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Luís Miguel Capela Pereira Leite de Freitas
Requalificação de uma Máquina-ferramenta
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
outubro de 2015
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Mecânica
Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor António A. Caetano MonteiroProfessor Doutor Gabriel Pinto
Luís Miguel Capela Pereira Leite de Freitas
Requalificação de uma Máquina-ferramenta
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
v
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Doutor António Alberto
Caetano Monteiro por toda a disponibilidade demonstrada desde o início do projeto. Também pelo
interesse e conhecimento que disponibilizou na resolução dos problemas que apareceram ao longo do
tempo.
Ao professor Gabriel Pinto pela introdução a temáticas da engenharia eletrónica, muito uteis para
o desenvolvimento do trabalho.
Agradeço também ao Lucas Feliciano pela ajuda fornecida.
Um agradecimento, menos formal mas não menos importante à minha família e amigos. Em
especial à minha mãe, por todo o apoio durante o meu percurso académico e à minha namorada pela
ajuda e força que me transmitiu durante este ultimo ano letivo.
vii
RESUMO
A máquina-ferramenta tem sido um dos equipamentos industriais mais importantes para
diversos utilizadores e um ativo económico principal para os seus fabricantes. Esta crescente valorização
“obriga” à sua constante atualização tecnológica, de forma a responder aos padrões de produção atuais.
Por isto, o estudo e desenvolvimento de soluções de manutenção e requalificação deste equipamento é
necessário quer do ponto de vista académico, quer industrial. Esta dissertação tem o objetivo de fornecer
ao leitor uma base teórica sobre a máquina-ferramenta de comando numérico (neste caso uma fresadora
CNC) e uma descrição da identificação e solução de várias problemáticas presentes no equipamento.
Numa primeira fase é contextualizado o tema sob o ponto de vista histórico e económico, bem como
uma introdução á engenharia de manutenção. Uma parte significativa da dissertação é dedicada aos
constituintes eletrónicos da máquina-ferramenta e conceitos de controlo associados. São realizados
testes a vários componentes de um subsistema particular (o sistema de controlo) e é realizada e
implementada a requalificação visando a reposição das funcionalidades originais da máquina. Esta fase
é constituída pelo projeto do sistema eletrónico, com a seleção dos respetivos componentes e software.
De seguida, é configurado todo o subsistema com enfâse no controlo do movimento dos eixos da
máquina, desde o controlador escolhido aos motores e seus componentes. Os diferentes resultados
obtidos e as conclusões são também apresentados, bem como uma proposta “passo-a-passo” para o
trabalho futuro.
Palavras-Chave: Máquina-ferramenta; Comando Numérico; Requalificação; Sistema de controlo
ix
ABSTRACT
The machine tool have been one of the most important equipment for various users and a main
economic asset for its manufactures. This growing valorization requires its constant technologic update
in order to respond to the current production standards. That is why the study and development of
maintenance and retrofitting solutions for this device it is necessary both from academic and industrial
point of view. This work aims to provide the reader a theoretical base about the numerical controlled
machine tool (in this case a CNC milling machine) and a description of the identification and solution for
a number of problems present in the equipment. In the first part, the subject is contextualized from a
historical and economical point of view, as well as an introduction on the maintenance engineering. A
significant part of the dissertation is dedicated to the electronic constituents of the machine tool and its
control concepts. Tests are conducted to various components of a particular subsystem (control system)
and is performed and implemented a retrofitting aimed at restoring the original machine functions. This
phase consists on the project of the electronic system, with the selection of its components and software.
Then the entire subsystem is configured with an emphasis on motion control of the machine axes, starting
with the controller and its components. The different results obtained and the conclusions are also
presented, as well as a step-by-step proposal for future work.
KEYWORDS: MACHINE TOOL; NUMERICAL CONTROL; RETROFITTING; CONTROL SYSTEM;
xi
ÍNDICE
Agradecimentos ................................................................................................................................... v
Resumo............................................................................................................................................. vii
Abstract.............................................................................................................................................. ix
Lista de Figuras ................................................................................................................................. xv
Lista de Tabelas ................................................................................................................................ xxi
Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos ........................................................................................ xxiii
1. Introdução .................................................................................................................................. 1
1.1 Objetivos ............................................................................................................................. 1
1.2 Organização da dissertação ................................................................................................. 2
2. Manutenção Mecânica ................................................................................................................ 3
2.1 Tipos de Manutenção .......................................................................................................... 4
2.1.1 Manutenção Corretiva .................................................................................................. 5
2.1.2 Manutenção Preventiva ................................................................................................ 6
2.1.3 Confiabilidade da Manutenção ..................................................................................... 8
2.2 Requalificação ..................................................................................................................... 8
2.2.1 Requalificação de máquinas-ferramenta CNC ............................................................... 9
3. Máquinas Ferramentas de comando numérico .......................................................................... 11
3.1 Descrição .......................................................................................................................... 11
3.2 História da máquina-ferramenta ........................................................................................ 12
3.2.1 Evolução do comando numérico ................................................................................ 13
3.3 Importância da máquina-ferramenta .................................................................................. 13
3.4 Classificação de máquinas-ferramentas ............................................................................. 15
3.4.1 Estrutura do Controlador ............................................................................................ 15
3.4.2 Ciclo de controlo ........................................................................................................ 16
3.4.3 Tipo de movimentos .................................................................................................. 17
3.4.4 Tipos de programação ............................................................................................... 21
3.5 Estrutura e Funcionamento ............................................................................................... 21
xii
3.5.1 Componentes Eletrónicos .......................................................................................... 22
3.5.2 Sistema de Controlo .................................................................................................. 49
3.5.3 Componentes Mecânicos ........................................................................................... 51
3.6 Sistemas de código aberto e fechado ................................................................................. 56
3.6.1 Classificação de sistemas abertos .............................................................................. 57
3.6.2 Sistemas abertos existentes ....................................................................................... 58
4. Descrição do caso de estudo ..................................................................................................... 63
4.1 Fresadora ......................................................................................................................... 63
4.1.1 Sistema de controlo ................................................................................................... 64
4.1.2 Sistema servo ............................................................................................................ 65
4.1.3 Dispositivos de medição ............................................................................................ 70
5. Projeto de requalificação ........................................................................................................... 75
5.1 Controlador ....................................................................................................................... 76
5.2 Placas eletrónicas ............................................................................................................. 78
5.3 Controlador de potência .................................................................................................... 80
6. Desenvolvimento do trabalho .................................................................................................... 83
6.1 Preparação do trabalho ..................................................................................................... 83
6.1.1 Desmontagem ........................................................................................................... 83
6.1.2 Teste aos componentes ............................................................................................. 84
6.2 Projeto e desenvolvimento de uma fonte ............................................................................ 87
6.3 Solução para controlo do motor ......................................................................................... 89
6.4 Parametrização do motor .................................................................................................. 91
6.5 Integração de componentes .............................................................................................. 99
6.6 Discussão de resultados .................................................................................................. 104
7. Conclusão .............................................................................................................................. 107
7.1 Trabalhos futuros ............................................................................................................ 108
Bibliografia ..................................................................................................................................... 111
Anexos ........................................................................................................................................... 115
xv
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Tipos de manutenção [4] ........................................................................ 4
Figura 2.2 – Funcionamento da manutenção corretiva [4] .......................................... 5
Figura 2.3 – Funcionamento da manutenção preventiva [4] ........................................ 7
Figura 2.4 – Complementaridade entre a manutenção corretiva e preventiva [4] ......... 7
Figura 2.5 - Influência das melhorias obtidas no ciclo de vida de um produto [4] ......... 8
Figura 2.6 – Relação entre a vida útil e a taxa de avarias [4] ....................................... 9
Figura 3.1 – Diferentes tipos de manufatura ............................................................ 11
Figura 3.2 – a) Consumo bruto por pais em 2012; b) Consumo per capita por pais em
2012 [11] ............................................................................................................... 14
Figura 3.3 - a) Produção bruta por país em 2012; b) Produção per capita por país em
2012 [11] ............................................................................................................... 15
Figura 3.4 – Representação de um sistema de malha aberta [14] .............................. 16
Figura 3.5 - Representação de um sistema de malha fechada [14] ............................. 17
Figura 3.6 - Ciclo aberto em sistemas ponto-a-ponto [16] ........................................ 18
Figura 3.7 – Ciclo fechado para sistemas ponto-a-ponto [16] .................................... 18
Figura 3.8 - Ciclo fechado para sistemas de contorno [16] ........................................ 19
Figura 3.9 – Representação de um círculo sob interpolação linear [18] ..................... 20
Figura 3.10 - Representação de um círculo sob interpolação circular [16] ................. 20
Figura 3.11 – Representação do fluxo magnético no transformador [20] ................... 23
Figura 3.12 – Utilização de díodos usados no processo de retificação [20] ................ 23
Figura 3.13 – Utilização de um filtro para obtenção de uma tensão [20] ................... 23
Figura 3.14 – Regulador de tensão [20] ................................................................... 24
Figura 3.15 - Tipos de motores elétricos [23] ........................................................... 26
Figura 3.16 - Representação de um a)rotor e uma b) gaiola (squirel cage) [23] .......... 28
Figura 3.17 - Representação de um PMM num sistema servo (servomotor) [23] ......... 28
Figura 3.18 – Representação de um servomotor a) PMM AC e b) PMM DC [8] ............ 28
Figura 3.19 – Representação dos componentes de um codificador rotativo [26] ........ 30
Figura 3.20 – Representação de os constituintes básicos de um codificador [27] ....... 31
Figura 3.21 – Representação de os sinais de saída de um codificador incremental [26]
............................................................................................................................. 31
Figura 3.22 – Representação de um codificador absoluto e seu disco [27] ................. 32
xvi
Figura 3.23 – Representação de um disco de um codificador absoluto [26]................ 32
Figura 3.24 – Representação dos diferentes tacómetros: a) DC; b) AC, c) drag -cup [26]
............................................................................................................................. 34
Figura 3.25 – Representação da perturbação do campo magnético [30] .................... 35
Figura 3.26 – Diagrama de blocos do ciclo fechado de corrente [24] ......................... 37
Figura 3.27 – Representação do ciclo fechado de corrente [32] ................................ 37
Figura 3.28 – Representação da interação entre diferentes componentes de um sistema
servo ..................................................................................................................... 38
Figura 3.29 - Representação de diferentes ciclos de carga [34] ................................. 39
Figura 3.30 – Diagrama de blocos de um sistema FeedForward [37] .......................... 41
Figura 3.31 - Relação entre o ganho K e a banda [37] ............................................... 43
Figura 3.32 – Diagrama de blocos de um controlador PID [38] .................................. 44
Figura 3.33 – Representação de controlador PID em malha fechada [38] ................... 44
Figura 3.34 – Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set -point; b) de saída
u) com variação do termo proporcional [37] ............................................................ 45
Figura 3.35 - Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set -point; b) de saída u)
com variação do termo integral [37] ....................................................................... 46
Figura 3.36 - Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set -point; b) de saída u)
com variação do termo derivativo [37] .................................................................... 46
Figura 3.37 – Representação de um controlador PID aplicado a um sistema servo [36]
............................................................................................................................. 47
Figura 3.38 - Representação de um controlador PIV aplicado a um sistema servo [36] 48
Figura 3.39 - Representação da interação entre os componentes do controlo de um CNC
[8] ......................................................................................................................... 51
Figura 3.40 – Esquemas de diferentes tipos de corrediças deslizantes [9] ................. 53
Figura 3.41 – Esquema de uma guia de elementos rolantes [9] ................................. 53
Figura 3.42 – Esquema de uma guia hidrostática [9] ................................................. 54
Figura 3.43 – Esquema de um sistema de transmissão com guias e um fuso de esferas
............................................................................................................................. 55
Figura 3.44 – Classificação de sistemas abertos e representação dos seus componentes
[8] ......................................................................................................................... 57
Figura 3.45 - Representação da arquitetura OSACA [39] ........................................... 59
Figura 3.46 – Representação da arquitetura OMAC [39] ........................................... 60
Figura 3.47 – Representação da arquitetura OSEC [39] ............................................. 60
Figura 3.48 – Representação da arquitetura EMC [39] .............................................. 61
xvii
Figura 4.1 – Fotografia da Fresadora CNC ................................................................ 63
Figura 4.2 - Diagrama de blocos do servomotor AC com o “transístor PWM converter”
[47] ....................................................................................................................... 65
Figura 4.3 – Ciclo de vida dos servomotores “1FT5” ................................................. 67
Figura 4.4 – Curva de funcionamento genérica para servomotores “1FT5” [47] .......... 67
Figura 4.5 – Curva de funcionamento do servomotor “1FT5062” (árvore principal) [47]
............................................................................................................................. 68
Figura 4.6 - Curva de funcionamento do servomotor “1FT5044” (eixos) [47] .............. 69
Figura 4.7 - Representação dos sinais de cada cana l presente no codificador “ROD 426”
[48] ....................................................................................................................... 72
Figura 4.8 - Representação da característica da resistência (o seu valor por temperatura
recebida) [48] ........................................................................................................ 72
Figura 5.1 – Representação da arquitetura dos vários subsistemas ........................... 76
Figura 5.2 – Janela de configuração dos pinos I/O do “pncconf” ............................... 77
Figura 5.3 – Exemplo de um ficheiro “hal” ............................................................... 78
Figura 5.4 – Placa 5i20 da “MESA Eletronics” [50] .................................................... 79
Figura 5.5 – Placa 7i37 e 7i33 da “MESA Eletronics” [50] .......................................... 79
Figura 5.6 – “VSD-E da Granite Devices” [51] ........................................................... 80
Figura 6.1 – Fotografia do a) motor; b) eixo dos yy .................................................. 84
Figura 6.2 – Sinais do canal A e B do codificador do eixo xx obtidos por um osciloscópio
............................................................................................................................. 85
Figura 6.3 - Sinais dos canais A e R do codificador do eixo xx obtidos por um osciloscópio
............................................................................................................................. 85
Figura 6.4 - Sinais do canal A e B do codificador do eixo yy obtidos por um osciloscópio
............................................................................................................................. 85
Figura 6.5 - Sinais dos canais A e R do codificador do eixo yy obtidos por um osciloscópio
............................................................................................................................. 86
Figura 6.6 – Fotografia do barramento dos sensores fim de curso. ............................ 86
Figura 6.7 – Esquema elétrico da fonte construída ................................................... 87
Figura 6.8 – Fotografia lateral da fonte com a localização dos componentes ............. 88
Figura 6.9 – Fotografia de frente da fonte ............................................................... 88
Figura 6.10 – Fotografia superior da fonte ............................................................... 89
Figura 6.11 - Representação do ciclo fechado na primeira solução ............................ 90
Figura 6.12 – Representação do ciclo fechado na segunda solução ............................ 91
xviii
Figura 6.13 – Fotografia das conexões do motor (à direita) e do codificador (à esquerda)
............................................................................................................................. 92
Figura 6.14 – Fotografia das ligações do a) codificador; b) motor ............................. 93
Figura 6.15 – Fotografia do sistema geral para afinação ........................................... 94
Figura 6.16 – Janela inicial do “GDtool” ................................................................... 94
Figura 6.17 – Janela de configuração do “GDTool” para configuração de velocidades . 95
Figura 6.18 – Janela do “GDtool” para configuração dos parâmetros PID ................... 96
Figura 6.19 – Gráfico de comparação entre a posição obtida e a desejada (1º tentativa)
............................................................................................................................. 97
Figura 6.20 - Gráfico de comparação entre a posição obtida e a desejada (2º tentativa)
............................................................................................................................. 97
Figura 6.21 – Gráfico de comparação entre a posição obtida e desejada (3º tentativa)
............................................................................................................................. 98
Figura 6.22 - Gráfico de comparação entre a posição obtida e desejada e o binário obtido
e desejado (3º tentativa) ........................................................................................ 98
Figura 6.23 – Janela inicial do “pncconf” ................................................................100
Figura 6.24 - Janela de configuração do sistema servo do “pncconf” ........................100
Figura 6.25 – Janela para atribuição dos pinos referentes ao motor no “pncconf” ....101
Figura 6.26 - Janela para atribuição dos pinos referentes aos sensores no “pncconf” 101
Figura 6.27 – Fotografia da placa 5i20 integrada no computador .............................102
Figura 6.28 – Fotografia do conjunto final para testes .............................................103
Figura 6.29 – Fotografia da ligação de um sensor fim de curso à placa 7i37TA ..........104
Figura 0.1 – Fotografia da diferente disposição dos componentes ...........................120
Figura 0.2 – a) Ligações originais b) ligações para o controlador de potência ...........122
Figura 0.3 – Distribuição das conexões do controlador de potência .........................123
Figura 0.4 – Planta da placa 7i37TA ........................................................................123
Figura 0.1 – Ficheiro “readme” ..............................................................................127
Figura 0.2 – Ficheiro“readme” (continuação) ..........................................................128
Figura 0.3 – Ficheiro “readme” (continuação) .........................................................128
Figura 0.4 – Ficheiro “readme” (continuação) .........................................................129
Figura 0.5 – Ficheiro “teste_1.ini” ..........................................................................129
Figura 0.6 - Ficheiro “teste_1.ini” (continuação) .....................................................130
Figura 0.7 - Ficheiro “teste_1.ini” (continuação) .....................................................130
Figura 0.8 – Ficheiro “teste_1hal” ..........................................................................131
Figura 0.9 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação) .....................................................132
xix
Figura 0.10 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação) ...................................................132
Figura 0.11 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação) ...................................................133
Figura 0.12 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação) ...................................................133
xxi
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1 - Especificações técnicas do PLC [46] ...................................................... 64
Tabela 4.2 - Especificações técnicas do servomotor da árvore principal [47] ............. 68
Tabela 4.3 - Especificações técnicas do servomotor dos eixos [47] ............................ 69
Tabela 4.4 - Especificações técnicas do travão presente no servomotor do eixo yy [48]
............................................................................................................................. 70
Tabela 4.5 - Especificações técnicas dos taquímetros existentes nos servomotores da
máquina [48] ......................................................................................................... 70
Tabela 4.6 - Especificações técnicas do codificador “ROD 426” [48] .......................... 71
Tabela 4.7 - Especificações técnicas do sensor indutivo “BES -516-300-S-166-PU-5” [49]
............................................................................................................................. 73
Tabela 4.8 - Especificações técnicas do sensor indutivo “BES -516-300-S-166-PU-5” [49]
............................................................................................................................. 74
xxiii
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS
AC – “Alternating Current” Ccorrente Alternada)
CAD – “Computer Aided Design” (Desenho Assitido por Computador)
CAM – “Computer Aided Manufacturing” (Manufatura Auxiliada por Computador)
CNC – “Computer Numerical Control” (Comando Numérico Computadorizado)
DC – “Direct Current” (corrente continua)
HAL – “Hardware Abstraction Layer” (Camada de Abstração de Hardware)
IHM – Interface Homem-Máquina
I/O – “In and Out” (Entradas e Saídas)
LC – Indutância e capacitância
LDR – “Light Dependent Resistor” (Resistor Dependente de Luz ou Fotoresistência)
LED – “Light Emitting Diode” (Diodo Emissor de Luz)
NCK – “Numerical Control Kernel” (Núcleo Controlo Numérico)
PFM – “Pulse Frequency Modulation” (Modulação por Frequência de Pulso)
PID – Proporcional Integral Derivativo
PIV – Proporcional Integral derivativo de Velocidade
PLC – “Progammable Logic Controller” (Controlador Lógico Programável)
PMM – “Permanent Magnet Moto” (Motor de Íman Permanente)
PWM – “Pulse Width Modulation” (Modulação por Largura de Pulso)
1
1. INTRODUÇÃO
A importância de uma máquina-ferramenta de controlo numérico no contexto industrial e
académico tem vindo, ao longo dos anos, a aumentar de forma exponencial. Industrialmente, o aumento
da eficiência e consequentemente, do lucro na produção de componentes com geometrias e superfícies
complexas, tem enorme relevância para as empresas. Do ponto de visto académico, a integração de
diferentes áreas de conhecimento que um CNC (Comando Numérico Computorizado) agrega faz com
que este dispositivo seja estudado e desenvolvido em várias instituições.
A existência de máquinas-ferramentas de controlo numérico nas oficinas com necessidade de
requalificação, aliada aos pontos atrás referidos faz com que este tema seja de maior relevância. Por
este motivo, um conjunto de estudos têm vindo a ser desenvolvidos por vários alunos com o objetivo final
de reabilitar as diferentes máquinas existentes nas oficinas do Departamento de Engenharia Mecânica
da Escola de Engenharia da Universidade do Minho, possibilitando em simultâneo aos alunos a aquisição
de conhecimentos neste domínio.
Do ponto de vista pessoal, a possibilidade de estudos em diferentes áreas, nomeadamente a
eletrónica e a mecânica, que este dispositivo oferece, torna este tema perfeito para uma dissertação de
mestrado na especialização de Sistemas Mecatrónicos.
O objeto de estudo será uma fresadora CNC de quatro eixos existente nas Oficinas de Formação
e Apoio (OFA). A fresadora em questão (SwissPerfo), já sofreu uma intervenção de manutenção
mecânica, mas depois de uma avaliação inicial, decidiu-se fazer o estudo de requalificação do seu
sistema de controlo.
