TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM MECATRÔNICA

PLOTTER

Confecção de circuitos impressos

Amanda Titoneli

Fernando Augusto

João Vitor Araujo Lucena

Jonathas Freire Borges

Orientadores:

Prof. Carlos Alberto

Prof. Ivo Meireles

São Caetano do Sul - SP

2013

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO

ETEC “JORGE STREET”

PLOTTER

Confecção de circuitos impressos

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado como requisito parcial para

obtenção do Diploma Técnico em

Mecatrônica.

São Caetano do Sul - SP

2013

PLOTTER

Confecção de circuitos impressos

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado como requisito parcial para

obtenção do Diploma Técnico em

Mecatrônica.

Data: __________________

Resultado: ______________

BANCA EXAMINADORA

Prof.: _______________________________________ ____________________

Assinatura __________________________________

Prof.: _______________________________________ ____________________

Assinatura __________________________________

Prof.: _______________________________________ ____________________

Assinatura __________________________________

Prof.: _______________________________________ ____________________

Assinatura __________________________________

À todos os professores, familiares e amigos que tiveram

paciência conosco, seja ensinando ou nos auxiliando a construir

este projeto.

E principalmente a nós, integrantes do grupo, que tivemos de

deixar de fazer nossas próprias vontades para poder dar cem

por cento de interesse e dedicação ao trabalho.

AGRADECIMENTOS

Aos nossos orientadores Carlos Alberto e Ivo Meireles pelo incentivo, simpatia

e auxílio às atividades e discussões sobre o andamento e normalização deste

Trabalho de Conclusão de Curso.

A Rodrigo Geraldi, parente do aluno João Vitor Lucena, que deu dicas

preciosas e nos auxiliou em processos da construção e montagem do plotter,

vendendo peças como rolamentos, fusos e motores com preços muito abaixo do

mercado que foram imprescindíveis para a conclusão deste projeto

A todos os demais professores pelo carinho, dedicação e entusiasmo

demonstrado ao longo das aulas lecionadas.

Aos nossos colegas de classe pelos bons momentos vividos e pela troca de

informações e conhecimentos numa demonstração rara de amizade que pudemos

criar durante o curso.

Às nossas famílias, pela paciência da nossa ausência e compreensão da

importância deste trabalho.

E a Deus, independente da religião dos integrantes do grupo, a ele que em

todos os momentos foi o mais pronunciado e que nos deu a oportunidade de estar

aqui hoje.

Se A é o sucesso, então A é igual a X mais Y mais Z. O trabalho é igual a X; Y é

o lazer; e Z é manter a boca fechada.

Albert Einstein

RESUMO

O tema principal deste projeto consiste em um Plotter capaz de desenhar em

placas de circuito para utilização em outros projetos que envolvam eletrônica.

Devido à grande utilização de placas de circuito em diversas áreas, e ao demorado

processo de confecção destas, surgiu a ideia de se construir um plotter que

facilitasse esse processo, imprimindo as trilhas de circuito no fenolite (material

coberto de cobre, de que é feito as placas de circuito) bastando então apenas

remover o cobre restante.

Para a elaboração deste projeto foi construída uma estrutura mecânica

composta de três motores de passo, controlados por um circuito eletrônico

conectado a um computador através da porta paralela deste. Estes motores de

passo possuem a função de posicionar uma caneta através de dois eixos, de acordo

com a posição informada pelo computador. O desenho da placa é gerado por um

programa, e posteriormente este desenho é transcrito para uma linguagem chamada

"G Code". No computador foi instalado um software que interpreta um arquivo em "G

Code" e através deste transfere dados até o circuito dos motores, e este por sua vez

comanda os motores, desenhando assim a placa.

Este projeto resulta em um protótipo preciso e confiável o suficiente para a

tarefa a ele designada desde o inicio: imprimir trilhas em placas de circuito,

facilitando a confecção das mesmas.

Palavras-chave: Plotter CNC. Impressão em fenolite. Eletrônica. Circuitos.

