alcolocarlasbobinasenparalelo,laresistenciadelasbobinasserálamitad,latensiónnominaldelasdosbobinasenparaleloeslamismaylacorrientenominalvendrádivididaporlaraízcuadradade2,peromultiplicadapor2,yaquelasbobinasestánenparalelo.
•CálculodeR1:ElvalordeR1vienedadaporlafórmula:
Comon=4setiene:
•CalculodeVcc:ElvalordeVccvendrádadoporlafórmula:
ComoVn=5.4V,In=1.5AyR1=5.4Ωsetiene:
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•CálculodelapotenciadeR1:Lapotenciadisipadaporlaresistencia,queeselmayorproblemaalahoradeutilizarestesistema,vendrádadaporlasiguientefórmula:
Paraestecaso,setienelaventajaquealponerlasbobinasenparalelolainductanciasedividepor2obteniendoportantounaτmenor,loqueproduciráunamejoraenelparaaltavelocidad.
Figura Nº 9. Circuito potencia del motor de Pasos
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Pruebas del sistema de controlFinalizandolaimplementacióndelsistemaelectrónicodecontrolquedaefectuarlaspruebasdefuncionamientoenlascoordenadasX,Y,yZ,asícomolacalibracióndeloscarrosyelmovimientodelosmismosatravésdelosmotores,ob-servandoquelosmecanismosnotenganatascamientosysinruidosextraños.EstaspruebasselasrealizaronconlaayudadeMach3.
Desplazamiento de los carros a lo largo de las coordenadas X, Y, ZParalaverificacióndelmovimientodelosejesX,Y,ZenlapantallaprincipaldelprogramaMach3,sepresionólateclaTABparamostrarloscontrolesdeAvance,comoseobservaenlafiguraNº10,endondesepuedehacerclicenlosbotonesX+,X-,Y+,Y-,Z+,Z-paracomprobarquelosejessemuevendemaneracorrectaenladirecciónseleccionada.
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Figura Nº 10. Controles de avance
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Enestesentido,seconsiderancomúnmentetresfactoresparatenerunareferenciadelrendimientorealdeunequipo,queson:
• Precisión: esladiferenciaentreunamedidacomandadaylareallogradaporelsistema.
• Repetitividad: eselrangodeposicioneslogradasporunsistemacuandoescomandadorepetidamentebajolasmismascondicionesparaquesemuevaaunamismaposición.Larepetitividadpuedeserasuvezmedidademaneraunidirec-cionalobidireccional.Enelprimerocasoseignoralarespuestadelsistemaanteuncambioenelsentidodegiroyenelsegundosemidelacapacidadparacolocarseenlamismaposiciónporamboslados.
• Resolución: eselmínimomovimientoposiblequepuedelograrelsistema.
Sehicierondospruebasparaconocerestosparámetros.Laprimeraconsistióendibujarcuadradoscomenzandoconuncuadradodelados30x30mm,otrode20x20mmyfinalmentede10x10mmdelado.Finalmente,sedibujócírculosdediámetro30mm,otrode20mmyfinalmentede10mmdediámetro.ElresultadodelmaquinadosemuestraenlafiguraNº12,dondesepuedeobservarenloscírculosunaligeradesviación;enloscuadradosnosepudoobteneralgunadesviación.Luegodetomarlasmedidas,serepitiólasmismasgráficassobrelaanterior,senotóunligeroensanchamientodelaslíneasalrededorde0,01mmqueseríaundatoestimadosegúnlasmedidasquesetuvo[6].
Código G para la prueba del sistemaSeutilizóelprogramainventorCADpararealizareldibujodelascircunferenciasyloscuadrados,(delmismoseextraeelsiguientecódigoG).EstecódigoesutilizadoporelprogramaCIMCO(CAM)pararealizareltrazadodelasfiguras,comosemuestraenlafiguraNº11,posteriormenteesutilizadoparaelmecanizadoconelsistema,conelcualsemidelasdesvia-cionesqueexistíanenlostresejes.
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Figura Nº 11. Trazado de las figuras generado por el código G
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Figura Nº 12. Prueba del sistema electrónico de control
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Seutilizócalibradorpiedereydedoscentésimasparatomarlamedidadeldesvíoencadaeje(figuraNº13)yseobtu-vieronlossiguientesdatoscomosemuestraenlasiguientetabla.
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Figura Nº 13. Medición del desvío en el eje X, Y y Z
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
Tabla Nº 5. Datos del desvío en los ejes X, Y, Z
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
ConestosdatosdelatablaNº5seconfiguróelMach3paracorregirestosdesvíoscomosemuestraenlafiguraNº14,posteriormenteserealizódenuevolaprueba.