1.1 Objetivos
Este projeto tem objetivos bem definidos, no que diz respeito ao estudo de componentes e
sistemas que se inserem no contexto de requalificação mecatrónica e objetivos que irão depender de
fatores externos (orçamento, tempo de trabalho, entre outros).
Os primeiros objetivos são:
Identificação de problemas nos diferentes componentes; Idealização de um novo sistema de controlo (requalificação);
2
Como seria de esperar, a aplicação deste novo sistema faz parte dos objetivos cuja extensão é
variável. Ou seja a sua aplicação, dependendo do tempo, pode ser ou não, finalizada.
Outro ponto importante é a necessidade de deixar bem estruturado um relatório que permita a
continuidade deste projeto.
1.2 Organização da dissertação
A presente dissertação é constituída por seis capítulos. Esta organização foi a que se apresentou
como melhor opção para uma leitura estruturada e facilitada.
Além deste primeiro capítulo, em que é fornecida uma introdução ao tema, com a motivação e os
objetivos do trabalho, a dissertação contém mais dois capítulos que permitem a contextualização do
tema.
O segundo capítulo tem como objetivo esclarecer e fornecer ao leitor uma explicação teórica do
conceito de manutenção e dos seus diferentes tipos, bem como do conceito de requalificação de
máquinas-ferramentas. O terceiro capítulo faz a mesma contextualização teórica mas das máquinas-
ferramentas CNC, desde a sua história até aos aspetos técnicos dos seus componentes. É importante
referir que a abordagem aos temas técnicos foi feita sob um ponto de vista mecatrónico, tendo sido
deixadas referências de alguns conceitos puramente eletrónicos que não foram tratados por se
considerar de menor relevância para o desenvolvimento do trabalho.
Posteriormente, é apresentada no quarto capítulo a descrição do caso de estudo (a fresadora) em
que podem pode ser conferidos os diferentes componentes existentes e as suas limitações.
O quinto capítulo descreve o projeto de requalificação efetuado, com a explicação dos diferentes
componentes escolhidos e a justificação da sua utilização.
O desenvolvimento do trabalho é apresentado no capítulo seis, no qual se pode constatar o
trabalho realizado ao longo do tempo da dissertação, desde o teste aos componentes, até a integração
da solução escolhida para a requalificação da máquina.
Finalmente os últimos capítulos são dedicados à discussão dos resultados obtidos, às propostas
para trabalhos futuros e a conclusão.
3
2. MANUTENÇÃO MECÂNICA
Como em quase todos os casos relacionados com o mundo industrial, a partir do início do século
XX e com a chegada de uma nova realidade no que diz respeito à produção em massa e consequente
aumento da competitividade, chegou a necessidade de manter todo o aparelho industrial num estado
que garantisse o seu potencial máximo, durante um maior tempo possível. Assim, surgiu o conceito de
manutenção mecânica.
Manutenção, segundo Souris “é a garantia de disponibilidade dos equipamentos de produção pela
avaliação das imperfeições do património tecnológico investido” [1].
Diversos autores mencionam o conceito de fiabilidade com um aspeto que segue de “mão dada”
com a manutenção, uma vez que o objetivo desta passa pelo aumento da fiabilidade. Por definição é “a
característica de um dispositivo expressa pela probabilidade que esse dispositivo tem de cumprir uma
função requerida, em condições de utilização e por um período de tempo determinados” [2].
Com a evolução nas diferentes áreas, nomeadamente na eletrónica e na computação, começou a
ser possível monitorizar os diferentes parâmetros de funcionamento, o que permitiu descobrir possíveis
falhas para posterior intervenção. Também foi possível passar da correção para a prevenção, através do
uso de modelos de previsão.
Embora o reconhecimento que esta área é essencial para o bom funcionamento de uma empresa
na área industrial, existiu durante vários anos, e mesmo atualmente, a ideia de que a manutenção é uma
tarefa secundária, cujo resultado prático não era nem palpável, nem trazia resultados para a empresa.
Rapidamente se apercebeu que uma boa manutenção das máquinas industriais e do próprio processo
de fabrico, afetava o próprio produto positivamente [3].
Obviamente, a manutenção tem de estar de acordo com a capacidade da empresa e com os seus
objetivos, tendo em conta a disponibilidade financeira e pessoal. Uma má manutenção pode por em
causa o sucesso de uma empresa, enquanto uma manutenção excessiva e não planeada pode levar a
gastos desnecessários.
Aspeto importante a referir é que em algumas áreas, como hospitais, transportes e indústrias de
elevado risco, a manutenção tem um caracter obrigatório por via legal.
4
2.1 Tipos de Manutenção
Existem várias abordagens possíveis a esta problemática, chegando-se assim aos diferentes tipos
de manutenção.
Existem três grandes grupos que se distinguem principalmente pelo nível de intervenção, pelo tipo
de inspeção e pela própria integração da manutenção na máquina.
Na Figura 2.1 é apresentado um esquema que permite visualizar os diferentes tipos e a sua
integração no mundo da engenharia de manutenção.
Figura 2.1 – Tipos de manutenção [4]
Para a seleção do tipo de manutenção mais eficiente para um determinado caso é necessário ter
em conta diferentes aspetos [4]:
Fiabilidade do equipamento e taxa possível de avarias;
Manutenibildiade do equipamento (acessibilidade e facilidade na execução de ação de
manutenção);
Tipos de avarias;
Viabilidade da deteção antecipada de avarias e/ou de substituição de componentes;
Aspetos legais e de segurança;
Importância do equipamento em relação ao processo de fabrico geral;
Todos estes aspetos têm de ser avaliados e comparados de forma a definir qual a manutenção a
aplicar. De referir também que não existe uma escolha específica para uma fábrica, mas sim a integração
5
de vários tipos, ou mesmo no caso de diferentes equipamentos na mesma instalação pode haver a
necessidade de diferentes tipos de manutenção.
2.1.1 Manutenção Corretiva
Como o nome indica, este tipo de manutenção caracteriza-se por uma intervenção com objetivo
de correção de uma falha ou erro no equipamento.
O que distingue os seus dois subgrupos é que, a imprevista ocorre quando a intervenção é feita
sem qualquer tipo de programação ou preparativo, devido à falha inesperada do equipamento e
consequente interrupção do processo produtivo [4].
Quanto à programada, esta intervenção é realizada a partir do diagnóstico de falha do
equipamento, antes da falha ou erro acontecer. Desta forma, o processo produtivo não é interrompido e
existe uma preparação de recurso e de logística para a reparação. A altura da intervenção pode ocorrer
numa paragem do calendário regular ou uma paragem extraordinária.
Na Figura 2.2 pode-se ver que a paragem só é efetuada quando a falha é detetada, trazendo
consequências negativas ao aparelho além da óbvia paragem de produção em alturas inesperadas, da
necessidade de ter peças em stock ou de as procurar no momento ou com um prazo apertado e com a
consequente diminuição da vida útil do aparelho [4].
Figura 2.2 – Funcionamento da manutenção corretiva [4]
6
Por outro lado é possível justificar a escolha deste tipo de manutenção, uma vez que os custos
indiretos de manutenção são baixos e em ocasiões em que os problemas ambientais e de segurança
são desprezáveis e existem máquinas de substituição.
O seu tempo de ação, segundo Dhillon, baseia-se em [5]:
Tempo de preparação;
Tempo de localização da falha;
Tempo de obtenção de equipamento suplente;
Tempo de ajustamentos e calibrações;
Tempo de verificação;
2.1.2 Manutenção Preventiva
Quando o objetivo é melhorar a fiabilidade do equipamento, bem como diminuir as
probabilidades de avaria e aumento da vida do aparelho, a manutenção preventiva prevalece sobre a
corretiva, já que é baseada no estudo do funcionamento do aparelho e sua monitorização apertada [5]:
Esta manutenção, na prática, revela-se como uma atividade de inspeção, cuja função está
dividida em dois subgrupos: condicional e sistemática.
A manutenção preventiva condicional é uma atividade de inspeção que não interfere no estado
operacional do equipamento, tendo somente o objetivo de obter informação sobre o estado atual do
equipamento e seus componentes. Esta obtenção de dados pode ser efetuada através do auxílio de
instrumentos, como análise de vibrações, termo visão, entre outros. (condicional instrumentada,
“objetiva”), ou através dos sentidos humanos, algo que obviamente está de acordo com a perceção de
cada pessoa (condicional sensitiva, “subjetiva”) [4].
A manutenção preventiva sistemática já é uma atividade de manutenção que supõe a intervenção
no equipamento mas que ocorre em períodos pré-fixados e pode levar à troca de componentes sem
observar o seu estado de utilização. Por exemplo a troca periódica de rolamentos, ou a lubrificação e a
limpeza.
Na Figura 2.3 é descrito o funcionamento desta manutenção; extrai-se a importância da
calendarização depender do conhecimento da lei de degradação e dos diferentes comportamentos dos
materiais, através da informação recolhida e das recomendações do fabricante.
7
Figura 2.3 – Funcionamento da manutenção preventiva [4]
Na altura da escolha deste sistema é importante considerar que o custo económico é
consideravelmente superior ao da manutenção corretiva, e que só é justificável em equipamentos com
elevados custos de falha; em componentes que ponham em causa o equipamento em que estão
inseridos; quando está em causa a segurança das pessoas; em equipamentos cuja paragem é sempre
longa; quando a legislação o impõe.
Complementaridade
Como já foi referido anteriormente alguns casos ideais baseiam-se na interação entre os tipos
de manutenção, corretiva e preventiva. O seguinte gráfico (Figura 2.4) mostra o efeito da
complementaridade na redução de custos e otimização do projeto.
Figura 2.4 – Complementaridade entre a manutenção corretiva e preventiva [4]
8
2.1.3 Confiabilidade da Manutenção
Finalmente o último tipo de manutenção insere-se no capítulo da engenharia de manutenção
avançada e normalmente representa numa empresa, uma grande “fatia” dos custos de fabrico. É
claramente o último passo no que diz respeito à manutenção e só se justifica em equipamentos de custo
elevado.
Também este tipo de manutenção tem dois subgrupos, o primeiro dos quais sob o nome de
“equipamento com manutenção otimizada”, no qual a manutenção começa a processar-se antes do
próprio equipamento estar em operação, já que é a aquisição de novas máquinas que vai mudar. A
aquisição vai-se basear na seleção de equipamentos que apresentem a melhor relação de “custo no ciclo
de vida”, que são projetados e dimensionados para ter uma vida útil longa, com a mínima e fácil
manutenção [4].
O outro subgrupo “extensão de vida útil”, é o processo de estudo e implementação de melhorias
em equipamentos, como o objetivo de eliminar componentes frágeis que necessitem de manutenção
frequente, aumentando a fiabilidade e vida útil do conjunto geral. A figura seguinte (Figura 2.5) demonstra
a influência das melhorias obtidas no ciclo de vida de um produto.
Figura 2.5 - Influência das melhorias obtidas no ciclo de vida de um produto [4]
2.2 Requalificação
A vida de um equipamento em relação à sua taxa e causa de avarias pode ser descrita pela Figura
2.6.
9
Figura 2.6 – Relação entre a vida útil e a taxa de avarias [4]
Como se constata, numa fase inicial, existem diversas falhas precoces, falhas estas que até
podem ser relacionadas com uma pré-configuração errada ou mesmo defeitos do próprio equipamento.
Com o passar do tempo a máquina entra numa fase de maturidade, em que os erros (assumindo a
qualidade da mesma) ocorrem de uma forma aleatória e a sua taxa é constante. A terceira fase de
obsolescência, define-se como sendo um período de degradação acelerada.
A renovação tecnológica presente num processo de requalificação (retrofitting) traz também uma
capacidade de manter os níveis de produtividade e competitividade exigidos no “mundo industrial”. Este
processo pode ter o objetivo, não só de atualizar um equipamento antigo e/ou corrigir possíveis
limitações, mas também de adicionar novas funcionalidades.
2.2.1 Requalificação de máquinas-ferramenta CNC
Sendo uma máquina-ferramenta constituída por uma estrutura rígida e cuja integridade e rigidez
se mantem ao longo do tempo, a possibilidade de se efetuar um requalificação neste tipo de equipamento
revela-se eficiente e rentável. Esta característica permite que somente os componentes relacionados com
o controlo necessitem de intervenção, baixando assim o custo e tempo despendido neste processo.
Contudo esta estrutura pode funcionar como limitação, já que algumas funcionalidade e/ou parâmetros
(precisão, repetibilidade) podem não ser compatíveis com o tipo de estrutura existente na máquina.
Alguns estudos revelam que uma atualização deste género representam uma poupança na
ordem dos 25% a 30% do custo de uma máquina nova com as mesmas características [6].
Diversas vantagens foram listadas por Reddy [7]:
Investimento reduzido devido à existência da estrutura inicial;
Representa o método mais fácil e rápido de modernizar máquinas-ferramentas convencionais;
Aumento da repetibilidade e precisão e consequente melhoria na qualidade final;
10
11
3. MÁQUINAS FERRAMENTAS DE COMANDO NUMÉRICO
O presente capítulo tem como objetivo introduzir o tema da evolução histórica das máquinas-
ferramentas e salientar a sua importância tecnológica e consequentemente económica, com foco
direcionado para as máquinas-ferramentas de comando numérico.
3.1 Descrição
Por definição uma máquina-ferramenta é um dispositivo mecânico usado para a fabricação de
componentes, baseado no processo de remoção do excesso de material de um bloco de matéria-prima,
designado maquinagem.
Existem duas categorias principais nas tecnologias de manufatura, como se pode observar na
Figura 3.1. Será desenvolvido em maior detalhe o tema da maquinagem convencional.
Figura 3.1 – Diferentes tipos de manufatura
Cada tipo de maquinagem necessita de um processo de remoção de material específico,
envolvendo um certo número de parâmetros configuráveis (posição, velocidade, etc.) e também de uma
certa ferramenta. Todos estes parâmetros têm de ser assegurados pela máquina-ferramenta, de forma
a obter-se o produto desejado.
Analisando a grosso modo as diferentes funções que um aparelho deste género apresenta, é fácil
concluir que ele próprio é um sistema mecatrónico complexo que inclui comando, aquisição e tratamento
de informações, carga e descarga automáticas de peças a maquinar e ferramentas, auto adaptação a
12
certas variáveis externas ou internas, diagnóstico de avarias e, eventualmente, reparação automática da
avaria. A sua inclusão num sistema de fabrico implica uma elevada fiabilidade.
3.2 História da máquina-ferramenta
A história da máquina-ferramenta começa aquando a necessidade do homem de encontrar
utensílios de corte adequados para a produção de determinados acessórios. Esta necessidade trouxe,
logicamente, um desenvolvimento no processo de corte que originou a máquina-ferramenta. Com o
desenvolvimento industrial e a chegada da produção em massa, era fulcral encontrar um processo
minimamente independente e automatizado, de forma a corresponder à crescente procura de bens
materiais.
A introdução da máquina a vapor deu origem às primeiras máquinas-ferramentas, já que pela
primeira vez foi possível ter uma máquina que usasse uma fonte de energia portátil e dedicada (até então
havia uma dependência no uso de moinhos eólicos e hidráulicos).
A primeira máquina-ferramenta a ser desenvolvida foi o torno mecânico e atualmente o
torneamento continua a ser um dos processos de maquinagem mais usados. Quanto à invenção da
fresadora, esta é atribuída a Eli Whitney, em 1818, que foi desenvolvida inicialmente para a construção
de armas. A sua expansão e industrialização decorreu devido à crescente necessidade de produção de
peças para bicicletas e automóveis, no início do século XX. [8]
Tal como a necessidade apareceu, também a automatização e exploração do potencial máximo
se tornou um aspeto vital na investigação de novas soluções para novas máquinas-ferramentas. Desta
investigação surgiram as primeiras máquinas-ferramentas de controlo numérico (CNC – computer
numerical control). Pelo meio, a automatização, começou com a introdução de cames que controlavam
as operações a ser realizadas.
Outro avanço importante em direção ao CNC foi a criação das máquinas transfer, que consistem
numa linha de produção em que uma determinada peça é montada num carrinho que a transporta ao
longo de vários cabeçotes (torno, fresadora, furadora, etc.). A sua repetibilidade e cadência de produção
permitiram a este tipo de máquinas uma elevada importância. [9]
Todas estas máquinas, apesar das vantagens já descritas e do distanciamento à dependência do
acionamento manual, primavam pela sua rigidez no que diz respeito à fabricação de diferentes peças.
Resultava, deste modo, um investimento demasiado elevado em equipamento, uma preparação
13
demasiado longa para cada produto e também, obrigava as empresas a necessitarem de um grande
stock de material e ferramentas.
Tornou-se desejável, a criação de uma unidade de controlo capaz de armazenar e transmitir a
informação indispensável ao fabrico de uma peça de forma mais célere e eficiente. Esta necessidade foi
suprida pelo aparecimento das máquinas-ferramentas de controlo numérico.
3.2.1 Evolução do comando numérico
Como já referido anteriormente, as únicas máquinas capazes de produzir em grande escala e
com uma cadência suficiente para aguentar a procura, exigida pela elevação da qualidade de vida, eram
as máquinas transfer. A sua falta de flexibilidade fazia com que surgisse um vazio nesta área, ou seja,
era necessário uma máquina que mantivesse a cadência de produção e repetibilidade das máquinas
transfer mas que mantivesse a flexibilidade de uma máquina tradicional.
Assume-se como definição convencional de controlo numérico: “conceito fundamental de
controlo, em que a informação para controlar a máquina é a entrada na unidade de controlo da máquina
em forma de valores numéricos com um significado pré-definido” [9].
O controlo numérico foi inicialmente desenvolvido entre 1947 e 1952 no Massachusetts Institute
of Technology (MIT) em conjunção com a Parsons Aircraft Corporation. Inicialmente este tipo de máquina
surgia para a manufatura de peças de avião muito complexas e de grande precisão, uma vez que para
este tipo de peças o tempo de produção era muito elevado devido à necessidade de assegurar uma
relação da ferramenta e da peça correta. Nasceu assim a primeira fresadora vertical de controlo numérico
adaptada de uma fresadora Cincinnati Hydro-tel.
3.3 Importância da máquina-ferramenta
A maquinagem é considerada uma das principais operações utilizada na indústria da manufatura,
correspondendo, por exemplo a 20% das atividades de manufatura dos Estados Unidos da América.
Devido aos conhecimentos técnicos necessários para a sua construção, a máquina-ferramenta
tem sido um indicador de riqueza e de desenvolvimento tecnológico de um pais ou região, A presença
das máquinas-ferramentas é transversal a todas as áreas de interesse tecnológico e económico de um
país, uma vez que a área de ação estende-se à agricultura, à indústria naval, da comunicação,
aeronáutica, da saúde, entre outras.
14
A aposta no desenvolvimento desta indústria faz uma nação ter controlo sobre o seu
desenvolvimento económico, algo que desempenha um papel significativo na determinação se é um país
desenvolvido ou em desenvolvimento. A eliminação da importação destes equipamentos permite uma
total autonomia no que diz respeito ao desenvolvimento de um determinado produto, fazendo com que
o seu valor acrescentado aumente e consequentemente melhore a economia de um determinado país
ou, numa escala inferior, de uma determinada empresa. [10]
Na Figura 3.2 está representada os consumos brutos e per capita, de máquinas-ferramentas de
diversos países. De realçar que o consumo per capita revela que os países que mais consomem (exceção
à republica checa) são dos mais desenvolvidos tecnologicamente e economicamente do mundo. Quanto
a Portugal, consome 48 vezes menos que a Suíça, que pode ser indicador do atraso tecnológico na
indústria portuguesa. Outro ponto importante é o facto de países como a China e os EUA apesarem do
seu consumo bruto ser elevado, no consumo per capita nem nos dez primeiros aparecem.
Figura 3.2 – a) Consumo bruto por pais em 2012; b) Consumo per capita por pais em 2012 [11]
Outro aspeto importante é relativo à produção das máquinas-ferramentas e é representado na
Figura 3.3 e pode retirar-se varias conclusões, nomeadamente no que diz respeito ao desenvolvimento
de um país. Tal como no consumo de máquinas-ferramentas, a China apesar de ser o país que mais
produz em unidades brutas, não está sequer nos primeiros dez, na produção per capita. Novamente a
Suíça é o primeiro, e tal como se pode ver no gráfico anterior, os países que mais produzem são dos
mais desenvolvidos tecnologicamente e com maior capacidade económica. Também novamente,
Portugal está numa posição baixa e produz cerca de 68 vezes menos que a Suíça,
15
Figura 3.3 - a) Produção bruta por país em 2012; b) Produção per capita por país em 2012 [11]
É impossível desassociar o desenvolvimento tecnológico e o crescimento económico de um país
com a sua relação com a máquina-ferramenta, Qualquer produto que seja obtido através deste
equipamento implica um lucro para o fabricante da máquina, o que permite uma maior independência
económica de um país.
Quanto a Portugal, apesar da crescente industrialização verificada e do desenvolvimento
tecnológico, a indústria das máquinas-ferramentas ainda não tem a relevância desejada o que faz com
que as importações continuem a ser elevadas e o crescimento económico baixo.
3.4 Classificação de máquinas-ferramentas
A generalidade dos autores concorda que as máquinas-ferramentas devem ser classificadas segundo
os mesmos aspetos, sendo ao longo dos tempos, considerados mais relevantes.