ABSTRACT

The main theme of this project consists of a plotter able to draw on circuit

boards for use in other projects involving electronics. Due to the wide use of circuit

boards in several areas , and the lengthy process of making these , the idea of

building a plotter that facilitates this process by printing circuit tracks in phenolite

(material covered copper, which is made circuit boards) then just simply remove the

remaining copper .

To prepare this project was built a mechanical structure composed of three

stepper motors , controlled by an electronic circuit connected to a computer via the

parallel port this . These stepper motors have the function of pen position by two,

according to the position given by the computer. The design of the board is

generated by a program, and then this drawing is transcribed into a language called

"G Code." Was installed on the computer software that interprets a file on "G Code"

and transfers data through this loop until the engine , and this in turn drives the

engines , so the drawing board .

This design results in a prototype accurate and reliable enough for the task

assigned to it from the beginning: print tracks on circuit boards , facilitating the

making of them.

Key words: CNC Plotter. Printing phenolite. Electronics. Circuits.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Planilha de custos 22

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Plotter do Luiz 15

Figura 2 – Plotter do Luberth 15

Figura 3 – Estrutura mecânica 18

Figura 4 – Peças de movimentação 19

Figura 5 – Caneta acoplada ao solenoide 20

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS 08

LISTA DE FIGURAS 09

1. INTRODUÇÃO 12

2. OBJETIVOS E ESTUDO 13

2.1. Objetivo geral 13

2.2. Objetivos específicos 13

2.3. Delimitação do estudo 13

2.4. Relevância do estudo 13

2.5. Organização do trabalho 14

3. REVISÃO DA LITERATURA 15

4. PLOTTER 16

4.1. História 17

4.2. Como funciona 17

5. NOSSO PROJETO 18

5.1. Estrutura 18

5.2. Movimento 19

5.3. Funcionamento 19

5.4. Eletrônica 20

5.5. Software 21

6. ORÇAMENTO 22

7. CONCLUSÃO 23

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24

APÊNDICE A – Cronograma 25

APÊNDICE B – FMEA de Processo 26

12

1. INTRODUÇÃO

O nosso projeto é direcionado para o profissional que necessita fabricar

placas com circuitos impressos em pequena escala, pois o processo que se usa

atualmente (foto transferência) demanda muitos cuidados e tempo, sendo que o

resultado final não possui uma qualidade comparável ao de um plotter.

O plotter será aplicado com o objetivo de melhorar o custo beneficio de outros

projetos que envolvam circuitos eletrônicos, já que cada vez mais o

comerciante/usuário precisa de ganho de tempo e de dinheiro para realizar suas

tarefas.

Então o plotter fará circuitos eletrônicos impressos, cuja função é melhorar a

qualidade da placa em si, com as trilhas e ilhas bem traçadas, para depois estas

placas serem utilizadas em outros projetos.

13

2. OBJETIVOS E ESTUDO

2.1. Objetivo geral

O objetivo geral do nosso projeto é construir um equipamento capaz de

confeccionar placas de circuitos impressos, também como propor uma melhoria no

custo benefício de outros projetos que necessitem de placas eletrônicas. Ou seja, se

algum projeto/máquina possui parte eletrônicas (placas, circuitos, etc) será

necessário elaborar o layout das placas. O plotter é utilizado no momento em que se

quer transferir o layout do computador, feito em softwares como Eagle e Proteus,

para as placas de fenolite ou fibra que são revestidas por uma camada de cobre.

2.2. Objetivos específicos

Pretendemos alcançar com este projeto uma maior facilidade e rapidez na

construção de placas para o profissional. Mas não somente isso, pois a plotter pode

imprimir qualquer tipo de desenho em qualquer superfície plana que caiba dentro da

área de desenho.

A estrutura mecânica, bem como a eletrônica envolvida no projeto resultaram

em um protótipo de alta confiança na confecção das placas.