Figura 14. Configuración de holguras en Mach3
Fuente: Elaboración propia, junio 2014
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Luegodelasegundapruebanosenotaningúndesvíoenlosejes,conelcalibradorpiedereydedoscentésimasnosepuedemediralgunavariaciónquepuedaexistir,porloquelasdesviacionesestaríanpordebajode0,02mm.
Figura Nº 15. Maquinado de la pieza después de configurar en Mach3
Fuente: Elaboración propia, junio 2014Portanto:a)LaPrecisióndelsistemaesmenorde0.02mmporejeb)Larepetividadesbidireccionalenlostresejesc)Laresoluciónestádadapor:
-Pasomotorporunidad=80pasosCada1mm-Resolución=1mm/80pasos-Resolución=0,125mm(0,0125mmporcadapaso)
CONCLUSIONES Elsistemaelectrónicodecontrolparaunafresamecánicaconvencionalfueimplementadoconéxito,elcualestáenplenofuncionamiento,ademásfueposiblegenerarungranabanicodeposibilidadesparaaplicacionesdemaquinado.
Paralaimplementacióndelafresadoraseseleccionólaconfiguracióncinemáticaadecuada.
ParaimplementarunequipobaratoydeutilidadparalosestudiantesydocentesenelinstitutoSanCristóbalsetuvoqueestudiarelprogramaMach3ylaconfiguraciónmásidóneaesdecirmáslaformamásexitosaparaconseguiresto.
Elsistemaelectrónicoydepotenciafuediseñadodeformaacertada,yaquenosufriófallasnidañosdurantelasetapasdepruebaexcautivasrealizadasenelequipo.
Secomprobóquelaprecisióneneltalladodepiezasestádentrodelrangoaceptableparalarealizacióndelasclasesenelinstituto.
RECOMENDACIONESAntesdeoperarlamáquinasedebenconocersuscaracterísticastécnicas,talescomo:recorridosdelosejes,velocidadesmáximastantodelmandrilcomodelhusillo,materialesquesepuedenmecanizar,etc.
Serecomiendaseguirlasnormasdeseguridad(tantoparalamáquinacomoparaeloperario)antes,duranteydespuésdelmecanizado,yaquelamáquinapuedecausarlesionesporquemadurasocorte;además,ayudaaloperarioparaqueseacostumbrealmomentodeutilizarunamáquinaanivelindustrial.
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SedebeverificardeformaregularlosparámetrosdeconfiguraciónocalibracióndelfresadordentrodelsoftwareMach3,conelfindearreglaralgúntipodedesconfiguraciónquesehayadado;además,paraobtenerlosmejoresresultadosdemecanizadoposibles.
Se puede adicionar un sistema en futurasmejoras del proceso de conversión que permita realizar un cambio deherramientaautomáticaparadisminuireltiempodemecanizado.
Otramejoraoperativaseríaacoplaruncuartoejeenestamáquina,loquepermitiríahacerpiezasconformasmuchomáscomplejasyotrasadaptacionessegúnserequiera.
ElmínimohardwarerequeridodelaPCparaqueelsistemafuncioneconsisteen:tarjetamadreconpuertoparaleloin-corporadaoconectorPCIlibreparainstalarunatarjetadepuertoparalelo,procesadorPentiumI,2MbdememoriaRAM,espacioendiscodurode200MbytarjetadevideoSVGAconunaresolucióndepantallade1024x768pixels.Encuantoalsoftware,SistemaoperativoWindowsXPoWindows2000.
YaqueMach3debesercapazdeenviarmuyexactamentelasseñalesdecontrolalsistema,sedebecerrarcualquierotroprogramasóloalmomentoqueseestémaquinando.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1]IBRAHIMZeid,MasteringCAD/CAM,Monterrey,McGrawHill,1dejuliode2004.[2]CONTIFrancisco,MotoresPasoaPaso,Alsina,s.a.[3]Robóticayposicionamiento,MCBtecwww.mcbtec.com(15deabril2014)[4]HERMORADONATE,Antonio.Electrónicadigitalfundamentalyprogramable.Barcelona:Marcombo,2010.[5]MOHAN,Ned;UNDERLAND,Tore;ROBBINS,William.Electrónicadepotencia.Monterrey:McGrawHill,2009.[6]CRUZTERRUEL,Francisco.ControlnuméricoyprogramaciónII.Barcelona:Marcombo,2010.
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