Tipo de estrutura do controlador: NC ou CNC;
Tipo de movimento: ponto-a-ponto ou contorno;
Tipo de ciclo de controlo: ciclo (malha) aberto ou fechado;
Tipo de programação: incremental ou absoluta;
3.4.1 Estrutura do Controlador
De uma forma simples, os sistemas NC baseiam-se na tecnologia de circuitos digitais e tiveram
o seu expoente na década de 60. A partir da chegada dos microprocessadores, os sistemas passaram a
ser maioritariamente CNC, baseado em computador [12].
16
É de fácil conclusão que os sistemas CNC ultrapassaram os NC em diversos parâmetros, seja
quer em flexibilidade quer em eficiência, já que os programas passaram a ser armazenados na memória
interna e a sua alteração tornou-se mais fácil.
3.4.2 Ciclo de controlo
Um dos aspetos mais importantes, não só numa CNC mas em todo universo mecatrónico, são
os diferentes tipos de ciclo de controlo: ciclo (ou malha) aberto ou ciclo (ou malha) fechado.
Num sistema de malha aberta não existe retorno, ou seja, o controlador envia o comando de
movimento utilizando somente parâmetros pré configurados, não sabendo o efeito que produz no
movimento dos eixos. Os efeitos produzidos podem variar com diversos parâmetros (carga do motor,
temperatura, atrito), e até mesmo em condições iguais, por exemplo, os motores podem ter
comportamentos diferentes para o mesmo comando, o que consequentemente impõe a necessidade de
uma correção constante ao longo do processo. Em termos genéricos, os comandos fornecidos pelo
controlador poderão provocar uma saída real diferente da desejada. A Figura 3.4 representa um sistema
deste tipo [13].
Figura 3.4 – Representação de um sistema de malha aberta [14]
É de fácil perceção que este tipo de ciclo pode provocar varias falhas na máquina, mesmo falhas
críticas, e que resulta numa baixa precisão global do sistema.
Para minimizar estes erros foi desenvolvido o controlo em ciclo fechado, que permite ao
controlador saber o estado efetivo, durante o processo, dos diferentes atuadores. O aparecimento de
diversos tipos de sensores, como os fim-de-curso e os codificadores1, fizeram com que este ciclo se
tornasse mais usado e mais eficiente (maior precisão).
O seu funcionamento é simples: o controlador envia os diferentes comandos para os atuadores,
cuja ação é medida e comparada com a desejada. Caso exista diferença em algum parâmetro, é
comunicado um erro ao controlador que efetua medidas de correção, como representado na Figura 3.5
[13].
1 Codificador ou “encoder” (do Inglês) – ao longo do documento é utilizada a nomenclatura portuguesa
17
Figura 3.5 - Representação de um sistema de malha fechada [14]
O tipo de malha usado tem grande influência no tipo de motores usados no equipamento, pois
um sistema de malha aberta normalmente usa motores de passo, já que este tipo de motores garante
fiabilidade na transmissão de pulsos para movimento efetivo. Na malha fechada a variedade de motores
é maior, sendo os servomotores os mais usados [12].
3.4.3 Tipo de movimentos
Ponto-a-ponto
Neste tipo de movimento, a peça ou a ferramenta de corte move-se, através dos deslocamentos
dos diversos eixos, até uma posição desejada e somente aí, com os eixos estacionários, a ferramenta de
corte realiza a sua tarefa [15]. No final, peça ou a ferramenta deslocam-se para um ponto de operação
pré-definido. Devido à inexistência de movimento da ferramenta durante o movimento dos eixos, o seu
percurso e velocidade não precisam de ser monitorizados de forma apertada. Já a posição final da
ferramenta é de extrema importância, uma vez que é nessa altura que começa a rodar [13].
O controlo deste tipo de sistemas pode ser feito quer por malha aberta, quer por malha fechada.
No primeiro caso, como não é necessário o controlo da posição efetiva dos eixos, a velocidade
tem de ser reduzida à medida que chega à posição desejada, de forma a evitar erros e possíveis colisões.
Revelando-se de imediato uma desvantagem no que diz respeito ao tempo de produção da peça. Outro
aspeto é que a carga do eixo não pode ser elevada e tem de ser constante para a posição real ser a
desejada.
A imagem seguinte (Figura 3.6) mostra a interação entre os diferentes componentes num
sistema deste tipo, em que existe um contador para os incrementos, que provoca uma desaceleração
no controlador (neste caso representado pelo gerador de pulsos) que faz o motor baixar de velocidade à
medida que se aproxima do ponto desejado. O contador toma o valor de zero quando o eixo chega à
coordenada pedida. Um ponto importante a considerar é que o incremento/deslocação do motor é
gerado através de pulsos, cujo valor é o movimento mínimo que o motor consegue efetuar [16].
18
Figura 3.6 - Ciclo aberto em sistemas ponto-a-ponto [16]
Em malha fechada, a desaceleração no motor é provocada não por um contador mas sim pelo
retorno dado pelo codificador, que indica a posição efetiva do motor. Mesmo neste caso, o motor
desacelera ligeiramente antes de chegar à posição desejada. De seguida, segue uma imagem (Figura
3.7), com a mesma notação da anterior (fig. 3.4), de forma a poder comparar estes dois exemplos. [16]
Figura 3.7 – Ciclo fechado para sistemas ponto-a-ponto [16]
O movimento ponto-a-ponto é usado principalmente em máquinas de furar e soldadura por
pontos, já que a movimentação de eixos em simultâneo coma peça não é necessária.
19
Movimento de contorno
Neste caso a ferramenta de corte está em funcionamento ao mesmo tempo que os eixos se
deslocam. Este tipo de sistema necessita da constante monitorização da ferramenta em relação à peça
e os diferentes eixos têm de se movimentar a uma determinada velocidade para que o movimento seja
o desejado, linear ou em arco. O controlador tem de sincronizar o movimento dos vários motores, a
diferentes velocidades. As velocidades e posições são geradas continuamente ao longo da trajetória, por
interpolação matemática [15].
Contrariamente ao sistema ponto-a-ponto, este tipo de movimento requer o uso de um sistema
de malha fechada, já que devido aos vários movimentos em simultâneo dos eixos e da peça o controlador
necessita de saber todas as posições e velocidades atuais dos vários motores [16].
Como se pode constatar na Figura 3.8, existe um ciclo de velocidade, usualmente com um
tacómetro (sensor de velocidade) e um exterior de posição (este sistema é descrito de forma mais
aprofundada, no subcapítulo 3.4.1., aquando a explicação da teoria PID/PIV).
Figura 3.8 - Ciclo fechado para sistemas de contorno [16]
Existem vários tipos de interpolações, mas neste documento só serão abordados com pormenor os
dois principais, linear e circular.
1. Interpolação linear
Neste interpolador, o movimento entre dois pontos é feito em linha reta, dependendo da posição
atual e da desejada. O percurso é dividido em diferentes segmentos de forma a atingir a posição
desejada, tendo em conta o espaço de trabalho, como apresentado na Figura 3.9. O número de
segmentos é tanto maior quanto mais apertado for o nível de tolerância [17].
Quanto ao controlador, fornece comandos de velocidade (pulsos) a dois eixos simultaneamente e
ajusta o rácio entre esses comandos dependendo da trajetória [16].
20
Figura 3.9 – Representação de um círculo sob interpolação linear [18]
2. Interpolação circular
De forma simples, este interpolador não recorre a segmentos de retas para percorrer trajetórias em
arco, uma vez que o consegue executar diretamente. Necessita de saber as coordenadas do centro do
arco, o ponto inicial e final e o sentido (direto ou retrógrado) do arco a percorrer. [17]
O controlador recebe os parâmetros de velocidade como entradas e fornece aos motores os novos
valores de referência da velocidade, fazendo este sistema (ao contrário do que pode acontecer no linear)
de ciclo fechado.
Em comparação com a interpolação linear, em vez de retas, transforma o arco em polígonos, em
que o número de lados do polígono aumenta com o aumento da precisão desejada (descrito na Figura
3.10) [16].
Figura 3.10 - Representação de um círculo sob interpolação circular [16]
É fácil concluir que esta interpolação veio facilitar a programação de uma máquina CNC.
3. Outros tipos de interpolação
21
Por último, a interpolação elíptica, que recorre a dois eixos para criar um contorno e um terceiro
eixo linear para criação de roscas e a interpolação cubica e parabólica, que tem como objetivo gerar
superfícies de elevado grau de complexidade.
3.4.4 Tipos de programação
Outro parâmetro de diferenciação e classificação de sistemas de controlo, é o tipo de
programação usada, podendo ser incremental ou absoluta.
A programação incremental, como o nome sugere, é baseada em incrementos, ou seja, não usa
um ponto de referência global mas sim utiliza o ponto final da operação anterior como origem. Assim
qualquer movimento dos eixos, numa determinada operação, é efetuado a partir do fim da operação
anterior [19].
Contrariamente ao que acontece na programação absoluta, em que existe um ponto de referência
fixo na máquina, com o nome de “zero máquina”, cujas coordenadas são características de cada
máquina e podem ser alteradas pelo utilizador. As diferentes deslocações dos eixos acontecem a partir
deste ponto [19].
3.5 Estrutura e Funcionamento
Segundo diversos autores uma máquina-ferramenta pode ser reduzida a uma montagem complexa
de várias partes individuais, a saber [9]:
Unidade de energia;
Controlo da trajetória de movimento da peça e/ou da ferramenta;
Controlo da velocidade do movimento da peça e/ou da ferramenta;
Mecanismos de transmissão de movimento;
Uma estrutura global que garanta a relação entre a peça e a ferramenta;
Estes são os principais componentes de um CNC, sendo que existem diversos outros pontos
acessórios que não são focados aqui.
22
3.5.1 Componentes Eletrónicos
Neste ponto serão apresentados os componentes eletrónicos mais importantes existentes na
máquina. A sua descrição é feita do ponto de vista mecatrónico e não puramente eletrónico, para que
se perceba o seu funcionamento, integrado no dispositivo global.
Fonte de energia
As unidades de energia têm de garantir potência para o motor de corte, a árvore principal, para
os movimentos dos vários eixos de acionamento e para serviços acessórios. Os dispositivos que garantem
estas tarefas podem ser elétricos (motores de passo, motores AC ou motores DC) ou de fluidos
(hidráulicos ou pneumáticos).
Como se vai verificar ao longo do trabalho os aparelhos elétricos que serão estudados e
aplicados, necessitam de corrente DC. Por isto, irá ser abordado de forma sucinta a constituição de
fontes de alimentação elétricas DC.
Existem dois tipos de fontes de alimentação: linear ou comutada.
1 Fonte linear
Uma fonte linear é um dispositivo constituído por quatro componentes eletrónicos [20]:
Transformador de tensão; Circuito retificador; Filtro; Regulador de tensão;
O transformador é um dispositivo que transforma uma corrente alternada sinusoidal, com uma
determinada tensão, numa corrente alternada sinusoidal a uma tensão diferente. O seu funcionamento
baseia-se no princípio de indução eletromagnética e a sua utilização numa fonte de alimentação linear
tem o objetivo de adequar a tensão alternada da rede para a tensão desejada.
Quando se aplica corrente alternada a um enrolamento, dito primário, é produzido um campo
magnético proporcional ao número de espiras do fio em torno do núcleo de ferro e à intensidade da
corrente aplicada. O fluxo magnético provoca no enrolamento secundário uma tensão induzida
proporcional ao número de espiras deste enrolamento. A posição dos enrolamentos pode ser conferida
na Figura 3.11 [21].
23
Figura 3.11 – Representação do fluxo magnético no transformador [20]
O circuito retificador pode ter vários constituintes e não sendo este o foco principal deste
relatório, faz-se apenas uma breve explicação.
O circuito retificador permite que uma corrente alternada seja transformada em corrente
contínua ondulada, como exemplificado na Figura 3.12.
Este circuito pode ser constituído por vários componentes, mas aqui só será abordado um
exemplo de retificação por díodos.
Figura 3.12 – Utilização de díodos usados no processo de retificação [20]
Existem dois tipos de retificadores, os de meia-onda ou os de onda completa. Os de meia-onda
são circuitos constituídos por um díodo que trabalha somente com os semi-ciclos positivos da tensão de
entrada sinusoidal. Em alternativa, os retificadores de onda completa possuem mais que um díodo e
permitem produzir uma onda com valor eficaz superior que a anterior [20].
O terceiro componente é o filtro e tem a função de, ao ser colocado após o circuito retificador,
obter uma tensão mais constante, como mostra a Figura 3.13.
Figura 3.13 – Utilização de um filtro para obtenção de uma tensão [20]
24
Existem dois tipos de filtros usados em fontes lineares: o filtro capacitivo e o filtro LC.
O filtro capacitivo não é mais que um condensador ligado à saída do circuito retificador. O seu
funcionamento, de forma simples, baseia-se nas seguintes situações: quando a tensão de entrada é
superior à do condensador, este carrega e armazena a energia; quando a tensão do condensador
carregado é superior à de entrada, os díodos bloqueiam e a carga passa a ser alimentada pela energia
armazenada no condensador, fazendo com que este descarregue para a fase seguinte. Este processo
repete-se a cada ciclo da tensão de alimentação do retificador.
O filtro LC possui um indutor (bobina) antes do condensador para que este não seja tão
solicitado, resultando numa corrente mais próxima da contínua [20].
Finalmente o regulador recebe a corrente vinda do condensador e funciona de forma a tornar a
saída da fonte o mais linear possível, à tensão desejada (especificada na Figura 3.14), tendo também
como função proteger a saída de variações de corrente e de temperatura [20].
Figura 3.14 – Regulador de tensão [20]
Em forma de resumo, tem-se então uma tensão alternada, normalmente de 230V que é
convertida para o valor desejado por intermédio de um transformador e posteriormente, através dos
componentes eletrónicos, é transformada numa tensão constante.
2 Fonte comutada
Enquanto as fontes lineares regulam a tensão de saída através da utilização de semicondutores
de potência a operar na zona ativa, o que resulta em perdas energéticas consideráveis, as fontes
comutadas utilizam semicondutores de potência a comutar (ao corte e à saturação) para conseguir essa
regulação. A utilização dos semicondutores de potência ao corte e à saturação permite reduzir
consideravelmente as perdas, resultando numa maior eficiência.
25
As fontes comutadas foram desenvolvidas para responder à necessidade de fontes mais
eficientes, de menor tamanho e peso. A sua complexidade e preço exigem contudo que a sua escolha
tenha de ser ponderada. O recurso a um design simples e não cuidado pode resultar em problemas,
nomeadamente com o ruído elétrico [22].
Fornecimento do movimento
Os motores são responsáveis por fornecer o binário suficiente para deslocar a mesa que suporta
a peça (acionamento dos eixos) com a velocidade correspondente ao avanço de corte. A maior parte das
máquinas-ferramentas de controlo numérico usa motores elétricos, uma vez que estes além de
conseguirem fornecer a referida velocidade e binário, são os mais económicos para uma gama vasta de
aplicações.
A seleção dos motores e suas velocidades, em CNC, dependem do tipo de ferramenta e do
material da peça a cortar, bem como da velocidade desejada para a movimentação dos eixos. Existem
vários tipos de motores para esta função, sendo os principais [9]:
Motores elétricos;
Motores de fluidos;
Como a escolha, nos últimos 30 anos tem recaído para os motores elétricos, neste documento
só estes irão ser abordados.
Por definição motores elétricos são dispositivos que convertem energia elétrica em magnética e
finalmente, em energia mecânica. Mecanicamente consiste na interação do estator (parte fixa) e rotor
(parte móvel), que permite a produção de binário [23].
Existem diversos tipos de motores, como se representa na Figura 3.15, cuja classificação se
define, numa primeira instância, pelo tipo de energia do motor (AC ou DC) e depois pela sua constituição
e funcionamento.
26
Figura 3.15 - Tipos de motores elétricos [23]
O tipo de energia usada implica que o funcionamento dos motores e as suas características
difiram muito. Os motores DC, que apareceram primeiro, podem ser divididos em duas características
essenciais, com ou sem escovas.
Os primeiros implicam um custo inicial baixo, boa confiabilidade e um controlo simples e
eficiente. Contudo a presença das escovas limita o seu binário máximo, pela quantidade de calor que se
consegue remover do interior destas. Além disso, provocam perdas mecânicas resultantes do atrito
gerado nas escovas, tornando necessária uma manutenção mais dispendiosa. A substituição de escovas
por eletroímans permitiram um aumento da confiabilidade e, principalmente, uma maior duração do
período de vida útil, com menos manutenção e ruido [23].
1 Motores DC
Os tipos diferentes de motores com escovas diferem na sua constituição e, principalmente, como
os seus componentes interagem entre si. De seguida segue uma lista dos diferentes tipos de motores
DC (dependendo da forma como são excitados (alimentados)) e uma pequena descrição do seu
funcionamento/constituição [24]:
Excitação em paralelo: Neste motor, os enrolamentos do rotor e do estator estão conectados
em paralelo e a corrente é independente entre estes. Permitem uma boa regulação da
velocidade;
27
Excitação separada ou independente: O rotor e o estator têm, como o nome indica, um
fornecimento de energia separado, com diferentes fontes. São de fácil controlo e usados em
sistema de controlo de posição e velocidade;
Excitação em série: Rotor e estator conectado em série de forma a fornecer um elevado
binário;
Excitação composta: Considerado uma combinação entre o motor em série e o shunt motor,
agregando as suas vantagens num só. É constituído por um enrolamento no rotor e dois no
estator. Dos principais usos, destacam-se as prensas e tesouras;
Motores DC com escovas de Íman permanente – Neste caso, os enrolamentos no estator
são substituídos por ímanes permanentes. O seu funcionamento baseia-se na comutação
mecânica (mudança da corrente nos enrolamento num determinado tempo, de forma a produzir
vetores de binário contínuos para um rotação continua do eixo). São mais eficientes, compactos
e robusto, mas só existem para pequenas potências;
Motor universal – Podem ser AC ou DC, e sua construção é do género dos motores em serie.
Permitem uma velocidade alta e com um binário de inical alto;
2 Motores AC
Os motores AC, através da eliminação das escovas e dos anéis comutadores, fizeram com que
este tipo de motor seja o mais usado industrialmente, uma vez que a relação preço/desempenho é muito
boa. As principais desvantagens incluem a complexidade do seu controlo e relativo elevado custo [23].
Antes de apresentar as diferentes classificações dos motores AC, é necessário explicar o funcionamento
de um motor de indução (IM) e de um motor de ímanes permanentes (PMM).
Esta diferença é feita no método de geração do campo magnético no rotor, em que nos motores
PM o campo magnético é produzido diretamente e nos IM através do efeito de indução nos enrolamentos.
[23]
Mais especificamente, os motores de indução, a corrente AC é fornecida diretamente aos
enrolamentos para criar o campo magnético, cujo sentido determina o sentido de rotação do motor.
Neste tipo de motores (Figura 3.16), a constituição mais encontrada é a denominada de gaiola de esquilo
(“squirrel cage”), o rotor é um conjunto de barras paralelas condutoras (alumínio/cobre) paralelas ao
eixo de rotação [24].
28
Figura 3.16 - Representação de um a)rotor e uma b) gaiola (squirel cage) [23]
Nos PMM, o campo magnético é gerado por ímanes permanentes no rotor. Ao eliminar os
enrolamentos, este tipo de motor tem (comparativamente com os de indução) uma redução na inércia e
nas quebras de potência, aumentando a confiabilidade e a resposta. Além disso, como toda a corrente
é usada para a produção de binário, a eficiência aumenta. A seguinte imagem (Figura 3.17) mostra a
constituição de um motor PMM aplicado a um sistema servo [23].
Figura 3.17 - Representação de um PMM num sistema servo (servomotor) [23]
A figura seguinte (Figura 3.18), compara os motores PM AC ou DC que é semelhante aos
motores AC ou DC, com as respetivas vantagens e desvantagens.
Figura 3.18 – Representação de um servomotor a) PMM AC e b) PMM DC [8]
Dentro dos motores AC, existem diversas classificações possíveis, como se pode ver na Figura
3.15.
29
A primeira é se o motor funciona com uma ou três fases. A principal diferença e fator
condicionante é que nos motores com uma fase o sistema não consegue começar o seu funcionamento
independentemente, necessitando ajuda exterior (o mesmo para definir o sentido de rotação). Os mais
comuns são os motores a três fases (motores trifásicos), já que esta é a forma de energia AC mais
eficiente. Neste caso, os motores tem três circuitos condutores com a mesma frequência e amplitude
mas diferentes fases (120º). No motor em si, existem três enrolamentos (separados pelos 120º) por polo
no estator, de forma produzir o campo magnético. Conseguem-se obter varias vantagens (nos motores
de três fases) como a menor vibração e maior duração, bem como maior eficiência [23].
Outra classificação é se o motor é síncrono ou assíncrono. Um motor síncrono é um motor cuja
velocidade de funcionamento é igual à velocidade do campo magnético, caso dos PMM, enquanto um
motor assíncrono tem uma diferença entre a velocidade do campo e a velocidade do rotor, por exemplo
os IM.
3 Servomotores
Sendo este tipo de motor o mais usado numa máquina CNC, quer nos vários eixos, quer na
árvore, faz sentido explicar o seu funcionamento e a sua relação com a unidade de controlo da máquina
de uma forma mais aprofundada.