2.3. Delimitação do estudo

A delimitação do trabalho é, em geral, uma seção negativa. A limitação do

projeto é que na plotter só poderão ser realizados desenhos (impressões) em

superfícies planas não muito finas (seja qual for o material a utilizado), pois a fixação

da mesma poderá entortar por causa da pressão da caneta.

O bloco do eixo X poderá receber um suporte para fixação de uma mini retífica,

porém o projeto não é preparado para isso, a plotter possui um solenoide fixado no

bloco que realiza o movimento de subida e descida da caneta.

2.4. Relevância do estudo

No terceiro módulo do curso tivemos a disciplina de Planejamento de TCC

(PTCC) com o professor Carlos Alberto, nas aulas surgiu uma pergunta: O que

poderíamos fazer como TCC? Logicamente várias ideias surgiram em nossas

14

cabeças, um motor à ar, pulseiras eletromagnéticas que impedem o sinal do

telefone, um cigarro eletrônico e uma plotter. Contudo um dos integrantes que

abandonou o curso no final do 3º módulo, Marcos Batista, trabalhava a um tempo na

área de eletrônica, e sua empresa fabricava placas que necessitam de perfeição e

paciência. Ele nos perguntou se por um acaso não gostaríamos de fazer a mesa

coordenada, mas que ela pudesse ser feita para facilitar esta parte de precisão

neste trabalho. Abordamos a ideia e encontramos outras pessoas, que como ele,

precisavam da mesma função. Com pesquisas na internet, descobrimos sites de

pessoas que fizeram seus próprios plotters e que eram bem utilizadas e de acordo

com a ideia que tivemos inicialmente sobre a mesa coordenada. Seguimos com a

pesquisa e descobrimos que todas as peçam podem ser encontradas com facilidade

e que o custo dessas peças não ficaria caro para os integrantes do grupo como

seria, por exemplo, o motor movido a ar.

Toda a pesquisa foi feita e quando se início o último módulo do curso esse

aluno desistiu e ficamos fazendo o projeto sem um integrante que possuía

conhecimento de toda a parte eletrônica e de programação do projeto.

2.5. Organização do trabalho

Cada capítulo dentro deste trabalho tem como objetivo explicar e demonstrar o

funcionamento e a construção do projeto – plotter. Os primeiros capítulos visam

explicar como foi feita a pesquisa e a monografia (parte escrita), relacionando os

objetivos e estudos envolvidos. O quarto capítulo (PLOTTER) é divido em dois sub

capítulos explicativos sobre a história e o funcionamento de todas as plotters.

15

3. REVISÃO DA LITERATURA

A revisão da literatura refere-se à fundamentação teórica adotada para tratar o

problema de pesquisa.

O estudo do projeto foi baseado em plotters caseiras já existentes que foram

feitas por pessoas que necessitavam de um trabalho com boa qualidade e sem

muito gasto de tempo. O projeto mais conhecido nesta área é a “Plotter do Luiz” que

foi feita somente com sucatas encontradas em impressoras antigas e sem uso, o

Luiz (inventor) não possuía conhecimento algum sobre o assunto e só construiu sua

plotter com o auxílio de outras pessoas que respondiam suas perguntas em fóruns

sobre mecânica e eletrônica.

Outro projeto bastante conhecido por possuir uma programação e uma estrutura

bem elaborada é a “Plotter do Luberth”, mas seu trabalho foi mais acessível pois ele

já possuía conhecimentos sobre plotters.

Figura 1 – Plotter do Luiz Figura 2 – Plotter do Luberth

As duas plotters utilizam sistema de correias e polias para a transmissão do

movimento, porém este tipo de transmissão possui diversos problemas que fez com

que o grupo tomasse a decisão de utilizar barras roscadas/fusos.

A transmissão feita por fusos dá ao projeto uma maior precisão e não está

sujeita a folgas como seria no caso de correias, onde deveríamos tencioná-las para

manter sua precisão.

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4. PLOTTER

Um plotter ou lutther é uma impressora destinada a imprimir desenhos em

grandes dimensões, com elevada qualidade e rigor, como por exemplo mapas

cartográficos, projetos de engenharia e grafismo.