Um servomotor não é mais que um motor (DC ou AC) a que foi adicionado um sistema que
permita a determinação e retorno dos seus parâmetros de funcionamento. É este processo de controlo
que permite que estes motores sejam amplamente usados já que tanto a sua velocidade, como a posição
e o binário têm de ser controlados e monitorizados de forma mais apertada, daqui decorrendo que este
mecanismo funcione em malha fechada. Estes motores podem ser de PM, quer AC ou DC, ou mesmo
de indução.
Codificador
Os sistemas de retorno são maioritariamente codificadores que permitem ao controlador
comparar a posição medida com a posição desejada (comando enviado). Se esta posição for diferente é
gerado um sinal de erro e o controlador fornece um novo comando.
Um codificador é um sistema que permite, através da transformação do movimento de rotação
num conjunto de impulsos elétricos por sensores óticos, determinar o valor do deslocamento do
movimento do motor. O incremental (por oposição ao absoluto) gera um número de pulsos por cada
30
revolução, que por si só não tem valor mas depois de tratados eletronicamente refletem um valor
numérico do deslocamento.
Outra forma de caracterizar um codificador é através da sua forma, que pode ser rotativo ou
linear. O linear controla a posição real do dispositivo a medir, ou seja terá de ter o tamanho real de
trabalho, enquanto o rotativo é aplicado num qualquer eixo, permitindo medir posições angulares. O
rotativo baseia-se num disco solidário com o veio do motor e reflete a sua posição radial [25].
Na imagem (Figura 3.19) está representado um codificador ótico rotativo e é constituído por
quatro componentes base: a fonte de luz (normalmente um LED), dois discos (vidro transparente com
uma grelha construída, usualmente, através da deposição de crómio), o detetor de luz (podendo ser um
foto díodo e um foto transístor ou um LDR) [26].
Figura 3.19 – Representação dos componentes de um codificador rotativo [26]
O seu funcionamento tem como fundamento o efeito fotelétrico, no qual se baseia no uso de
uma luz projetada numa grelha (disco solidário com o veio do motor com o disco fixo) originando
superfícies claras e escuras. Os foto díodos são excitados e a variação da intensidade da luz é convertida
em sinais de onda quadrada que são enviadas para o controlador. Em vez de um disco fixo é usado, em
alguns codificadores, um elemento fixo (máscara) imediatamente a seguir ao LED (como se pode ver na
Figura 3.20) [27].
31
Figura 3.20 – Representação de os constituintes básicos de um codificador [27]
Além de serem de simples construção, logo de baixo custo, a sua instalação e fácil
manuseamento fazem deles o codificador mais usado no que diz respeito a máquinas ferramentas. Por
isto, será abordado de forma mais exaustiva que os restantes.
1 Codificador incremental
No disco rotativo existem pontos de referência, conhecidos para o codificador, de forma a
calcular o deslocamento existente, ou seja se uma mudança de posição é percebida pelo dispositivo de
leitura (com duas ranhuras, A e B), um incremento na posição resultará num pulso de saída. Os sinais
fornecidos pelo codificador estão sempre desfasados 90º devido à mecânica do posicionamento dos
dispositivos de leitura e do posicionamento dos elementos moveis (disco). Estes sinais serão
posteriormente tratados para os transformar em pulsos de onda quadrada [28].
Posteriormente é enviado um sinal complementar (Z ou R) chamado Índice que fornece o sinal
zero ao controlador. Alguns codificadores enviam um sinal complementar por cada sinal original, de
forma a reduzir o possível ruido Na imagem seguinte (Figura 3.21) estão representados os diferentes
sinais [27].
Figura 3.21 – Representação de os sinais de saída de um codificador incremental [26]
Apesar de ser o tipo de codificador mais usado na aplicação em causa, é possível detetar alguns
problemas ou desvantagens neste dispositivo, um deles é na ocorrência de uma falha na alimentação
32
elétrica, já que o codificador perde a sua contagem, tendo de existir uma rotina na máquina para colocar
o dispositivo na posição desejada [26].
O outro é a impossibilidade de determinar o sentido do movimento independentemente. Este
problema é resolvido internamente através de um circuito constituído por um clock que regista a variação
por cada ciclo de quadratura ou, exteriormente através de um medidor de velocidade [25].
2 Codificador absoluto
A única diferença física neste tipo de codificador é o disco que está solidário ao veio. Enquanto
no incremental existe uma grelha continua e uniforme ao longo do disco, neste caso o disco é constituído
por áreas transparentes e opacas (Figura 3.22). Estas áreas diferem com o código utilizado (binário
direto, escala de cinzentos, V-scan) [27].
Figura 3.22 – Representação de um codificador absoluto e seu disco [27]
As saídas são diferentes, já que resultaram num sinal binário em que o 1 acontece quando a luz
passa e o 0 quando a luz não passa. Devido às várias “pistas” com as respetivas áreas opacas e
transparentes, o sinal final traduz-se num código binário com alguns bits. O número de bits corresponde,
na maioria das vezes, no número de pistas com um foto sensor para cada uma [27].
Este funcionamento está descrita na Figura 3.23, em que se pode ver o retratado anteriormente,
com as diferentes grelhas a resultar num determinado código binário.
Figura 3.23 – Representação de um disco de um codificador absoluto [26]
33
Taquímetro
Outro parâmetro a controlar aquando a utilização de motores é a sua velocidade, sendo este,
como já referido anteriormente, um aspeto fulcral para o correto funcionamento do processo.
A forma mais usual e a que se tem revelado mais eficiente é o uso do taquímetro, apesar de que
através de um codificador também ser possível medir a velocidade. Quase todos os medidores de
velocidade, quer lineares, quer rotacionais (caso do taquímetro) baseiam-se no princípio de que o
movimento de uma bobina (ou íman) em relação a um íman (ou bobina) estacionária irá induzir uma
tensão proporcional à velocidade da bobina (ou íman). Esta tensão será posteriormente analisada e
fornecida ao controlador, de forma a saber a velocidade em questão [28].
De forma genérica, a equação 3.1 é utilizada:
Vt(s)
ω(s)= Tg × Hg
3.1
Em que V é a tensão de saída do taquímetro, ω a velocidade angular, H uma constante do
taquímetro, T o ganho ajustável do taquímetro e s o operador de Laplace [15].
A forma como esta tensão é criada dita o tipo de taquímetro. Um taquímetro de corrente contínua
tem a mesma constituição que um gerador DC, podendo ser de íman permanente ou não. A tensão
produzida é proporcional à velocidade e o sentido é determinado pela sua polaridade [26].
Um taquímetro de corrente alternada é constituído da mesma forma que um gerador AC como
um motor simples de duas fases. Neste caso a tensão de saída tem a frequência proporcional à
velocidade de rotação que é medida na fase não excitada. O sentido varia com a fase da tensão de saída,
que varia 180º com a mudança de sentido. Assim é necessário medir não só a tensão de saída, mas
como a sua fase [25].
Outros tipos de taquímetros incluem o drag-binário (ou drag cup) cujo funcionamento se baseia
na utilização de um íman permanente a rodar dentro de um cilindro (parecido com um copo). Assim é
produzido binário que provem das correntes no copo. Este binário provoca por sua vez deformação em
molas acopladas à estrutura que são medidas é proporcionais à velocidade de rotação. [26]
34
Figura 3.24 – Representação dos diferentes tacómetros: a) DC; b) AC, c) drag-cup [26]
Na Figura 3.24 pode-se constatar as diferenças na constituição física de cada tipo de
taquímetro.
A escolha, usualmente, baseia-se em fatores económicos e de precisão. Os taquímetros DC
revelam-se simples e baratos mas com uma exatidão à volta de 1%, enquanto os taquímetros AC têm
uma exatidão compreendida entre 0.25% e 0.05%, dependendo da sua estrutura. Quando aos drag-
binário, a sua exatidão é de 5%, o que os exclui de equipamentos como as máquinas CNC [26].
Sensores
A possibilidade de ocorrência de perda da posição dos eixos (acentuada pelo uso de
codificadores incremental) implica que seja necessário utilizar um sistema que permita fornecer ao
controlador pontos de referência, sendo o uso de sensores de proximidade o sistema mais eficiente.
Usualmente estes sensores são importantes em casos de paragem de emergência, de forma a evitar o
choque com a estrutura da máquina-ferramenta, e quando a máquina precisa de efetuar ciclos de
referenciação.
Existem dois tipos de sensores que os fabricantes de CNC costumam recorrer: os indutivos e os
capacitivos.
Os sensores indutivos, como o nome indica, baseiam-se numa comunicação eletromagnética,
mais concretamente o princípio indutivo. Em que uma bobina é acionada na presença de um metal com
propriedades magnéticas [29].
Quanto ao sensor em si este tem a seguinte constituição:
Oscilador;
35
Conversor de sinal;
Circuito de saida;
O oscilador cria um campo magnético, que quando objetos metalicos condutores são detetados
provoca mudança na amplitude das oscilações. Ao mudar o estado gera um sinal para o controlador,
como retratado na Figura 3.25 [30].
Figura 3.25 – Representação da perturbação do campo magnético [30]
Na maioria dos casos estes sensores são normalmente abertos (NO) e sua tensão de
funcionamento pode ser AC ou DC, variando entre 5-30 V e 20-250 V, respetivamente [29].
As vantagens destes sensores incluem não contacto com o objeto, a facilidade e rapidez em
mudar de estado, podendo atingir um número de mudanças de estado aproximadamente de 20
milhões/s. E finalmente o facto de não se deixar influenciar pelo ambiente, já que somente objetos com
qualidades magneticas é que são detetados [30].
Quanto aos capacitivos, o design é semelhante aos indutivos, mas neste caso o campo elétrico
é medido e avaliado, ou seja, quase todos os materiais o podem influenciar. Daqui se retiram vatangens
(funciona com muitos materiais), e desvatagens (está sujeito a fatores ambientais), pelo que a sua
utilziação e instalação têm de ser planeadas e mais cuidadas [30].
36
Controladores de potência
Qualquer motor elétrico necessita de um dispositivo adicional para poder ser controlado de forma
eficiente. É, normalmente, definida pela sua capacidade de converter, eficientemente, energia de uma
fonte para uma carga mecânica [31].
Gopal define alguns pontos que um controlador de potência2 elétrico tem de efetuar [24]:
Modular o fluxo de potência entre a fonte e o motor para que este tenha a sua velocidade-binário
para a carga existente;
Restringir a fonte em situações de transição (início, travagem e mudança de velocidade);
Converter a energia elétrica da fonte para a usada no motor (AC para DC, etc.);
Selecionar o modo de operação do motor;
Dependendo das funções acima referidas, o controlador de potência tem um design diferente e
consequentemente um funcionamento diferente.
O mesmo autor classifica este dispositivo pelos seus componentes, através da seguinte forma:
Conversores – Quando a fonte não é do mesmo tipo de corrente e/ou os seus parâmetros são
diferentes dos do motor. Pode também efetuar as outras funções;
Impedâncias variáveis – Neste caso os controladores de potência têm a função específica de
ajudar no controlo de situações transitórias;
Comutação de circuitos – Necessárias para efetuar algumas funções importantes como:
mudar as conexões do motor para a sua forma de operação; mudar parâmetros dos circuitos de
motores para arranque e travagem automática; operação de motores numa determinada
sequência; desligar o motor em situações de emergência;
Como já foi referido, um controlador de potência elétrico tem de fornecer corrente ao motor de
forma a este produzir movimento, em que o controlo da corrente é um ponto fulcral para a sua aplicação
em ciclos fechados [32].
Além disso, pode se destacar algumas funções que este dispositivo exerce num clico fechado
[24]:
Proteção;
2 Controlador de potência ou “drive” (em Inglês) – ao longo do documento é utilizada a nomenclatura portuguesa
37
Melhoria da velocidade de resposta do motor;
Melhoria da precisão no estado estável;
Com o objetivo de proteger o sistema de aumentos de corrente acima do limite máximo definido,
é aplicado um controlo da corrente, cuja função será limitar a corrente do conversor e do motor,
principalmente em operações transitórias. Este ciclo de controlo é constituído por um ciclo de
realimentação3 da corrente com um circuito lógico de limitação (Figura 3.26), que só é ativado quando
a corrente excede o valor máximo [24].
Figura 3.26 – Diagrama de blocos do ciclo fechado de corrente [24]
Também é usado um ciclo fechado de corrente como parte integral de um sistema,
nomeadamente de binário. Este ciclo compara o comando inicial de binário (corrente) com o valor da
realimentação, resultando ou não em um ajuste da tensão no controlador de potência, de forma a
minimizar o erro. Este processo está ilustrado no esquema seguinte (Figura 3.27) [32].
Figura 3.27 – Representação do ciclo fechado de corrente [32]
3 Realimentação ou feedback (em Inglês) – ao longo do documento é utilizada a nomenclatura portuguesa
38
Servo sistema
Um servo mecanismo não está associado a um componente mas sim a um sistema que tem de
efetuar uma certa função, com a ajuda de diversos componentes (controlador, fonte de energia,
servomotor, dispositivos de realimentação) e teorias/técnicas que o controlador processa (PWM,
PID/PIV, etc.) [33].
No esquema seguinte (Figura 3.28), pode-se ver o hardware necessário, e sua interação, que
permite o controlo dos diversos motores e consequentemente do movimento dos eixos.
Figura 3.28 – Representação da interação entre diferentes componentes de um sistema servo
As técnicas usadas para controlar um servomotor incluem o PWM e o PFM, por isso é pertinente
explicar estes processos com alguma profundidade.
PWM (Pulse-Width Modulation)
A modulação de largura de pulso é usada para codificar uma mensagem/comando num sinal
periódico, sendo considerada um tipo de modulação. A sua principal função é o controlo da potência
fornecida a dispositivos elétricos, nomeadamente motores.
No PWM, o ciclo de carga (duty cycle), refere-se à proporção de tempo que o interruptor está
ligado em relação ao tempo geral. Um duty cycle pequeno corresponde à transmissão de baixa potência,
já que o interruptor está maioritariamente desligado. É expresso em percentagem, em que 100% significa
que está sempre ligado. Pode se ver na figura Figura 3.29 três duty cycles diferentes (10%, 50%, 90%,
respetivamente) [34].
39
Figura 3.29 - Representação de diferentes ciclos de carga [34]
O PWM permite controlar um motor porque assim se consegue o controlo da onda através da
variação da amplitude do pulso, fornecendo corrente a um motor com o mínimo de distorção [35].
Mais especificamente, a potência será regulada pela referida variação da amplitude do pulso,
aplicando pulsos curtos e discretos (se necessário). A largura da amplitude (o ciclo de carga) varia a
potência transmitida para o motor e consequentemente a sua velocidade, em que um ciclo de carga
maior corresponde a uma maior velocidade [33].
A principal vantagem no uso desta técnica é, segundo vários autores, a pouco desperdício de
energia, já que que quando o interruptor está aberto não passa corrente, e quando está ligado passa a
totalidade. Permite assim uma melhor transmissão de energia e consequentemente uma melhor
aplicação do binário disponível.
PFM (Pulse-Frequence Modulation)
Esta técnica segue os mesmos padrões do PWM mas, como o nome indica, é a frequência do
pulso e não a amplitude, que varia. Sendo esta que irá ditar a potência média transmitida ao motor.
Basicamente a potência varia com a frequência dos pulsos, em que a velocidade do motor aumenta com
um maior número de pulsos e diminui com um número menor de pulsos [33].
Relação com o controlador
A forma como o controlador envia o sinal para o controlador de potência pode ser feita de
diversas maneiras. A escolha entre estes varia com o tipo de relação entre o controlador de potência e o
controlador, mais especificamente na forma como a malha é fechada.
40
Na maioria dos casos o controlador é que recebe o realimentação do motor e usa-os de forma a
produzir os comandos de velocidade e binário. Outra forma é usar o controlador somente para produzir
o sinal alvo (posição) e o controlador de potência faz o controlo do motor internamente. Para isto a
realimentação é fornecida ao controlador de potência que necessita de ter um controlador interno e
independente, de forma a fechar a malha.
Um aspeto importante e que irá ser fundamental no decorrer do projeto é uso do sinal step/dir,
que é basicamente um conjunto de dois pulsos que representam o número de passos que o motor tem
de executar e o seu sentido (corresponde à polaridade do pulso). Este sinal é usado quando se tem de
controlar a posição do motor, independentemente da velocidade.
Assumindo uma configuração do sistema de controlo e do controlador de potência perfeita, o
servomotor roda a uma velocidade que muito se aproxima do sinal de velocidade recebido por este último
e atingirá a posição desejada. Esta configuração/parametrização é feita com base em diferentes
teorias/conceitos que serão descritos de seguida.
Afinação
Afinação4 é o processo de configurar/parametrizar o controlador de potência de forma a
melhorar a performance de um servomotor, através da atribuição de diferentes variáveis que seguem
determinadas teorias na área do controlo de sistemas.
O principal objetivo nestes sistemas tem como base dois aspetos fundamentais: melhorar as
respostas transitórias que o sistema está sujeito e reduzir os erros em regime permanente. Objetivos,
que estão relacionados com a própria função do controlador de potência como descrito anteriormente.
Melhorar a resposta transitória significa aumentar a largura de banda do sistema, que é a medida
pela qual se avalia o quão rápido o controlador/motor/máquina responde a um comando efetuado.
Consequentemente, uma melhoria na resposta do sistema faz com que a configuração seja mais rápida
e em última instancia, melhora o rendimento da máquina [32].
A redução dos erros no regime permanente do sistema corresponde a um melhoramento na
precisão do sistema servo e, finalmente, reduzir a sensibilidade dos parâmetros de carga significa que o
4 Afinação ou tunning – Ao longo deste documento assumiu-se a nomenclatura portuguesa
41
sistema consegue tolerar as flutuações de valores de entrada e/ou saída (por exemplo: tensão de
fornecimento e alterações inesperadas no valor de binário no eixo) [36].
Existem dois tipos de soluções para problemas no controlo de servomotores. O primeiro lida com
o acompanhamento dos comandos efetuados, ou seja aborda o quão bem a rotação real segue o que foi
comandado (seja posição, velocidade e/ou aceleração). Este tipo de controlo é referido normalmente
como Feedforward control. Pode ser visto como a previsão de quais os comandos internos necessários
para que as ordens sejam seguidas sem qualquer erro, assumindo naturalmente que o modelo do motor
e da carga estejam suficientemente precisos [36].
Num nível mais teórico, o sistema é considerado linear contendo duas entradas (a variável de
controlo u e perturbação v) e uma saída (y), cujas funções de transferência das entradas para a saída
são, respetivamente, 𝐺𝑢 e 𝐺𝑣. Processo que é descrito na equação 3.2 [37]:
𝑌(𝑠) = 𝐺𝑢(𝑠)𝑈(𝑠) + 𝐺𝑣(𝑠)𝑉(𝑠) 3.2
De seguida está representado um esquema (Figura 3.30) com o diagrama de blocos de um
sistema Feedforward control de uma perturbação medida.
Figura 3.30 – Diagrama de blocos de um sistema FeedForward [37]
Finalmente, é importante referir que a afinação deste sistema é complicado pois nem sempre
se pode mudar as perturbações para se saber qual é a resposta do sistema, sendo necessário esperar
que estas acontecem, o que resulta num processo muito demorado [37].
O outro tipo aborda a “rejeições das perturbações características do sistema”, ou seja, qualquer
perturbação do sistema, desde oscilações do valor do binário no eixo do motor até às estimativas dos
parâmetros do motor usado no feedforward control. Assim chega-se às teorias mencionadas
anteriormente: o PID (ciclo Proporcional Integral Derivativo) e o PIV (ciclo Proporcional Integral derivativo
de Velocidade). Estas serão as soluções para combater este segundo problema, uma vez que, ao
42
contrário do feedforward control (que prevê comandos internos para obter o erro de saida zero), reage
às perturbações desconhecidas. É importante referir que um sistema completo de controlo de
servomotores tem de combinar ambos os tipos, de forma a conseguir um melhor desempenho [36].
PID
O sistema PID é amplamente usado na indústria atual, sendo uma das teorias de controlos com
maior área de aplicação industrial, em que cerca de 95% dos ciclos de controlo são ciclos PID [37].
Existe uma série de conceitos/teorias que têm de ser dominados (que não serão abordados
neste documento) para se poder compreender estes tipos de controladores, que vão desde a
compreensão de sistemas de controlo e sua modelação matemática, até às funções de transferência e
diagrama de blocos.
Antes de entrar no desenvolvimento da teoria é importante definir dois tipos de controlo (baseados no
principio de realimentação) [37]:
1 Controlo “On/Off”: É o mecanismo mais simples, em que somente uma variável é
manipulada e não tem parâmetros para escolher. A formulação matemática está expressa na
equação 3.3:
𝑢 = {𝑢𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑒 𝑒 > 0𝑢𝑚𝑖𝑛 𝑠𝑒 𝑒 < 0
3.3
em que e representa o erro. Como se pode verificar, neste tipo, a variável do processo mantem-
se próxima do ponto pré definido.
2 Controlo proporcional: O sistema On-Off pode provocar oscilações, devido ao facto de que
uma pequena mudança no erro (e) faz com que a variável manipulada (u) mude o seu estado
(overrreacted). Este efeito pode ser evitado através deste tipo de controlo, já que a característica
do controlador é proporcional ao erro, para erros pequenos.
Na Figura 3.31 está representado as variáveis deste controlo e a sua relação, em que a inclinação
da característica é o ganho (K) e o alcance, quando esta é linear, é 𝑃𝑏.
43
Figura 3.31 - Relação entre o ganho K e a banda [37]
A equação que traduz a relação é definida por (equação 3.4):
𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 = 𝐾𝑃𝑏, 3.4
em que 𝑢𝑚𝑎𝑥 − 𝑢𝑚𝑖𝑛 = 100%, resultando na equação 3.5:
𝐾 =
100
𝑃𝑏
3.5
O controlo proporcional serve como ponto de partida para a teoria PID que é caracterizada como
a soma de três ações ajustáveis: proporcional (P), integral (I) e derivativa (D). A sua relação é descrita
através das seguintes equações e representado pelo diagrama de blocos na Figura 3.32 [38].
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝐷𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡,
3.6
Ou
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃 [𝑒(𝑡) +
1
𝑇𝐼∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝑇𝐷
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡],
3.7
em que,
𝐾𝑃 × 𝑇𝑋 = 𝐾𝑋 3.8
Cuja função de transferência é representada por [38]:
44
𝐶(𝑠) = 𝐾𝑃 [1 +
1
𝑠𝑇𝐼+ 𝑠𝑇𝐷]
3.9
Figura 3.32 – Diagrama de blocos de um controlador PID [38]
O termo proporcional no controlo PID funciona da forma descrita anteriormente. A sua análise
estatística permite retirar diversas conclusões. Assumindo um sistema fechado representado de seguida
(Figura 3.33):
Figura 3.33 – Representação de controlador PID em malha fechada [38]
Pode se retirar as seguintes equações do diagrama de blocos [37]:
𝑥 = 𝐾𝑃(𝑢 + 𝑙), 3.10
em que x é a variável de processo, u é a variável de controlo, l é perturbação provocada pela carga e 𝐾𝑃
é o ganho proporcional. Com:
𝑦 = 𝑥 + 𝑛, 3.11
𝑥 = 𝐾𝑃(𝑢 + 𝑙), 3.12
𝑢 = 𝐾(𝑦𝑠𝑝 − 𝑦) + 𝑢𝑏, 3.13
45
, n é o ruido na medição e 𝑦𝑠𝑝 é set-point. O resultado de uma simulação deste tipo de controlo é
apresentado na Figura 3.34:
Figura 3.34 – Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set-point; b) de saída u) com variação do termo proporcional [37]
A figura mostra o comportamento do sinal de saída após uma alteração no sistema, no ponto de
referência. A principal conclusão a ser retirada é: aumento do ganho provoca a diminuição do erro no
regime permanente mas a resposta fica mais oscilatória. Pode ainda verificar-se que um efeito indesejado
mas incontornável é o aparecimento do offset (o valor de saída do processo nunca chega ao ponto de
referência definido) [37].
Quanto a ação integral, esta atua sobre o erro e sua duração, e o seu sinal de saída é descrito pela
equação 3.14:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡
𝑡
0
3.14
Este termo, quando adicionado ao termo proporcional, reduz o erro residual do regime
permanente que ocorre quando existe somente a ação proporcional, uma vez que, por muito pequeno
que o erro seja, o sinal do controlador irá atuar. O seu objetivo principal, portanto, será garantir que a
saída coincide com o ponto de referência em regime permanente (diminuição do offset).
A mesma simulação foi feita com um sistema PI (proporcional-integral) e o resultado está
representado de seguida (Figura 3.35) [37]:
46
Figura 3.35 - Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set-point; b) de saída u) com variação do termo integral [37]
Pode-se constatar (sempre para um 𝐾𝑃=1) que o aumento do tempo de integração reduz a
oscilação do sistema mas o tempo de aproximação é menor. Um tempo de integração infinito
corresponde a um controlo puramente proporcional [37].
Finalmente, o termo derivativo tem como principal função melhorar a estabilidade do sistema
fechado, cuja ação é descrita pela equação 3.15:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝐷𝑑
𝑑𝑡𝑒(𝑡),
3.15
em que o termo derivativo é proporcional à derivada no tempo do erro, que funciona como uma previsão
de um erro futuro. Outro aspeto importante é que este termo abranda a taxa de aproximação do
controlador ao ponto de referência, algo fulcral quando a saída está próxima desse ponto.
Na Figura 3.36 é representado o comportamento da variável de controlo com diferentes termos
derivativo (𝑇𝐷), para um 𝐾𝐷 = 3 e 𝑇𝐼 = 2. Assumindo 𝑇𝐷 = 0, o sistema fica puramente PI, mas com
o seu aumento o sistema fica menos oscilatório (se o aumento for demasiado grande a oscilação acaba
por aumentar).
Figura 3.36 - Comportamento do sinal (a) de processo y sobre o set-point; b) de saída u) com variação do termo derivativo [37]
47
Após definir a teoria PID, é importante relacioná-la com um sistema servo (o mais usado em
maquinas CNC) e verificar como as diferentes variáveis se integram num sistema real.
No esquema seguinte (Figura 3.37) está representado um controlador PID integrado num
sistema servo [36]:
Figura 3.37 – Representação de um controlador PID aplicado a um sistema servo [36]
Como se pode verificar este sistema é de malha fechada e o controlador de potência servo está
modelada como uma função linear G(s). As principais variáveis representadas são Kp, Ki e Kd, relativas
aos diferentes ganhos, e as diferentes variáveis associadas ao funcionamento do motor (inercia fixa J,
amortecimento viscoso, b e a constante de binário, 𝐾𝑡). O valor da posição atual do motor, θ (s), é
obtido por um dispositivo de posição acoplado ao motor (por ex. codificador) [36].
Em torno do bloco do motor e do controlador de potência servo, está colocado o controlador de
forma a fechar a malha da posição. Este sistema contem um controlador PID e um gerador de trajetória,
este último fornece ao sistema o comando do ponto de referência θ *(s). O controlador PID atua sobre
o erro, entre a posição obtida no codificador e a do comando original, e fornece um valor de binário
estimado através da constante de binário do motor, de forma a corrigir este erro. Se esta constante não
for conhecida, os ganhos PID recalculam-na [36].
PIV
Outra forma de fazer a parametrização de um controlador de potência servo e resolver a
problemática da previsão da resposta do sistema é usando uma modificação da teoria PID, o PIV. Como
o nome indica, a diferença para o PID é que este aborda além do ciclo da posição, o ciclo da velocidade.
Ou seja, basicamente consiste num ciclo interno de velocidade e um externo de posição.
48
O controlador PIV combina os dois ciclos, em que o comando de correção da velocidade resulta
do erro de posição multiplicado pelo ganho Kp. O termo Ki opera agora, diretamente no erro da
velocidade, em vez de no erro de posição como no PID e finalmente, o termo 𝐾𝐷, é substituído pelo 𝐾𝑉
[36].
Figura 3.38 - Representação de um controlador PIV aplicado a um sistema servo [36]
Como se pode verificar a sistema (Figura 3.38) é muito semelhante ao PID, em que a malha é
novamente fechada pelo controlador.
É necessário, neste caso, saber a velocidade do motor que é representado como simulador de
velocidade. Na prática este componente é, por exemplo, um tacómetro.
Afinação do PID/PIV
Existem duas formas diferentes para selecionar os vários ganhos, tanto para o PID como para o
PIV. O utilizador pode faze-lo através de tentativa erro ou através de um conjunto de equações que obtêm
os valores dos vários ganhos.
Como é de prever o uso de tentativa erro depende fortemente da experiencia do utilizador com
sistemas de servo, o que resulta na não compreensão do significado dos ganhos, nem uma forma de
saber se realmente os valores escolhidos são os mais adequados.
No caso do PID, de forma muito sucinta, a forma analítica foi proposta por Ziegler e Nichols baseado
na sua experiencia industrial de muitos anos e pode ser decomposta em dois passos [38]:
1. Definir os termos integrais e derivativos a zero e usar somente o termo proporcional. Efetuar um
comando. Aumentar o valor de Kd ligeiramente até que a posição comece a oscilar. Registar os
valores de Kp e iguala-lo a 𝐾0.
49
2. Usar o PID com os valores finais dos ganhos de:
a. 𝐾𝑝 = 0.6𝐾0, 𝑁𝑚/𝑟𝑎𝑑 3.16
𝑏. 𝐾𝑖 = 0.5𝐾𝑝, 𝑁𝑚/(𝑟𝑎𝑑. s) 3.17
𝑐. 𝐾𝑑 =
𝐾𝑝
8𝑓0, 𝑁𝑚/(𝑟𝑎𝑑. s) 3.18
No PIV controlam-se apenas dois parâmetros, a largura de banda (BW) e o rácio de
amortecimento (É necessário saber, antes de iniciar o processo, o valor da inercia total do motor (J)
e o amortecimento (b). [36]
3.5.2 Sistema de Controlo
Em termos genéricos o sistema de controlo de um CNC é constituído por três partes diferentes:
1. IHM (Interface Homem-máquina); 2. NCK (Núcleo do comando numérico); 3. PLC (Controlador Lógico Programável);
1 IHM (Interface Homem-máquina)
Como o nome sugere a IHM tem como principal função fornecer a comunicação entre o utilizador
e a máquina-ferramenta, sob forma de uma interface. As suas funções específicas estão classificadas
em cinco grupos distintos [8]:
Funções de operação - Dispõe ao utilizador informações sobre a operação da máquina como
velocidades, distâncias e posições, bem como funções para a ajudar nas operações (movimento
manual);
Definição de parâmetros – Parâmetros para configuração da máquina (fronteiras de segurança,
espaço de trabalho, etc.); personalização de parâmetros para adaptar a máquina ao utilizador;
Edição de programa – Funções para editar e modificar o programa atual ou futuro (baseado em
código G). No passado o utilizador necessitava alterar diretamente no código G mas os recentes
desenvolvimentos permitiram que alteração se baseie numa interface mais intuitiva e eficiente;
50
Monitorização e funções de emergência/alarme – Permite que o utilizador verifique o estado do
processo (diagrama de ladder, estado do PLC) e também verificar possíveis problemas ou
acionamentos de funções de alarme;
Funções de serviço/utilidade – Comunicação com o exterior e transmissão de informação e
programas;
2 NCK (Núcleo de controlo numérico)
Muitas vezes chamado processador, o NCK é considerado o núcleo do sistema CNC. Interpreta
o programa e executa a interpolação e o controlo da posição e do sistema servo, permitindo a
maquinação da peça em questão.
Partilhando o trabalho com o PLC durante a fase do controlo, a sua função pode ser decomposta
em quatro pontos fundamentais [8]:
Interpretação do programa gerado e guarda a informação em memória interna para posterior
uso. Normalmente, e se o tempo de interpretação for menor que o de execução, esta tarefa é
feita em paralelo com a execução do comando;
Realização da interpolação de forma a calcular a posição e a velocidade de cada eixo para o seu
movimento;
Controlo da aceleração/desaceleração dos eixos para prevenir choques e vibrações indesejadas;
Controlo do ciclo de posição no qual se insere o controlador PID;
3 PLC (Controlador Lógico Programável)
Finalmente, o PLC é usado para executar, de forma sequencial, as operações logicas como
contadores, temporizadores e operações aritméticas [8].
Tem a função de gerir o módulo I/O, que efetua a comunicação com os sensores fim de curso,
relés, etc. Controla também, todas as funções da máquina, com exceção ao sistema servo, como a troca
de ferramenta e peça, sistema pneumáticos, etc. Estabelece prioridades e as funções que podem (ou
não) coexistir com o processo de maquiagem, por exemplo: a sequência de troca de peça não pode ser
ativada quando o motor da arvore está a rodar. [17]
51
A relação entre os diferentes componentes pode ser descrita da seguinte forma (Figura 3.39):
[8]
Figura 3.39 - Representação da interação entre os componentes do controlo de um CNC [8]
Arquitetura do controlador NC
Atualmente, existem três tipos diferentes de controladores numéricos:
Processamento com ASIC;
PC front end;
Cartão de controlo do movimento com PC;
Tanto o primeiro como o segundo tipo de estrutura conferem uma grande fiabilidade ao sistema
e são os mais usados industrialmente. Um aspeto importante é que o primeiro é uma estrutura
completamente fechada para o utilizador e no segundo somente a interface Homem-máquina (IHM) é
aberta.
O sistema por cartão de controlo do movimento com PC é classificado como controlador
numérico baseado em PC (PC-CNC) e é considerado um sistema aberto. O tipo de software usado e
mesmo o tipo de fabricante irão ditar o nível de alterações e configurações que o utilizador poderá fazer
e pode variar de totalmente aberto até a configuração somente da IHM [39].
3.5.3 Componentes Mecânicos
Como o projeto é inserido na área mecatrónica e, como referido anteriormente, a requalificação
só inclui os componentes de controlo, a parte mecânica não é abordada extensivamente. O objetivo será
52
dar a conhecer o funcionamento, de forma genérica, dos componentes mecânicos mais importantes
numa máquina-ferramenta.
O foco recaiu sobre a transmissão de movimento, que transforma o movimento dos motores no
real deslocamento dos eixos e as respetivas guias que permitem esse movimento. Outro ponto
importante é a estrutura de suporte da máquina-ferramenta.
Guias
O seu objetivo principal é permitir o movimento, neste caso linear, nos diversos eixos. Estas,
além do referido, têm de proporcionar os seguintes pontos [40]:
Movimento linear suave com o mínimo de atrito; Orientação rígida, sempre a 90º entre cada eixo; Montagem rígida entre a carruagem e a guia, com o mínimo de folga;
Um aspeto transversal a todos os tipos de guias que irão ser aqui descritas é a característica
das cargas aplicadas, podendo ser estáticas ou dinâmicas. De uma forma sucinta, as cargas estáticas
estão sempre presentes no sistema e as dinâmicas aparecem devido a condições variáveis de solicitação.
Para a seleção do tipo de guias a escolher existem vários critérios a ter em conta. Além do tipo
de cargas, também o ambiente de trabalho, o tipo de material e a lubrificação fazem parte desses
critérios. Finalmente, a interação dos movimento nas guias com a apara resultante da realização da
maquinagem é importante, já que pode diminuir a vida útil da guia ou contaminar o lubrificante (se
existente) [40].
Existem tradicionalmente três grandes conjuntos de guias: as de deslizamento, as constituídas
por elementos rolantes e as pressurizadas ou hidrostáticas. Importante referir que cada fabricante,
apesar de se basearem nos tipos acima referidos variam o design e o funcionamento a seu gosto,
resultando num número elevado de guias com as suas respetivas vantagens.
As guiais de deslizamento têm quatro diferentes formas, em “V”, as lisas, as “dovetail” e as
circulares (representado pela Figura 3.40). Cada forma tem as suas especificações diferentes,
principalmente na carga que pode, ou não suportar. Como são guias que se baseiam no deslizamento
entre duas superfícies, o atrito e a lubrificação irão ser fatores cruciais ao seu desempenho [9].
53
Figura 3.40 – Esquemas de diferentes tipos de corrediças deslizantes [9]
Em comparação, as guias em ”V” diminuem o desgaste, enquanto as lisas e as “dovetail” têm
uma maior capacidade de carga. As circulares têm problemas em distâncias maiores, já que o cilindro
interior tem tendência a flexionar com o aumento da carga [40].
De forma a diminuir problemas relacionados com o atrito e o desgaste, que provoca a
necessidade de aumentar a potência que os motores têm de debitar para mover a carruagem, foram
desenvolvidos outros conjuntos de guias referidos (pressurizadas e de elementos rolantes).
As guias com elementos rolantes consistem na introdução de esferas, rolos ou agulhas entre a
carruagem e a guia, transformando o deslizamento em rolamento. A sua estrutura e componentes podem
ser visualizados na Figura 3.41.
Figura 3.41 – Esquema de uma guia de elementos rolantes [9]
A superfície de contacto, neste caso, é muito menor do que no anterior, o atrito diminui
substancialmente e consequentemente, a eficiência é maior (principalmente em distancia curtas), o que
leva a um menor desgaste e permite velocidades superiores. A ausência do efeito “stick-slip” também é
um fator importante, este fenómeno acontece devido a pressões altas na camada de lubrificante e
provoca variações na força de atrito e consequente perda do controlo do movimento (muito presente nas
guias de deslizamento) [9].
54
Finalmente, o último tipo de guias e as mais recentes baseiam-se no uso de um fluido
pressurizado que separa fisicamente a guia da carruagem (Figura 3.42), criando um sistema quase sem
atrito com todas as vantagens que dai advém. Este sistema pode ser aplicado a guias em “V”, lisas e
em “dovetail” [9].
Figura 3.42 – Esquema de uma guia hidrostática [9]
Como seria de esperar, este tipo de guias são as mais dispendiosas e também requerem uma
manutenção mais cuidada e efetiva, tornando-se em componentes não muito usados em CNC. Também
a superfície de contacto tem de ser relativamente grande para ter o suporte apropriado [9].
Transmissão Mecânica
Este é um componente essencial para uma máquina-ferramenta já que converte o movimento
do motor no movimento do eixo. Como em qualquer componente associado ao movimento do eixo, a
sua eficiência e precisão tem de ser elevada, uma vez que influencia o formato do trabalho final.
Para um sistema de transmissão eficiente, Thyer define alguns requisitos essenciais [9]:
O sistema tem de ser rígido e responsivo; A folga tem de ser mínima e com pouco aumento de temperatura;
Existem dois grupos de transmissão mecânica: aqueles que modificam o tipo de movimento de
linear para rotacional e vice-versa e aqueles que mantêm o tipo de movimento, quer seja rotacional, quer
linear.
O tipo de transmissão mais encontrado em máquinas-ferramentas é o que modifica o tipo de
movimento, uma vez que os motores produzem movimento rotacional que tem de ser traduzido em
deslocações lineares nos diferentes eixos.
55
Para desempenhar esta função existem diversos sistemas, em que os mais usados são os de
parafuso e porca.
Este é o sistema mais simples de transmissão, sendo que o tipo de rosca e a forma como as
superfícies interagem variam. Existindo então, três tipos principais:
Fusos de esferas recirculantes; Fusos de elementos rolantes; Fusos hidrostáticos;
Os primeiros são vastamente usados em máquinas-ferramentas e o seu funcionamento baseia-
se na presença de bolas que rodam entre a rosca e a porca. Com a certa construção e montagem, a
folga no movimento é quase nula e a eficiência deste sistema é quase 90%. Entre as desvantagens,
encontra-se o facto que o passo da rosca tenha de ter um mínimo na ordem dos 3mm, causando uma
limitação no movimento [9].
Quantos aos outros dois, de uma forma muito resumida, os com elementos rolantes apresentam
uma eficiência igual aos de esferas mas não têm limitações no movimento, embora em contrapartida
são cerca de três vezes mais caros. Os hidrostáticos fornecem uma maior precisão para maiores cargas,
sem atrito logo maior vida útil mas um custo extremamente superior aos de esferas [9].
Figura 3.43 – Esquema de um sistema de transmissão com guias e um fuso de esferas
Na imagem anterior (Figura 3.43) está representado um sistema de transmissão completo, com
um fuso de esferas, que transforma o movimento de rotação do motor na translação do carrinho.
Existem também algumas máquinas-ferramentas que possibilitam a rotação de eixos e nestes
casos a transmissão tem de manter o tipo de movimento resultante do motor. Para isto os sistemas
utilizados são as correntes e as correias, que por serem elementos de transmissão considerados flexíveis
56
contribuem para o aumento da vida útil do sistema. Em comparação, as correntes não têm
escorregamento e permitem transmitir maior potência.
Estrutura
De acordo com Thyer a estrutura de uma máquina ferramenta pode ser dividida em duas partes
estruturais [9]:
a) Suportar e mover a peça;
b) Suportar e mover a ferramenta;
As duas unidades terão de assegurar que o movimento aconteça sem comprometer a sua
relação. A estrutura de uma máquina ferramenta será a que conecta estas duas partes.
Esta estrutura tem de ser projetada de forma a ser capaz de resistir às diferentes forças geradas
durante os vários processos de fabrico. Forças estas que irão ter várias intensidades e mesmo direções,
sendo a rigidez e a capacidade de deformação da estrutura os pontos fulcrais para o seu
dimensionamento. Outro ponto importante será outro tipo de ações danificadoras tais como a
temperatura, os choques e as vibrações. Ou seja, a estrutura terá de, mesmo com todas estas condições,
manter o posicionamento relativo de todos os componentes integrados da máquina, para que o processo
se dê com a exatidão e fiabilidade exigida.
Os materiais mais utilizados e que garantem as características acima referidas como necessárias
para um correto funcionamento são:
Ferro Fundido;
Betão;
Aço;
3.6 Sistemas de código aberto e fechado
Um aspeto importante e recente numa máquina-ferramenta CNC reside no facto de ser um
sistema fechado ou aberto. Este tipo de classificação baseia-se na possibilidade, ou não, de o proprietário
da máquina a poder reconfigurar sem necessitar de trocar o controlador.
Com o crescente número de requalificações em CNC, os sistemas abertos vieram trazer um
número de possibilidades no que diz respeito à atualização tecnológica de uma máquina-ferramenta.
57
Entende-se que um sistema é fechado, como o nome indica quando o controlador é tratado como
uma “caixa preta”, em que para se alterar funções, e principalmente adicionar, o utilizador fica
dependente do hardware e/ou software proprietário.