Primeiramente destinados a impressão de desenhos vetoriais, atualmente

encontram-se em avançado estado de evolução, permitindo impressão de imagens

em grande formato com qualidade fotográfica, chegando a 3560 dpi de resolução.

Conhecidos como plotters de impressão, não dão saída como as impressoras

desktop convencionais, utilizando programas específicos que aceitam arquivos

convencionais de imagem como TIF, JPG, DWG, EPS e outros. Essas impressoras

podem usar diversos suportes como papel comum, fotográfico, película, Vegetal,

auto adesivos, lonas e tecidos especiais. Com o passar dos anos aumentaram de

tamanho e de qualidade. Existindo várias marcas para o mesmo fim, ou seja,

impressão. O que difere um de outro são a velocidade, existindo impressoras com

capacidade de impressão de até 110 m² hora e as cabeças de impressão tais como

XAAR, Konica Minolta, Spectra, HP. Também aumentaram de tamanho com

capacidade de até 5 metros de largura de boca de impressão. Esse tipo de máquina

facilita e muito a vida de empresas de comunicação visual atingindo alto grau de

qualidade e facilidade de logística devido a capacidade de impressão. No mundo

atual é necessário velocidade e as máquinas de grande formato (não possuem

recorte conjugado)são as que mais facilitam o trabalho. Mas além dos de grande

formato existem no mercado os plotters de impressão com recorte conjugado como

a Roland SC-500. Essas máquinas após a impressão recortam o adesivo ficando

pronto o material em minutos o que antes tinha de ser feito com equipamentos

separados.

Outra variação é o plotter de recorte, na qual uma lâmina recorta adesivos de

acordo com o que foi desenhado previamente no computador, através de

um programa vetorial. É indicado para recorte de vinil no mercado de sinalização,

comunicação visual, serigráfico, indústria têxtil, indústria de vidros e no de brindes

promocionais. Vários materiais podem ser utilizados tais como o vinil adesivo, vinil

adesivo refletivo, filmes rubi ou âmbar, flock térmico, sand blast entre outros.

O plotter de recorte também pode ser usado para recortar placas de pvc, acrílico

entre outros materiais muito usados em comunicação visual.

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4.1. História

Os plotters sugiram com a necessidade de Engenheiros, Arquitetos, Cientistas e

Técnicos tinham de obter impressões confiáveis e precisas, das quais poderiam se

"extrair" medidas ou distâncias, por exemplo, com uso de escalímetros

Os primeiros plotters utilizavam canetas, ou penas, como eram mais conhecidas.

Nos anos 70, os plotters a pena eram a única forma de obter uma impressão de alta

resolução e precisão. Nesta época a resolução das impressoras gráficas variavam

de 72 a 100 dpi. Mas os primeiros plotters a pena da HP conseguiam resoluções de

1000 dpi.

4.2. Como funciona

Existem dois tipos principais de plotters para impressão: plotter de mesa e

plotters de bateria. Plotters de mesa usam um sistema onde o papel (matéria a ser

impresso) é fixo e a caneta é movida para cima e para baixo, esquerda e direita para

desenhar as marcas necessárias. O outros tipo, plotter de bateria, possui um tambor

giratório que permite ter diferentes cores no desenho.

Plotters trabalham em conjunto com softwares CAD no computador, para a saída

mecânica necessária para o deslocamento da caneta, em comparação com outros

tipos de impressoras, tais como de jato de tinta e impressoras a laser.

18

5. NOSSO PROJETO

A pesquisa feita pelos integrantes do grupo durante o primeiro semestre de 2013

resultou em um projeto de um plotter – impressora CNC – que realizará a confecção

de placas de circuitos impressos sendo elas de fenolite ou fibra de vidro que podem

ser utilizadas em outros projetos eletrônicos.

5.1. Estrutura

Todo o projeto foi feito em alumínio para maior comodidade no transporte e

agilidade na montagem. Com espessura de 15mm, as chapas dão à estrutura

bastante firmeza, sem trepidação, que poderia causar o desalinhamento dos eixos,

resultando em uma impressão sem precisão.

Figura 3 – Estrutura mecânica

Com duas chapas em “U” para a fixação das laterais e três peças de

movimentação, podemos assimilar a plotter a uma mesa coordenada X Y, sendo o

eixo Z a caneta acoplada a um solenoide por meio de um suporte.

As chapas foram fixadas através de parafusos Allen e as peças de

movimentação possuem rolamentos lineares e buchas para o deslocamento.

19

5.2. Movimento

O movimento das peças é feito através de fusos de 16mm de diâmetro

juntamente com buchas fixadas dentro dos furos. Para a sustentação das peças de

movimentos é utilizado eixos lineares retificados (Aço 1045) de 12mm de diâmetro

com rolamentos lineares SKF dentro dos furos.

Figura 4 – Peças de movimentação

Utilizamos serviços terceirizados para a confecção dos furos e das buchas para

as peças de movimentação devido a alta precisão necessária para o bom

funcionamento do plotter..

Para movimentar os fusos foi utilizado três motores de passo MINIBEA 23KM

C051 e foram acoplados através de pedaços de mangueiras e abraçadeiras aos

fusos que tiveram suas pontas usinadas no torno mecânico da escola.

5.3. Funcionamento

O plotter possui eixos de movimentação X Y e um solenoide que auxilia a caneta

no seu movimento de subida e descida. Estes eixos delimitam a área desenho

(300x245mm) e a caneta ficará a uma altura de poucos milímetros da placa, quando

for preciso traçar as trilhas o solenoide será ativado e a caneta descerá, a partir

desse momento os motores receberam o sinal do computador através de uma

conexão paralela (DB25) e o desenho será realizado. No momento em que a caneta

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é levantada, o solenoide é desativado (zero volts) e a caneta subirá com o auxilio de

uma mola presa no solenoide.

Figura 5 – Caneta acoplada ao solenoide

Como é visto na figura 5, todo o esquema do solenoide (solenoide, suporte e

caneta) foi fixado no bloco X através de fita dupla-face de alta fixação, sendo

possível a sua remoção para colocar em outra parte do bloco e assim realizar uma

tarefa que necessite maior área de desenho.

5.4. Eletrônica

Cada motor de passo possui uma interface de potência para amplificar o sinal

enviado do computador, esse sinal é enviado através de uma conexão paralela,

utilizando o cabo DB25. Foi utilizado este tipo de conexão pois é necessário no

mínimo:

Oito saídas para as interfaces de potência;

Uma saída para o comando do solenoide;

Uma saída para cada sensor fim de curso;

Como precisamos dessas saídas para o funcionamento da plotter não seria

possível utilizar uma conexão serial (DB9), pois elas possuem somente nove pinos.

Os sensores fins de curso são necessários para delimitar a área de desenho e

para, no caso de um erro de programação os blocos colidirem com a estrutura, os

sensores serão ativados e desligarão os motores, paralisando toda a plotter.

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Os cabos dos motores de passo, dos sensores fim de curso e das placas

eletrônicas foram fixados na estrutura do projeto através de abraçadeiras de nylon,

facilitando sua locomoção e dando uma visão mais limpa do plotter.

5.5. Software

O software e a programação usada no projeto do Plotter serve para enviar as

coordenadas (“G Code”) para os motores de passo, e assim realizar a confecção

dos circuitos impressos.

O layout do circuito desejado deve ser feitos através de programas apropriados

para tal tarefa (Eagle ou Proteus), após o layout ser feito o mesmo deverá ser salvo

em formato BMP (Bitmap), DXF (Drawing Exchange Format) ou PLT (Plotter) para

outro software poder transformar a imagem em “G Code”, que é um sistema de

coordenas (O software trabalha com um sistema de vetores X, Y e Z).

O mesmo programa que cria o “G Code” pode também enviar os sinais para a

placa lógica e para os motores de passo, realizando o desenho.