De forma a suprir essa dificuldade surgiram os sistemas abertos cuja origem vem dos utilizadores
(técnicos e engenheiros) e não dos fabricantes de CNC. A necessidade de um sistema que permita a
modificação de algoritmos e da arquitetura de controlo foi aparecendo, bem como a possibilidade de
comunicação e partilha com outros sistemas [8].
O que classifica um sistema como aberto são diferentes conceitos defendidos por vários autores:
Interoperabilidade: capacidade de vários componentes (até de fabricantes diferentes)
cooperarem de forma a efetuar um certa tarefa;
Portabilidade: capacidade de um componente do CNC ser usado em diferentes plataformas com
diferentes hardware e software;
Escabilidade: capacidade de fazer extensões ou reduções ao sistema sem grandes custos;
Segundo o IEEE, um sistema aberto, tem de ser [41]:
Vendedor neutro, de forma a garantir a independência do proprietário do equipamento;
Baseado em consensos, de forma a ser controlado por um grupo de vendedores e de utilizadores;
Baseado em padrões, de forma a assegurar uma vasta distribuição de acordo com padrões;
Disponível de forma livre, sem qualquer custo para as partes envolvidas;
3.6.1 Classificação de sistemas abertos
Um sistema aberto pode ser classificado em três tipos. Esta classificação varia com a quantidade
dos componentes de controlo do CNC que estão abertos, tal como apresentado na Figura 3.44 [8].
Figura 3.44 – Classificação de sistemas abertos e representação dos seus componentes [8]
58
No primeiro tipo (IHM aberto) o NCK está fechado e só permite troca de informação com o IHM,
onde estão alocadas as diversas funções, que são dívidas em dois grupos: área básica (funções
fundamentais) e área especial (funções especiais, ex.: CAD/CAM, base de dados das ferramentas, etc.).
Assim é possível ao utilizador alterar e desenvolver este componente do CNC, garantindo um certo nível
de independência. A maior parte dos equipamentos CNC são baseados neste tipo.
No segundo caso, diferentes funções podem ser adicionados ao NCK e ao IHM, algo que é
possível devido à modularização das principais funções do NCK. Problemas de compatibilidade podem
surgir quando aplicado na prática, devido ao design destes sistemas não serem totalmente abertos.
Finalmente o tipo três é considerado o único totalmente aberto, já que todo o sistema é
modularizado e a comunicação entre o NCK e o IHM segue determinados padrões, permitindo a alteração
ou substituição de módulos independentes.
De referir que o tipo um e dois não permite a modificação de uma parte de hardware ou software
sem o conhecimento da interface e dependência de cada módulo.
3.6.2 Sistemas abertos existentes
A crescente popularidade deste tipo de arquiteturas fez diversas entidades investissem recursos
no seu desenvolvimento. As que mais se destacam são:
OSACA (Open System Architecture for Control with Automation System) – desenvolvida na
Europa;
OSEC (Open System Environment for Controller) - Japão;
OMAC (Open Modular Architecture Controls) – Chrysler, Ford e General Motors;
EMC (Enhanced Machine Controller) – criado pelo NIST;
OSACA
O principal objetivo do projeto OSACA passa pela criação de modularidade do sistema e de
hardware independente, ou seja, a criação de módulos que permitam a adição ou remoção de varias
funções como, controlo Numério, de robot’s, de PLC, etc [42]. Este projeto tem como abordagem a
decomposição hierárquica do controlo em FU (unidades funcionais), que para as quais a sua interface é
criada através de informação para um determinado objeto [43].
A interação entre as FU é baseada numa plataforma constituída pelo hardware, pelo Sistema
operativo e o Sistema de comunicação.
59
As três principais plataformas são [42]:
Sistema de comunicação: Hardware e software é definido independentemente da interface de
partilha da informação, com os diferentes módulos da aplicação do controlo. O sistema de
comunicação OSACA permite que a troca de informação seja feita de forma transparente entre
as aplicações do cliente e do servidor;
Reference architectures: determina o controlo das FU e especifica a interface externa
correspondente, de forma a permitir o uso de unidades exteriores;
Configuração do sistema: Permite que através da combinação de diferentes módulos a
configuração dinâmica do controlador seja definida;
Figura 3.45 - Representação da arquitetura OSACA [39]
Na Figura 3.45 está descrita a interação entre os diferentes “componentes” de uma plataforma
OSACA, em que a configuração é pedida pelo microcomputador/processador, cujos dados são fornecidos
às diferentes FU.
OMAC
Criado em 1994, tem como base a definição das especificações API de forma a estabelecer
padrões para futura utilização. Este sistema adotou uma estratégia baseada em componentes de forma
a conseguir um sistema pronto a ligar [43].
Em comparação com o OSACA, vemos que este (Figura 3.46) especifica as suas funções com
maior detalhe.
60
Figura 3.46 – Representação da arquitetura OMAC [39]
Este sistema também tem uma vertente direcionada para a comunidade e partilha de ficheiros
cujos objetivos são [44]:
Criar coletivamente uma solução para problemas técnicos e não-técnicos no desenvolvimento,
implementação e comercialização de arquiteturas modulares abertas;
Servir de repositório para todos os utilizadores e desenvolvedores;
Facilitar o crescimento no desenvolvimento desta indústria, através da criação de guias
internacionais;
OSEC
Com o objetivo de fornecer uma plataforma padrão para o controlo de equipamentos, em que
fosse possível adicionar valor original, a todas as partes envolvidas na criação e utilização de máquinas
industriais, o projeto OSEC foi criado. Este projeto funciona através de um protocolo de interface que
permite várias adaptações, em que o modelo de arquitetura pode variar de forma a não limitar a possível
configuração final [43].
Figura 3.47 – Representação da arquitetura OSEC [39]
61
Na Figura 3.47 está representada a arquitetura OSEC, onde se pode constatar como os
diferentes componentes interagem entre si.
NIST
A grande novidade deste tipo de sistema é possibilidade de implementação de modificações em
tempo real, cujo foco são equipamentos como máquinas-ferramentas CNC e robots. Nasceu através da
necessidade de produzir um sistema de controlo de movimento sujeito a um padrão pré-definido [45].
Figura 3.48 – Representação da arquitetura EMC [39]
A sua arquitetura é baseada em cinco níveis (como descrito na Figura 3.48):
1. Planeamento da estação de trabalho;
2. Gestão da estação de trabalho;
3. Interpretação do plano;
4. Geração de trajetórias/definição de entradas e saídas (I/O);
5. Controlo de servo;
62
63
4. DESCRIÇÃO DO CASO DE ESTUDO
Em qualquer projeto de requalificação é necessário, à priori, definir e estudar o estado existente
do aparelho em questão. É fulcral compreender o funcionamento atual dos diversos componentes
associados, de forma a perceber os que necessitam de intervenção.
A direção escolhida neste projeto, como já referido, foi a requalificação deste aparelho sob o ponto
de vista mecatrónico ou seja, os componentes estudados e descritos de seguida são constituintes do
sistema de controlo e do sistema de comando servo.
Importante referir que o sistema pneumático e a parte mecânica, nomeadamente da transmissão
de movimento, sofreu recentemente uma intervenção de manutenção, sendo que o seu estudo e
descrição foi dispensado e pode ser consultado no manual de manutenção da máquina.
4.1 Fresadora
O aparelho em questão é uma fresadora CNC horizontal de quatro eixos, Swissperfo “Type CU
200H” (Figura 4.1). Esta fresadora permite o movimento nos três eixos cartesianos (x,y,z) bem como da
rotação, ao longo do eixo yy, da mesa de trabalho (eixo B).
Existem também diversas funções auxiliares características de uma máquina deste tipo (cortina
de segurança, sistema de fixação da peça, etc.), apresentando como aspeto diferenciador o facto de ter
um sistema de troca de ferramenta e de carregamento de paletes automático. Este sistema é constituído
por dois robots e um sistema pneumático que permite a fixação de até quatro paletes.
Figura 4.1 – Fotografia da Fresadora CNC
64
4.1.1 Sistema de controlo
O sistema de controlo desta máquina é um SINUMERIK 820 constituído por um PLC cuja
descrição técnica é mostrada de seguida (Tabela 4.1):
Tabela 4.1 - Especificações técnicas do PLC [46]
Como se pode verificar as entradas e saídas deste PLC não representam problema para a sua
utilização na requalificação da máquina, contudo a sua memória para a programação dos blocos é um
problema impeditivo, 54 Kbytes é um valor que limita a sua utilização, de forma a se tornar necessário
procurar uma alternativa, uma vez que, sendo o objetivo reabilitar esta máquina para os padrões de
produção atuais, é necessário uma capacidade de memória bem acima da apresentada.
IHM (Interface Homem-máquina)
Outro componente analisado foi a interface (IHM), aspeto não fulcral para a requalificação da
máquina logo a sua avaliação não foi levada a cabo. Apesar disso podem tecer-se diversos comentários
acerca do seu funcionamento.
Um ponto importante é a realimentação que os sensores de posição (neste caso codificadores)
dão à interface, fornecendo o valor atual da posição do eixo. A IHM necessita de sinas digitais (TTL) para
apresentar os valores numéricos mas se não os receber sob esta forma (caso de alguns codificadores)
tem um circuito que converte esses sinais. No manual do controlador está especificada a forma como o
codificador é conectado com a IHM, com as diferentes condições de utilização (frequência mínima de
pulsos, diferença máxima de tensão, etc.).
65
Uma conexão muito importante é a que a IHM tem com o NCK, em que os valores de velocidade
e os diferentes sinais de enable dos servomotores são facultados, com as devidas limitações de corrente
e tensão. Finalmente, a conexão com os sensores é feita através do módulo I/O por uma tensão fornecida
(24V neste caso) que aquando a ativação de um sensor fim-de-curso, irá interromper o NC e
consequentemente, travagem do eixo.
CN (Controlo numérico)
Por fim, o último componente do sistema de controlo, o NCK, usa diversos “dados da máquina”
para fazer corresponder o NC com a máquina-ferramenta em si. Estes dados, denominados como MDs
nos manuais técnicos, são valores e “rotinas” que permitem o funcionamento da máquina. Entre vários
exemplos, pode destacar-se o MD1 – velocidade antes do pré limite do fim-de-curso; MD8 – número
máximo de programas de maquinagem; MD252* - Ganho do fator servo (Kv).
4.1.2 Sistema servo
Neste subcapítulo serão abordados os componentes do sistema servo existentes na máquina. O
foco será naturalmente para os controladores de potência e os servomotores, com os diferentes
componentes de realimentação (codificadores, taquímetro, etc.).
Controladores de potência
O sistema em questão é o SIMODRIVE 610, constituído por os controladores de potência com
os respetivos motores. As primeiras são denominadas nos manuais por “transístor PWM converter”, cujo
funcionamento é igual aos controladores de potência DC sem escovas, em que o comutador usado nos
motores DC é trocado por um comutador eletrónico. O modo de operação em malha fechada segue o
que já foi referido anteriormente (no capitulo 3.) e está representado na Figura 4.2.
Figura 4.2 - Diagrama de blocos do servomotor AC com o “transístor PWM converter” [47]
66
Como é característico dos sistemas servo o valor da posição atual é fornecido ao controlador,
permitindo, neste caso, controlar os transístores no “PWM converter”. O coordenador garante que os
enrolamentos do motor são alimentados com corrente suficiente (pelo inversor) para manter a posição
do rotor.
Como um motor AC de três fases (U, V e W) é necessário saber a sequência que os enrolamentos
são alimentados pela fonte. Quem determina essa sequência é a ação conjunta entre o codificador e o
coordenador, que posteriormente, com a ajuda do inversor, irá gerar o campo rotativo para produzir o
binário necessário. Importante referir que o binário gerado no eixo corresponde à soma do gerado
individualmente pelas três fases.
A corrente é gerada pela fonte e medida por um circuito e posteriormente, se necessário,
retificada pelo coordenador.
Do ponto de vista da requalificação, após o estudo das especificações e funcionamento deste
componente, algumas limitações podem ser constatadas. Apesar do controlador de potência funcionar
em malha fechada quer analógica, quer em cascata (ciclo de velocidade e corrente), conclui-se que não
é possível a sua interação com o controlador/placa escolhido (especificado no capítulo seguinte) já que
a sua comunicação com o motor não é compatível com a pretendida. Numa escala de importância
menor, também a impossibilidade de ajustar valores do parâmetro derivativo (só utiliza um controlador
PI) e de substituir controladores de potência de um só eixo, na ocorrência de estrago ou fim de vida (tem
de se trocar o conjunto todo, todos os eixos), fizeram com que fossem selecionados novos controladores
de potência.
Motores
Os motores utilizados nesta máquina são servomotores AC síncronos de íman permanente.
Existem somente dois tipos de motores no CNC, o motor da árvore e os motores dos diferentes eixos (X,
Y, X e B). Ambos são pertencentes à mesma série de servomotores 1FT5 da SIEMENS, mas com
diferentes especificações.
Antes de particularizar estes motores, existem algumas considerações gerais a fazer ao seu
funcionamento, integrado na máquina. As principais vantagens destes motores, apesar da sua relativa
desatualização tecnológica, como comprovado na Figura 4.3, são a capacidade de obter um binário
contínuo e de manter uma sobrecarga de forma constante, num determinado alcance de velocidade. Isto
67
é feito através do dimensionamento e ajustamento de parâmetros no “SIMODRIVE 610 transistor PWM
converter”.
Figura 4.3 – Ciclo de vida dos servomotores “1FT5”
Na figura seguinte (Figura 4.4) está representada a curva de funcionamento genérica nesta série
de motores, que relaciona a velocidade com o binário correspondente, limitados pela parametrização do
controlador de potência. Importante referir que a velocidade, ao contrário do binário, é um parâmetro
“livre”, uma vez que se a malha estiver aberta e se o taquímetro não estiver conectado, o motor, pode
acelerar para velocidades superiores à máxima (dentro da sua capacidade) Já o binário, é limitado pela
corrente e só pode ser gerado.
Figura 4.4 – Curva de funcionamento genérica para servomotores “1FT5” [47]
O modelo do motor da árvore é “1FT5062-0AK01-2” e através do manual da série 1FT5 foi
possível descobrir as suas especificações (Tabela 4.2):
68
Tabela 4.2 - Especificações técnicas do servomotor da árvore principal [47]
Da tabela anterior podem retirar-se alguns pontos importantes do ponto de vista da
requalificação, sendo os que mais se destacam a velocidade nominal do motor, 6000rpm, o binário
nominal, 2.1Nm, e a corrente nominal, 4.1A.
Para este tipo de motor a curva de funcionamento está representada na figura seguinte.
Figura 4.5 – Curva de funcionamento do servomotor “1FT5062” (árvore principal) [47]
Na Figura 4.5 estão retratados quatro tipos de curvas para quatro variações do motor
“1FT5062”, sendo a correspondente ao motor presente na árvore da fresadora, a curva K. Na qual se
pode verificar que o binário mais baixo, para a velocidade nominal, é perto de 4.1Nm.
69
Os motores dos diferentes eixos são todos do mesmo modelo, “1FT6044-0AF01-1-Z”. Em
comparação com o motores da árvore, tem uma velocidade, binário e, consequentemente, uma corrente
inferior (Tabela 4.3).
Tabela 4.3 - Especificações técnicas do servomotor dos eixos [47]
Tal como no motor da árvore principal, é apresentado (Figura 4.6) a curva de funcionamento
nominal do servomotor. Conclui-se facilmente que este motor permite uma vasta amplitude de binários
para uma velocidade máxima (sem carga) de quase 5000rpm.
Figura 4.6 - Curva de funcionamento do servomotor “1FT5044” (eixos) [47]
De forma ao eixo y se manter fixo, quando o motor não está em funcionamento, é necessário o
uso de um travão. O travão encontrado neste motor é magnético e permite a fixação do eixo vertical na
posição em que o motor para, sem risco de folgas ou em casos de falha de energia. Aquando a não
energização (24V DC) um íman permanente exerce força no travão no eixo do motor, quando os 24V são
70
fornecidos é criado um campo magnético oposto que cancela o efeito do íman, sem qualquer binário
residual oposto ao movimento. As suas especificações técnicas podem ser consultadas na Tabela 4.4.
Tabela 4.4 - Especificações técnicas do travão presente no servomotor do eixo yy [48]
4.1.3 Dispositivos de medição
Como em qualquer sistema servo, um servomotor tem de estar dotado de dispositivos que
permitam monitorizar os parâmetros fulcrais ao seu bom funcionamento.
Destes parâmetros destacam-se dois: a sua velocidade e posição. Para tal, este servomotor
possui um taquímetro e um codificador.
Velocidade
Os taquímetros existentes na máquina são: um 1FU1050” para o motor da árvore principal e
um “1FU1030” para os restantes. Ambos são sistema analógicos sem escovas, em que o primeiro tem
elementos magnéticos e o segundo funciona através de sensores “Hall” (transdutores cuja tensão de
saída varia com variações de campo magnético), como se verifica na tabela seguinte (Tabela 4.5). O
sinal de tensão de saída, fornecido ao controlador de potência, é trapezoidal.
Tabela 4.5 - Especificações técnicas dos taquímetros existentes nos servomotores da máquina [48]
71
Posição
Quanto ao codificador, como já foi referido, é responsável pelo controlo real da posição e está
presente em todos os motores dos eixos da máquina. Somente o motor da árvore é que não tem
codificador, já que a ferramenta não precisa de um controlo de posição mas sim só de velocidade.
Após verificação de todos os motores, constata-se que os codificadores estão acoplados
diretamente aos motores em todos os eixos, menos no eixo B. Cujo codificador é acoplado a um parafuso
sem fim, através de uma correia solidaria com o eixo do motor B.
O codificador é ótico rotativo e incremental, produzido pela HEIDENHAIN, e é usado em todos
os motores SIEMENS do modelo PFT5. Dependendo do motor, o codificador pode ser do modelo ROD
320 ou ROD 426.
No caso da fresadora em questão, o modelo presente é o ROD 426 e tem as suas especificações
técnicas apresentadas na tabela seguinte (Tabela 4.6).
Tabela 4.6 - Especificações técnicas do codificador “ROD 426” [48]
Através da tabela anterior, podem-se retirar varias conclusões para a perceção do funcionamento
deste codificador. Nomeadamente no que diz respeito a valores de velocidade máxima do eixo e,
principalmente, a resolução elétrica deste codificador, 500 a 5000 pulsos por revolução, valor que pode
chegar aos 20000 pulsos por revolução, através de uma multiplicação externa.
O codificador possui três sinais de ondas quadráticas distintas (Figura 4.7) (além do
fornecimento de tensão), provenientes dos canais A e B, desfasados em 90º, e R, em que R é o canal
72
correspondente à referência e permite confirmar o sentido do movimento. De forma a minimizar o ruido
existente, vê-se que este codificador tem um sinal extra oposto, por cada canal.
Figura 4.7 - Representação dos sinais de cada canal presente no codificador “ROD 426” [48]
Temperatura
Finalmente o último dispositivo associado à medição e ao servomotor, diz respeito à temperatura
de funcionamento do motor. O sistema existente é muito básico e consiste numa resistência que varia
em função da temperatura e que, aquando a ultrapassagem da temperatura limite, ativa um circuito de
proteção (componente denominado por um termístor PTC). A temperatura limite, nestes motores é de
155 ºC±5ºC.
É importante referir que a variação na resistência não é proporcional à da temperatura e a sua
característica varia de acordo com o seguinte gráfico (Figura 4.8).
Figura 4.8 - Representação da característica da resistência (o seu valor por temperatura recebida) [48]
73
Existe um sensor para cada motor, mas dependendo da altura do eixo do motor, poderiam ser
necessário dois.
Sensores Fim-de-curso
Outro componente que fornece informação ao controlador é o sensor fim-de-curso, cujo
funcionamento foi explicado no ponto 3.4.1.
Este sensor, apesar do codificador fornecer a posição real do eixo, é necessário para introduzir
rotinas de referenciação. Ou seja, os pontos onde os sensores estão colocados são pontos de referência,
que permitem ao controlador reposicionar os eixos quando, por exemplo, a máquina é desligada ou uma
operação é finalizada.
Existem quatro sensores, um por cada eixo, que são identificados como o modelo “BES-516-
300-S-166-PU-5” do fabricante “Balluf”.
São sensores indutivos e as suas especificações técnicas são apresentadas na Tabela 4.7. As
informações mais pertinentes são que o seu estado é normalmente aberto e que aquando a deteção de
um metal (a 1.50mm), a corrente é interrompida.
Tabela 4.7 - Especificações técnicas do sensor indutivo “BES-516-300-S-166-PU-5” [49]
Além dos acima referidos, existem outros sensores fim-de-curso na máquina. Nomeadamente
nas várias funções adjacentes à operação de maquinagem como a abertura/fecho da cortina de
segurança, sistema de troca de ferramenta e peças. Permitindo ao controlador saber se cada um destes
processos foram efetuados ou não, e qual o seu estado. Os sensores do eixo xx e yy estão colocados no
carrinho, enquanto o do eixo zz está fixado na estrutura.
Os sensores usados para esta função são da mesma marca que fabricou os anteriores, mas de
modelos diferentes: BES-516-324-E4-C-PU-5.
74
Através das suas especificações (Tabela 4.8), as diferenças para com os aplicados nos eixos,
são uma menor frequência na troca de estado e uma cablagem maior.