Vários softwares foram testados, dentre eles podemos citar o Mach3 CNC,

Turbo CNC, EMC2 (operam em sistemas operacionais diferentes). Porém os que

mais nos adaptamos possuem licença para serem utilizados; estamos a procura de

softwares free-ware, caso contrário usaremos os anteriores.

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6. ORÇAMENTO

O custo do projeto foi relativamente alto em relação aos demais projetos do

curso de Mecatrônica (4º CN – 2º Sem 2013). Para mantermos a organização do

orçamento e custos de todas as peças foi elaborada uma Planilha de custos, onde

constam todos os gastos do projeto.

Tabela 1 – Planilha de custos

O custo do projeto foi de R$700 aproximadamente, dividindo o custo entre os

integrantes resultou em R$175 aproximadamente cada. Não foi incluso na planilha

todos os componentes, como o computador, já que ele foi emprestado pela aluna

Amanda Titoneli.

A configuração do computado aceita os softwares necessários (Windows XP) e

usaremos ele pelo motivo de possuir a porta paralela (DB25).

23

7. CONCLUSÃO

O objetivo de fazer um plotter para confeccionar placas de circuitos impressos

foi alcançado. Com este projeto a fabricação de placas para pequenos projetos será

bem mais viável e fácil, como um melhor custo beneficio já que demanda menos

tempo e a qualidade final da placa será superior do que feita manualmente.

Apesar das dificuldades encontradas com a construção e montagem do projeto

foi possível concluir a estrutura inteira da plotter no prazo estipulado. Para a

finalização do projeto completo falta somente uma placa de controle, que receberá o

sinal do computador e enviará para as interfaces dos motores, temos a certeza que

concluiremos essa etapa antes da apresentação do projeto na EXCUTE, em

Dezembro, pois a placa já está sendo confeccionada e após isto será testada

juntamente com todo o projeto.

24

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GOZZI, Giuseppe G. M. Eletrônica: máquinas e instalações elétricas / Giuseppe

Giovanni Massimo Gozzi, Tera Miho Shiozaki Parede (autores); Edson Horta

(coautor) - São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011. (Coleção Técnica Interativa.

Série Eletrônica, v.3).

CRESSONI, Luiz. Plotter feito em casa. Disponível em: http://www.quartzo.net/

eletronica/projetos/conteudo/plotter/. Acesso em: Várias datas ao longo do projeto.

LUBERTH. Home Build Hobby Plotter. Disponível em: http://www.luberth.com/

plotter/ditwasplotter.htm. Acesso em: Várias datas ao longo do projeto.

Controle de motor de passo através da porta paralela. ROGERCOM. Disponível em:

http://www.rogercom.com/pparalela/IntroMotorPasso.htm. Acesso em: Várias datas

ao longo do projeto.

Construindo seu plotter controlado via porta paralela. Disponível em:

http://www.protoplotter.com.br/Tutorial.pdf. Acesso em: Várias datas ao longo do

projeto.

Maxplot. Disponível em: http://www.maxplot.com.br/site/?p=141. Acesso em: Várias

datas ao longo do projeto.

Plotter do Luiz (Plotagem, corrosão e montagem de uma PCI). YOUTUBE.

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=urdGK0MIo0U. Acesso em: Várias

datas ao longo do projeto.

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APÊNDICE A – Cronograma

1ª Sem 2ª Sem 3ª Sem 4ª Sem

MAIO

Estudo elevado do projeto Desenvolvimento da Pré-

monografia

JUNHO

Pesquisa de preços e componentes

AGOSTO

Desenvolvimento do projeto em AutoCAD e SketchUp

SETEMBRO

Compra das peças da estrutura

OUTUBRO Usinagem das peças da estrutura e montagem

Desenvolvimento da parte escrita e apresentação do

TCC

NOVEMBRO Pesquisa de softwares e da

parte eletrônica Banca avaliadora

26

APÊNDICE B – FMEA