Tabela 4.8 - Especificações técnicas do sensor indutivo “BES-516-300-S-166-PU-5” [49]
75
5. PROJETO DE REQUALIFICAÇÃO
Após a análise dos componentes existentes na fresadora CNC, a fase seguinte será projetar e
escolher os componentes necessários para requalificar a máquina.
Os erros encontrados no funcionamento desta máquina revelaram-se um problema cuja resolução
despenderia muito tempo, devido à falta de informação, nomeadamente sobre os vários códigos das
deficiências.
A possibilidade de teste de todos os componentes e subsistemas foi rapidamente excluída,
devido ao tempo e recursos que iria despender. Concluindo-se assim que a melhor forma seria reabilitar
o sistema de controlo e sistema servo, mantendo se possível, os motores e sensores (codificadores, fins
de curso, etc.).
Como referido no capítulo anterior, as limitações do PLC em conjunto com a não acessibilidade
do NC, fizeram com que fosse necessário um novo controlador, com as respetivas placas e módulos I/O
compatíveis. Também novos controladores de potência foram adquiridos de forma a serem integrados
com este controlador, uma vez que os atuais não o permitiam.
De forma a facilitar a compreensão da função dos componentes referidos neste capítulo, na
Figura 5.1 está representada a arquitetura do sistema de controlo (que pode variar com a interação entre
os componentes, aspeto especificado no capitulo 6). Um ponto importante é a integração das diferentes
disciplinas técnicas (informática, eletrónica e mecânica) para o desenvolvimento do sistema global de
controlo., cuja sequência do processo é identificada pelas setas na figura.
76
Figura 5.1 – Representação da arquitetura dos vários subsistemas
Neste capítulo irão ser apresentados os componentes escolhidos, bem como o fundamento por
trás desta ação. Aspeto relevante é o facto de que alguns dos componentes apresentados foram
selecionados e adquiridos sob o ponto de vista da requalificação não só da máquina deste projeto, mas
sim de vários equipamentos existentes no laboratório de mecatrónica do departamento de engenharia
mecânica da escola de engenharia da universidade do Minho.
5.1 Controlador
Como tem vindo a ser mencionado ao longo deste documento, a utilização de um software livre é
uma condição para a requalificação da máquina.
Dentro de algumas possibilidades e através de uma pesquisa inicial, a escolha recaiu sobre um
controlador que conseguisse realizar as tarefas do NC e que pudesse também ser compatível com um
PLC. Também a quantidade de informação existente e a facilidade de configuração e utilização foram
fatores que pesaram na decisão. A escolha foi, então, o controlador “LinuxCNC”.
Este controlador tem como base o projeto do NST, referido no capítulo 3.5.1, e usa como entrada
o código G (não possibilita o desenho, CAD, nem geradores de código G, CAM) para controlar um CNC
até nove eixos. Este tipo de software tem de correr em sistemas operativos de tempo-real, já que
necessita de um intervalo reduzido entre a leitura e a aplicação, e é exclusivo para o Linux.
77
O seu funcionamento, de forma concreta, baseia se na leitura da posição de um eixo e, através
de interpolações e teorias de controlo (por ex. PID), calcula a nova posição/tensão e envia-a para o
hardware associado. A sua versatilidade no que diz respeito à configuração dos dispositivos a associar
(sensores, motores, etc.) não restringe o hardware necessário para a comunicação deste controlador
com a máquina em si. Permite a utilização quer de servomotores, quer motores de passo, bem como os
respetivos controladores de potência e diferentes sistemas de controlo.
Um ponto muito importante é a configuração deste sistema, isto porque a interface gráfica (o
“pncconf”) usada para este propósito é especialmente eficiente e intuitiva, sendo uma vantagem perante
outros possíveis controladores. Esta é dirigida para as placas MESA5 e baseia-se em ficheiros do tipo
HAL. Permite a elaboração do sistema de controlo do motor e dos diversos instrumentos de medição
(codificadores, fins-de-curso, etc.) e interação com os controladores de potência e placas eletrónicas
utilizadas (por ex. módulos I/O). Também é possível a criação de uma IHM e uma programação do tipo
LADDER (linguagem para programação de PLC). Na figura seguinte (Figura 5.2) vê-se um exemplo de
uma das janelas de configuração do software em questão.
Figura 5.2 – Janela de configuração dos pinos I/O do “pncconf”
5 Mesa Eletronics - Fabricante de componentes eletrónicos para o controlo de sistemas de movimento
78
De forma sucinta, HAL (que significa “Hardware Abstraction Layer”) permite que diferentes
blocos (componentes) se interliguem para formar um sistema complexo. Este conceito foi desenhado
com os mesmos princípios de um circuito de hardware real (com componentes, pinos e sinais). O
“pncconf” permite a configuração gráfica de um determinado sistema, mas pode ser alterado de forma
personalizada através da alteração dos ficheiros específicos “.hal” (representado na Figura 5.3).
Figura 5.3 – Exemplo de um ficheiro “hal”
5.2 Placas eletrónicas
Quanto às placas utilizadas, existiu uma diferença de critérios em comparação com a escolha do
controlador. A sua escolha baseou-se, não só na sua implementação no que diz respeito a este projeto,
mas também numa perspetiva global em relação ao laboratório em que este tema está inserido.
Antes de partir para a descrição das placas e o porquê da sua escolha, é importante referir que existem
dois tipos de placas necessárias para a implementação do controlador.
A primeira tem como função estabelecer a comunicação entre o computador em que o LinuxCNC
está instalado e a máquina em si, sendo a de maior importância. O tipo de interface, normalmente PCI,
porta paralela ou PCIE tem de ser rápida o suficiente para o controlo de motores (a entrada USB, por ex.
não o é). O segundo tipo de placas eletrónicas são basicamente módulos I/O, que conectados com a
primeira placa, irão fazer a comunicação real com os diversos sensores e atuadores, fornecendo a
tensão/corrente necessária.
79
Posto isto, a compatibilidade com o controlador era, como seria de esperar, o requisito principal.
As placas mais usadas no mercado, neste tipo de projetos com “LinuxCNC”, são as fabricadas pela
empresa “MESA Eletronics”. Outro ponto importante era o número de pinos disponíveis para as entradas
e saídas.
A placa escolhida para servir de interface com o computador foi a 5i20 (Figura 5.4), e possui
três barramentos de 50 pinos que podem ser configurados como entradas ou saídas, consoante o
necessário.
Figura 5.4 – Placa 5i20 da “MESA Eletronics” [50]
As restantes placas são módulos I/O, estando uma (7i37TA) dedicada aos sensores e funções
auxiliares (fins-de-curso, botões de emergência, interfaces) e outra aos diferentes motores (7i33TA).
A 7i37TA é simplesmente uma placa com um barramento de 50 pinos para comunicação com
a 5i20,com um conjunto de entradas e saídas cuja função é configurada no LinuxCNC. A placa para o
motor foi adquirida anteriormente, para o uso em diferentes projetos, e neste caso particular pode ser
usada como interface entre a 5i20 e o motor. Contudo, é limitada a um tipo de controlo específico, que
será abordado no próximo capítulo.
Na Figura 5.5 estão representadas os dispositivos acima referidos.
Figura 5.5 – Placa 7i37 e 7i33 da “MESA Eletronics” [50]
80
A alimentação para a lógica desta placa pode ser fornecida pela placa conectada ao PC (a 5i20
neste caso) ou por uma fonte dedicada, e assume um valor de 5 V. Quanto as ligações com os
componentes (sensores e motores), no caso da 7i37 é necessário um fornecimento da tensão
correspondente (por ex. 24 V para os sinais dos sensores ou 5 V para os sinais do motor). Mais
especificamente, os pinos I/O da placa 7i37 funcionam como “dreno aberto”, ou seja é necessário
fornecer a tensão desejada (24V máximo nesta placa) para que o pino permita sinais dessa tensão.
5.3 Controlador de potência
Um aspeto muito importante e um componente que mereceu toda a atenção foram os
controladores de potência utilizadas para controlar os servomotores. De novo, a logica por trás da
aquisição destes controladores de potência foi a versatilidade e a possibilidade de controlar diferentes
tipos de motores, com diversos sistemas de controlo, de forma a poderem integrar também diferentes
projetos.
Os controladores de potência utilizadas foram as VSD-E (“versatile servo drive” modelo E) da
“Granite Devices”, representadas na figura seguinte (Figura 5.6). Este dispositivo é caracterizado pela
alta configurabilidade e pela possibilidade de funcionarem como controladores de potência inteligentes”.
Ou seja, como já foi descrito anteriormente no ponto 3.4.1, têm a função principal de regular e fornecer
a potência ao motor segundo um determinado comando efetuado pelo controlador, mas além disto, esta
tem a possibilidade de fechar a malha nela própria. Mais concretamente no que diz respeito à velocidade,
ou seja, o controlador de potência pode funcionar como um “controlador de potência normal” e receber
a ordem do controlador de posição e velocidade, que aplica o controlo PID/PIV, ou pode receber a ordem
do controlador e a própria aplica o controlo PID/PIV.
Figura 5.6 – “VSD-E da Granite Devices” [51]
81
Os diferentes modos são definidos com o que se quer controlar no motor: a velocidade, a posição
ou o binário. Este controlador de potência permite o controlo destes três parâmetros e para cada um
destes tem de receber diferentes sinais de entrada do controlador (por ex. PWM para velocidade, step/dir
para posição ou análgico para o binário). Permite ainda, atribuir quatro pinos para o que utilizador
entender, como por exemplo a inicialização da máquina, a realimentação dos possíveis erros
encontrados, entre outros.
Estes tipos de controlo do motor irão ser abordados no capítulo seguinte e envolvem diferentes
componentes e configurações, quer no controlador, quer neste dispositivo
82
83
6. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
O presente capítulo visa expor o trabalho desenvolvido ao longo do ano.
Sendo o objetivo a requalificação, através da substituição total, do sistema de controlo, é
necessário testar e confirmar que os dispositivos do mais baixo nível de integração (atuadores e sensores)
estão em condições de ser usados. Com isto, refere-se os dispositivos do sistema servo a ser
aproveitados, os servomotores e seus constituintes.
O primeiro passo, depois de saber que componentes se podem usar ou não, é estudar as
soluções possíveis para a integração do servo sistema com o controlador CNC.
De seguida e um aspeto que se revelou moroso, a parametrização do controlador de potência
do motor, ou seja, a configuração necessária para que os servomotores sejam controlados de forma
correta e precisa. Finalmente, a integração dos componentes, que significa a interface entre os motores,
o controlador de potência e placas e, posteriormente, os sensores fim-de-curso.
Muitos dos subcapítulos irão ser conjugados com anexos, para que a execução passo-a-passo
esteja documentada para posterior consulta.
6.1 Preparação do trabalho
Como preparação para o trabalho, fez-se a desmontagem da máquina para possibilitar a
intervenção sobre os componentes e também os testes sobre componentes com possíveis falhas.
6.1.1 Desmontagem
Apesar de ser possível efetuar os diferentes testes e mesmo aplicar o trabalho desenvolvido sem
os desmontar da máquina, decidiu-se retirar os motores de forma a facilitar o seu acesso. Desta forma,
foi necessário desmontar as bases onde os motores estavam apoiados e as correias que permitiam o
deslocamento do eixo.
Todos os motores foram desmontados com exceção do motor da árvore, uma vez que o seu
controlo ainda não foi efetuado. O maior desafio foi o motor do eixos dos yy, já que este estava bloqueado
por um travão, sendo então necessário colocar um travão exterior que suportasse o seu peso e
bloqueasse o seu deslocamento.
Na Figura 6.1, vê-se o motor (a)) e o eixo (b)) após a desmontagem.
84
Figura 6.1 – Fotografia do a) motor; b) eixo dos yy
6.1.2 Teste aos componentes
Dentro dos diversos componentes existentes na máquina, os escolhidos para teste foram os
dispositivos de realimentação (os codificadores e os sensores indutivos). A razão da escolha foi a
possibilidade de avarias neste tipo e equipamento e também a sua importância na requalificação do
sistema de controlo.
À primeira vista os codificadores pareciam em bom estado quando acoplados na máquina, uma
vez que aquando o movimento do motor, a interface apresentava valores de deslocamento. Mas que não
se sabia se eram realmente os corretos.
Desta forma, decidiu-se testar os codificadores individualmente, não através do deslocamento
apresentado, mas através da avaliação dos vários canais de saída num osciloscópio6. Este teste foi
realizado através do controlador de potência, em vez de somente nos codificadores, para se perceber se
o sinal que esta usa para controlar o motor está correto.
O primeiro codificador a ser avaliado foi o do eixo dos xx e os pulsos dos canais A e B está
representados na Figura 6.2. Destaca-se o desfasamento dos diferentes canais (A e B) em 90º,
resultando na diferença entre os pulsos na figura mas com a mesma frequência. Também se pode
destacar algos picos ao longo da onda, que podem resultar na dessincronização do motor.
6 Instrumento de medida eletrónico que através da leitura de diferenças de potencial (tensão) obtém e mostra um gráfico bidimensional, entre a tensão e o tempo.
85
Figura 6.2 – Sinais do canal A e B do codificador do eixo xx obtidos por um osciloscópio
De forma a verificar o total funcionamento do codificador, também se registou o pulso do canal
R em relação aos outros canais, neste caso o canal A. Na Figura 6.3 estão representados estes canais
em que o canal R aparece uma vez por volta e funciona como referência.
Figura 6.3 - Sinais dos canais A e R do codificador do eixo xx obtidos por um osciloscópio
Para o codificador do eixo yy, foi efetuado o mesmo teste. A primeira medição é dos canais A e
B e está representado na Figura 6.4. Em comparação como o do eixo xx, constata-se que não existem
picos.
Figura 6.4 - Sinais do canal A e B do codificador do eixo yy obtidos por um osciloscópio
86
A segunda medição está representada na Figura 6.5 e tal como no codificador do eixo xx, vê-se
o canal R a ser a referência e a aparecer uma vez por volta completa.
Figura 6.5 - Sinais dos canais A e R do codificador do eixo yy obtidos por um osciloscópio
Quanto ao encoder do eixo zz, este não fornecia nenhum sinal, concluindo-se o seu mal
funcionamento e necessidade de substituição ou de sofrer uma intervenção.
Em conclusão, o codificador do eixo yy está em bom estado e após a sua implementação no
sistema de controlo final (abordado no ponto 6.4) verificou-se o mesmo. Por outro lado, o codificador do
eixo xx, devido ao aparecimento dos picos, poderia não funcionar corretamente, o que se confirmou
quando a tentativa da sua configuração (explicado no ponto 6.4).
Quanto aos sensores, foi necessário perceber pelos esquemas elétricos quais os fios
correspondentes à alimentação (24V e GND) e à logica. Depois disto, retirou-se o sensor do barramento
ao qual estava acoplado e que fornecia a alimentação (representado na Figura 6.6), e energizou-se de
forma independente.
Figura 6.6 – Fotografia do barramento dos sensores fim de curso.
87
O teste foi efetuado com o próprio movimento dos eixos, medindo-se o sinal do fio da logica.
Verificou-se que quando o sensor era ativado um sinal era produzido, concluindo-se o bom funcionamento
do componente uma vez que o sensor é normalmente aberto (logo no fio da logica mede-se 0V).
6.2 Projeto e desenvolvimento de uma fonte
Existem diversos componentes envolvidos na requalificação que necessitam de alimentação
elétrica na máquina, entre os quais se destacam os controladores de potência, os sensores e as placas
eletrónicas.
Uma particularidade destes dispositivos é o facto de serem alimentadas por corrente contínua
(DC), mesmo quando estão a comandar um motor de corrente alternada (AC), como é o caso. Além
disso, esta necessita de uma alimentação de 12VDC para o seu controlador interno.
Sendo os motores alimentados através do controlador de potência, esta tem de ser alimentada
com um valor de tensão aproximadamente igual ao nominal do motor, 110V no caso dos eixos e de 150V
no da árvore. A potência total dos motores é de 3000W.
Devido ao facto da fonte presente na máquina ser AC, já que os controladores de potência originais
não necessitam de corrente DC, decidiu-se projetar e construir uma fonte. O tipo de fonte escolhida foi
linear, de forma a se obter um menor custo.
Como referido no capítulo 3.4.1, uma fonte linear necessita de quatro componentes base e a
projetada não difere muito, apresentando somente três desses quatro. A diferença neste caso é o
aproveitamento de um regulador de tensão, existente no laboratório, que permite ao utilizador escolher
a tensão de saída da fonte. De seguida, segue o esquema elétrico da fonte (Figura 6.7).
Figura 6.7 – Esquema elétrico da fonte construída
Pode verificar-se a presença dos três componentes, o transformador, da ponte retificadora e dos
condensadores. Destaque para a presença de um regulador que não passa de um autotransformador
88
variável que permite ajustar a tensão à entrada do transformador. Após passar nos outros dispositivos
transforma a tensão em contínua. De destacar a escolha de não utilizar um regulador de tensão, uma
vez que os condensadores já permitem a suavização necessária da onda de saída.
Na próxima figura (Figura 6.8) está fotografada a vista lateral, onde se consegue ver os diferentes
componentes. A estrutura é de ferro e com as paredes laterais e superior em acrílico. Devido ao peso do
transformador, optou-se por uma base em madeira. Todos os componentes e mesmo a base e as
paredes foram fixadas por parafusos.
Figura 6.8 – Fotografia lateral da fonte com a localização dos componentes
O regulador está demonstrado na Figura 6.9. Este permite variar a tensão entre 0V e 150V,
aproximadamente.
Figura 6.9 – Fotografia de frente da fonte
89
Finalmente, na parte superior estão as saídas da fonte e conectores que permitem ligar por
exemplo, um voltímetro para verificar a tensão de saída (Figura 6.10). Esta é a única forma de saber
qual a tensão, uma vez que não existe nenhum mostrador incorporado.
Figura 6.10 – Fotografia superior da fonte
Importante referir que esta fonte é destinada para os testes e não é definitiva. Ou seja, para uma
fonte final, será necessário adquirir ou construir uma de tensão de saída fixa e mais robusta que a
demonstrada aqui.
Quanto às restantes fontes, aproveitou-se a presença de uma fonte DC de 24V na máquina para
os sensores e válvulas do sistema pneumático. Para as placas exteriores, estas podem ser alimentadas
pela placa ligada ao computador, ou podem ser alimentadas separadamente. A escolha foi a segunda
opção de forma a não sobrecarregar a placa 5i20, ou seja, foi necessário adquirir uma fonte de 5V.
Finalmente um dos motores (eixo y) necessita de uma alimentação extra para o seu travão, esta
alimentação pode ser feita externamente ou através do controlador de potência.
6.3 Solução para controlo do motor
Como já foi referido anteriormente, existem diversas possibilidades de controlar um servomotor.
Devido às placas adquiridas e aos controladores de potência e motores, essas possibilidades foram
reduzidas a duas soluções teóricas.
90
Neste subcapítulo são apresentado as duas soluções e a relação entre os seus componentes. O
teste destas e seus resultados são apresentados somente no final deste capítulo.
O principal fator condicionante e aquele que permite as duas soluções é a forma como os
controladores de potência são utilizadas. Como tem vindo a ser descrito nesta dissertação estes
equipamentos permitem o seu uso com o controlador interno ou somente para fornecer de potência para
o motor.
Na primeira solução o controlador de potência é usado de forma mais tradicional, sendo o
controlador que aplica o controlo PID, tendo neste caso de receber a informação do codificador. Esta
malha fechada está representada na seguinte figura (Figura 6.11).
Figura 6.11 - Representação do ciclo fechado na primeira solução
Neste caso o controlador envia um pulso de “step/dir” e com a informação do codificador,
estabelece o controlador PID. Este pulso é gerado pela placa 5i20 e através da 7i33TA faz chegar a
informação ao controlador de potência que fornece a potência necessário ao motor, para este se
movimentar.
Aqui, vê-se que o controlador de potência só tem a função de fornecer potência ao motor no
plano teórico esta solução exige uma maior capacidade do controlador e da sua interface (neste caso a
5i20) e menor capacidade do controlador de potência. Um problema neste tipo de uso é que a
parametrização dos valores de PID é mais difícil e mais morosa, devido à interface que o controlador
apresenta para este processo. Também o facto de este tipo de solução não usar a potencialidade máxima
dos controladores de potência, representa uma má gestão de recursos e baixa eficiência.
Quanto à segunda solução, esta integra o controlador de potência na sua capacidade total de
forma a extrair a máxima eficiência do sistema. Tal como na solução anterior é apresentado um esquema
na Figura 6.12 da relação entre os componentes.
91
Figura 6.12 – Representação do ciclo fechado na segunda solução
O controlador de potência neste caso é o componente que tem a função de controlar a posição
do motor, sendo que tem de aplicar o controlo PID. O controlador irá, tal como na situação anterior,
enviar um pulso step/dir para a placa 7i42TA que permite ao controlador de potência saber a posição e
sentido desejado.
Uma particularidade é que o controlador (LinuxCNC) não sabe a real posição do motor, ou seja,
ele assume que o controlador de potência executa a sua função corretamente. Algo que na teoria podia
ser uma desvantagem, mas que devido à sua capacidade não o é. Um problema pode ocorrer aquando
uma paragem de emergência, já que o controlador assume que o motor está numa posição e pode não
estar. Para ultrapassar esta situação, o controlador de potência tem uma opção em que os sinais do
codificador podem ser fornecidos ao controlador, sendo uma forma de segurança extra.
A solução escolhida e desenvolvida foi esta, devido às razões já enunciadas e também segundo
informações recolhidas sobre exemplos de aplicação, que demonstraram que é a solução mais simples
de aplicar e, principalmente, a mais confiável.
6.4 Parametrização do motor
Um dos aspetos mais morosos e de maior importância no controlo de um servomotor é a
configuração dos parâmetros dos controladores PID/PIV. Estes valores necessitam de ser os mais
adequados possíveis para o motor ter a precisão desejada. Não existem valores absolutos pois variam
de motor para motor e como foi referido no capítulo 3.4.1, a forma mais adequada nesta situação é o
método tentativa erro, assumindo inicialmente valores genéricos de motores com esta configuração.
Uma das vantagens deste controlador de potência é a interface apresentada para a configuração
do motor. Além dos parâmetros PID e PIV, é necessária a sua configuração ou seja as especificações do
motor, os limites de velocidade e aceleração, reação a perdas de posição e mais tarde, o processo de
referenciação
92
Ligações
Antes de partir para a configuração em si, é necessário estabelecer as ligações do motor e do
codificador no controlador de potência, bem como a sua alimentação. Para isto foi necessário desfazer
a conexão original do motor e do codificador, uma vez que as entradas no controlador de potência tem
uma disposição e número de pinos diferentes. O processo pode ser enumerado de acordo com seguinte
sequência:
1. Desfazer as ligações originais; 2. Identificar os diferentes canais dos codificadores e as diferentes fases do motor; 3. Identificar os pinos de entrada dos controladores de potência; 4. Estabelecer a conexão;
A figura seguinte (Figura 6.13) mostra as ligações originais do motor e do codificador, com os
diferentes pinos para os canais do codificador e do motor
Figura 6.13 – Fotografia das conexões do motor (à direita) e do codificador (à esquerda)
Após relacionar os diferentes fios com os canais, através da codificação de cores recolhidas do
manual do motor e dos pinos no controlador de potência, estabeleceu-se a ligação coma a conexão deste
último, como se pode verificar na Figura 6.14 a). Também representado na próxima figura (Figura 6.14
b)) está representado a ligação do motor.
93
Figura 6.14 – Fotografia das ligações do a) codificador; b) motor
Apesar de este codificador oferecer ligações para a verificação da alimentação através de dois
canais extras (5V “sense” e 0V “sense”), o controlador de potência não disponibiliza pinos para esta
funcionalidade. Portanto, somente os diferentes canais e respetivos sinais invertidos (A+,A-,B+,B- e R+,
R-) e a alimentação (5V e GND) é que têm pinos atribuídos. Quanto à ligação do motor, tem somente as
três diferentes fases (V,W e U) definidas.
Estas ligações, apesar dos cabos estarem protegidos, podem permitir a influência de ruido
elétrico, uma vez que as ligações não se mostram muito robustas. Algo que para testes não apresenta
um problema mas que aquando a acoplação final tem de ser repensada.
Finalmente, o sistema geral pode ser conferido na Figura 6.15, onde os fios azuis representam
a alimentação e o cabo USB permite a comunicação com o computador para a configuração do
controlador de potência.
94
Figura 6.15 – Fotografia do sistema geral para afinação
Software
O software utilizado para a configuração é o “GDtool”, que acompanha todos os controladores
de potência desta marca. Inicialmente é necessário definir as especificações do motor. Importante referir
que as configurações escolhidas irão ser importadas para o dispositivo que as assume durante o
funcionamento normal do sistema, embora muitas das considerações sejam relativas aos testes a fazer.
A figura seguinte (Figura 6.16) mostra a janela inicial do software.
Figura 6.16 – Janela inicial do “GDtool”
95
Como se pode verificar é aqui que se define os parâmetros da corrente do motor e a resolução
do codificador. O controlador de potência tem uma opção onde reconhece o motor e preenche os
diferentes campos, sendo necessário de seguida confirmar e se necessário fazer alterações.
De seguida na Figura 6.17, está representado a segunda janela de configuração antes de se
partir para a afinação do motor e configuração dos diferentes parâmetros PID/PIV.
Figura 6.17 – Janela de configuração do “GDTool” para configuração de velocidades
Aqui define-se os valores de velocidade e aceleração máxima que o controlador de potência
permite e que o motor vai ter durante os testes, que neste caso um valor um pouco abaixo da nominal
de forma a não sobrecarregar e consequentemente, sobreaquecer. É possível definir máximos e mínimos
absolutos de posição, mas não é necessário para os testes e posteriormente estes valores são definidos
pelos sensores fim-de-curso. Um ponto de destacar à baixa velocidade quer de “homing”, quer de
recuperação do erro de forma a não forçar o controlador de potência em situações de não maquinagem.
Afinação
O procedimento foi retirado do manual de afinação que acompanha o controlador de potência,
sendo este bastante completo e que ajuda de grande forma o utilizador. O processo passo-a-passo
começa pela configuração dos parâmetros no modo de binário e posteriormente no modo de posição.
Nesta secção só são apresentados os resultados mais importantes (o modo posição) e que levaram aos
valores finais utilizados. Este modo é aquele que tem de ser mais especificado, uma vez que na
movimentação dos eixos da máquina, a velocidade e binário não é de maior importância.
96
Este processo é transversal a todos os motores dos eixos e somente o motor da árvore tem um
processo diferente, uma vez que não tem codificador. O motor que apresenta o melhor estado, como
visto no capitulo anterior é o dos eixos yy e foi esse o primeiro a ser configurado.
A sequência baseia-se na definição de valores iniciais de PID, que após um movimento fixado
pelo controlador de potência (denominado por “step response”) irá traduzir num gráfico representante
dos passos, pelo tempo e ganho. Este “step response” é um movimento com mudanças de sentidos
cuja posição inicial e final tem é aproximadamente a mesma, de forma a testar o funcionamento do
motor.
A janela que permite preencher os diferentes campos é a representada na Figura 6.18.
Figura 6.18 – Janela do “GDtool” para configuração dos parâmetros PID
Servomotor do eixo yy
Os primeiros valores utilizados são resultado de uma pesquisa em motores deste tipo e foram
os seguintes:
Ganho do termo proporcional (P): 100 Ganho do termo Integral (I): 100 Ganho do termo derivativo (D): 700
O resultado destes parâmetros estão representados no gráfico seguinte (Figura 6.19):
97
Figura 6.19 – Gráfico de comparação entre a posição obtida e a desejada (1º tentativa)
Como se pode verificar a posição obtida mantem uma diferença para a posição desejada devido
ao baixo valor do ganho do termo proporcional e com um offset demasiado grande, sendo necessário
aumentar o termo integral.
Por isto definiu-se novos valores de PID:
Ganho do termo proporcional (P): 200 Ganho do termo Integral (I): 250 Ganho do termo derivativo (D): 700
Obtendo-se um novo gráfico representado na Figura 6.20, onde se pode constatar que a posição
obtida segue a posição desejada de forma mais constante, o que revela um valor do ganho proporcional
correto. Já o offset continua demasiado alto e é necessário aumentar o valor do ganho do termo integral,
uma vez que o motor nos estados transitórias (aceleração, mudança de sentido e desaceleração) não
consegue parar no ponto desejado.
Figura 6.20 - Gráfico de comparação entre a posição obtida e a desejada (2º tentativa)
98
Finalmente, com os seguintes valores a resposta foi satisfatória, representada na Figura 6.21:
Ganho do termo proporcional (P): 200 Ganho do termo Integral (I): 350 Ganho do termo derivativo (D): 700
Figura 6.21 – Gráfico de comparação entre a posição obtida e desejada (3º tentativa)
Em comparação, o aumento do ganho integral permite a redução do offset a um nível quase
residual, nomeadamente na troca de sentido. Na desaceleração existe uma pequena disparidade mas
um aumento dos parâmetros revelou que se mantinha, não sendo prejudicial para o sistema.
Um ponto importante é perceber se o motor nesta sequência não perde binário, uma vez que é
preciso suportar o movimento dos eixos. No gráfico seguinte (Figura 6.22) está representado o
comportamento do binário do motor neste “step response”.
Figura 6.22 - Gráfico de comparação entre a posição obtida e desejada e o binário obtido e desejado (3º tentativa)
99
Como o objetivo do trabalho não é o binário, a disparidade encontrada é baixa o suficiente para
ser ignorada. A irregularidade apresentada no gráfico é devido à escala utilizada.
Servomotor do eixo xx
O processo de configuração foi o mesmo que no servomotor anterior. Após a segunda ou terceira
tentativa o controlador de potência perdia a posição do motor, não se conseguindo, desta forma,
configurar os valores corretos de PID.
Confirmou-se com o fabricante dos controladores de potência, que o problema era do codificador,
mais concretamente na possível existência de ruido no sinal transmitido ao controlador. Fator este que
foi associado aos resultados dos testes apresentados no ponto 6.1.2, onde se conclui que os sinais deste
codificador apresentavam vários picos indesejados. É necessária então, a introdução de componentes
eletrónicos (filtros) para melhorar o sinal antes de chegar ao controlador de potência.
6.5 Integração de componentes
Após a configuração do controlador de potência, é necessário integrar os componentes com o
controlador. Este processo consiste em duas fases diferentes:
Configuração do controlador; Construção do sistema físico (servo e sensores);
O controlador oferece a possibilidade de configurar os diferentes componentes através de uma
extensão do LinuxCNC, o “pncconf”, cujo funcionamento foi explicado aquando a sua descrição.
Na Figura 6.23 é apresentada a janela inicial do software em questão.
100
Figura 6.23 – Janela inicial do “pncconf”
Nesta janela é possível definir qual a placa (5i20 neste caso) que faz a comunicação e a geração
dos sinais para os sensores e atuados. Define-se também o número de eixos e o sistema métrico.
O próximo passo é configurar o sistema servo. Como já referido anteriormente, o parâmetro a
controlar no motor é a posição, não sendo necessário geradores de PWM, somente de passos (step/dir)
e os respetivos codificadores de cada motor dos eixos. Sendo assim, na figura seguinte (Figura 6.24) vê-
se a janela que permite essa configuração.
Figura 6.24 - Janela de configuração do sistema servo do “pncconf”
101
Finalmente, é necessário configurar a placa 5i20 e atribuir os diferentes pinos. Tendo este três
barramentos de 50 pinos, preferiu-se a utilização de um para os motores e outro para os diferentes
sensores de fim-de-curso e botão de emergência.
Figura 6.25 – Janela para atribuição dos pinos referentes ao motor no “pncconf”
Na figura anterior (Figura 6.25vê a diferente distribuição dos pinos. Por cada motor (x, y, z e B)
existe um gerador de passos (”steps”) e um de sentido (dir). Também os diferentes codificadores e
sensores estão definidos na Figura 6.26.
Figura 6.26 - Janela para atribuição dos pinos referentes aos sensores no “pncconf”
No anexo II é apresentado os ficheiros “.hall” resultante desta configuração, para posterior
consulta.
102
Após esta configuração é necessário montar o sistema físico com as diferentes placas
intermédias.
Os componentes usados, já descritos anteriormente, além dos controladores de potência e
motores, foram as placas 5i20 e a 7i37TA. Devido à não obtenção da placa 7i42 a tempo, usou-se a
7i37TA, que inicialmente era destinada somente para os sensores. Ou seja, para efeitos de teste a placa
7i37TA irá ser usada e os sensores irão ser integrados posteriormente.
Figura 6.27 constata-se a aplicação da placa 5i20 ao computador. A comunicação é feita através
da porta PCI. Também se pode ver que a comunicação com a 7i37TA é feita através do cabo de 50
pinos representado na figura.
Figura 6.27 – Fotografia da placa 5i20 integrada no computador
Quanto ao conjunto para testes, este está representado na Figura 6.28. Somente a ligação de
um motor está representada, visto que os restantes, excetuando o motor da árvore, se montam da
mesma forma. Os testes efetuados foram de forma individual devido à restrições dos outros
codificadores.
103
Destaque ainda, para as ligações da placa 7i37TA que devido ao seu tipo de entradas e saídas
necessitam de ser alimentadas exteriormente para fornecer os sinais necessários.
Figura 6.28 – Fotografia do conjunto final para testes
Os testes realizados através do LinuxCNC basearam-se na tentativa de mover o eixo
correspondente ao motor. Apesar do seu funcionamento em movimentos curtos e incrementais, o motor
não conseguia corresponder a movimentos contínuos, nem a trocas de direções. Mesmo com os sinais
a serem gerados de forma correta e com a tensão desejada.
Conclui-se que o problema reside na utilização da placa 7i37TA, que como já foi referido, não
era destinada para os motores mas sim para os sensores. Não tendo a capacidade para transmitir os
pulsos para o controlador de potência na velocidade necessária. Apesar de a tensão ser a correta, a
frequência com que os sinais de “step” chegam ao controlador de potência não serve para controlar o
motor. Por isto, foi encomendada a placa 7i42TA cujo design é próprio para executar esta função.
Quanto à integração dos sensores, utilizou-se novamente a placa 7i37TA e foi aproveitado alguns
componentes existentes na máquina.
Para o fornecimento de energia dos sensores fins-de-curso dos eixos utilizou-se, nos testes, a
placa 7i37TA, que alimentada com os 24V permite gerar os sinais necessários para serem enviados ao
controlador (pela placa 5i20).
104
A disposição dos diferentes componentes é a representada na Figura 6.29
Figura 6.29 – Fotografia da ligação de um sensor fim de curso à placa 7i37TA
Importante referir que a integração final dos sensores fins-de-curso dever ser feita através do
aproveitamento do barramento original existente na máquina. Este barramento é energizado com 24V
para todos os sensores (dos eixos e dos outras funções) a placa 7i37TA só será conectada com um fio
para a transmissão do sinal.
6.6 Discussão de resultados
O resultado desta dissertação materializou-se na elaboração de um projeto para a requalificação
da máquina. Para isto, foi elaborado e disponibilizado (no anexo A) um diagrama com a integração de
todas as placas e componentes para o controlo dos motores.
Apesar dos testes não terem sido positivos no que diz respeito ao controlo efetivo do motor, um
grande passo foi feito na direção da requalificação do sistema de controlo desta máquina. As razões para
a não movimentação do motor nas condições desejadas, prendem-se na falta das placas eletrónicas
corretas, como já especificado anteriormente. Uma nova placa foi encomendada mas até ao momento
da conclusão desta dissertação ainda não tinha sido disponibilizada.
Como resultados práticos destaca-se a elaboração da fonte mas principalmente, a configuração
do software do controlador e a afinação dos motores. Este último, mesmo revelando-se um aspeto
moroso e com diversos contratempos (no que diz respeito aos codificadores) está concluído e os motores
105
estão prontos para serem testados todos em conjunto. Quanto ao controlador, a configuração do
LinuxCNC também está concluída para o movimento dos eixos, com os diferentes dispositivos
interligados (codificadores e sensores fins-de-curso).
Um ponto importante a referir nesta secção é a avaliação aos componentes escolhidos. O principal
comentário vai para o controlador cujo funcionamento se revelou intuitivo, principalmente na sua
interface de configuração (“pncconf”). Esta permitiu a configuração dos diferentes parâmetros com
alguma facilidade, nomeadamente dos dispositivos de realimentação.
Os controladores de potência, apesar de serem muito completos, revelaram-se um pouco frágeis
(ruido na receção/transmissão do sinal, aquecimento em demasia), concluindo-se que para ambientes
industriais poderiam precisar de uma intervenção para aumentar a sua robustez.
As placas eletrónicas confirmaram o porquê da sua ampla utilização em requalificações de
máquinas CNC e se a sua seleção inicial fosse dirigida para esta máquina, o projeto poderia estar perto
da conclusão. A parte económica também é um fator a realçar neste projeto, uma vez que os
componentes utilizados não são de valores muito altos.
106
107
7. CONCLUSÃO
Ao longo desta dissertação foram enunciadas várias razões para reforçar a importância da
manutenção de equipamentos industriais, uma vez que este processo é muitas vezes necessário para o
sucesso das empresas.
A dissertação apresentada foi efetuada sob o ponto de vista mecatrónico e teve como objetivo o
estudo de um sistema de controlo alternativo para um CNC, começando pelas funções essências à
maquinagem.
Para uma correta interpretação do trabalho desenvolvido foi necessário clarificar vários aspetos
mecânicos e eletrónicos relacionados com uma máquina-ferramenta de controlo numérico, algo que
obrigou uma pesquisa bibliográfica e do estado de arte não exaustivos mas o mais detalhados possível.
A primeira parte do trabalho foi dedicada ao projeto e aos fatores que o condicionam e justificam
a sua implementação. A metodologia utilizada tem o objetivo de fornecer um conjunto de ações que
sejam abrangentes o suficiente para não limitar a personalização do sistema por quem o pretenda
aplicar, o que reforça ainda mais a importância da utilização de um software aberto. No entanto nenhum
projeto deve ser desenvolvido sem um método bem definido e estruturado e este não foge à regra.
A requalificação obtida foi um passo importante para o objetivo final de reposição do normal
funcionamento do equipamento, apesar de, vários aspetos ainda necessitarem de uma intervenção
posterior.
Desta dissertação resulta ainda, além do conhecimento obtido, um manual que permite quer ao
utilizador, quer a quem continue o trabalho, a compreensão dos dispositivos eletrónicos e elétricos
existentes na fresadora.
Um aspeto não menos importante é a possibilidade de, através do manual, ser desenvolvida uma
bancada de testes aos motores e aos dispositivos de realimentação estudados (codificadores e sensores
fim de curso). Esta bancada é importante do ponto de vista académico, uma vez que permite aos alunos
perceberem o funcionamento destes componentes, e do ponto de vista industrial, já que permite criar
rotinas de manutenção e de requalificação de equipamentos deste tipo.
Como avaliação pessoal do trabalho realizado, existem falhas que podiam ter sido evitadas,
principalmente no desenvolvimento de um melhor plano de intervenção e consequente melhor utilização
do tempo disponível, aspeto que após a leitura deste relatório possa ser precavido pelos alunos que o
irão continuar.
108
7.1 Trabalhos futuros
Apesar de uma boa parte do trabalho de requalificação ter sido elaborado é necessário definir qual
o processo a seguir para finalizar o projeto final. De forma atingir esse objetivo existem diversos passos
que ainda têm de ser efetuado mas a base para a implementação do projeto já está criada.
1. Integrar a placa encomendada; 2. Adquirir/reparar os codificadores em falha; 3. Integrar o sistema final e testar; 4. Montar os motores nos eixos e afina-los novamente; 5. Afinar e testar o motor da árvore; 6. Integrar todos os componentes;
A placa encomendada é usada da mesma forma que a que foi utilizada nos testes, ou seja, a
configuração no controlador já está efetuada. Quanto aos codificadores, como já foi referido aquando o
seu teste, é necessário adquirir o codificador do eixo zz e melhorar o sinal do codificador do eixo yy
através da colocação de um filtro antes do sinal chegar ao controlador de potência.
A integração é simples, tal como a presente neste relatório mas com todos os eixos em
funcionamento, verificando o funcionamento e um desempenho das placas e da fonte no caso de
movimento simultâneo.
Um aspeto que vai aumentar a complexidade do trabalho é a integração do motor da árvore. Em
teoria os mesmos controladores de potência aguentam a maior potência daquele motor, mas é
necessário testar o seu funcionamento. A afinação terá de ser feita de forma diferente, uma vez que
neste caso a posição não é importante, mas sim a velocidade e o binário do motor.
A montagem dos motores tem de ser cuidada e após este processo é necessário afinar os
motores, nomeadamente no binário, uma vez que no caso dos testes, o motor rodava livremente e agora
têm de suportar carga. Um parâmetro a afinar é a velocidade do movimento dos eixos, que varia com a
relação de transmissão presente em cada um.
Finalmente, será necessário integrar todos os componentes, seguindo o esquema da cabine da
máquina apresentado no anexo I.
Todos estes passos irão permitir a requalificação do sistema de controlo da fresadora, no que
diz respeito às funções principais de maquinagem. De referir, que para o sistema final é necessário
adquirir componentes que aumentem a robustez do sistema, nomeadamente, uma fonte e barramentos
e cablagem que respeitem as normas e sejam eficientes.
109
Sugere-se ainda a revisão das funções do robot porta ferramentas e de troca de peça, uma vez
que estas irão exigir uma abordagem diferente e muito provavelmente, novas placas e configurações.
O aproveitamento dos componentes antigos da máquina (PLC, IHM) pode ser uma solução que
vise a criação de uma bancada didática e de testes.
111
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115
ANEXOS
116
117
Anexo I Manuel Eletrónico da Fresadora
118
119
INTRODUÇÃO
O seguinte manual diz respeito à fresadora de comando numérico com 4 eixos de maquinagem
da SwissPerfo controlada por sistema aberto denominado LinuxCNC, que se encontra presente no
laboratório de fabrico automático nas Oficinas de Formação do departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade do Minho.
Tendo em conta que a requalificação do sistema de controlo da máquina foi levada a cabo é
necessário um manual detalhado desse processo. O seguinte texto surge para colmatar essa falha, de
forma a possibilitar ao utilizador a perceção clara do sistema implementado e apoiar possíveis trabalhos
futuros.
A constituição deste manual baseia.se em três capítulos; a identificação dos componentes; as
especificações elétricas do acionamento e os passos para a montagem do sistema.
É importante referir que um manual técnico direcionado à parte mecânica já foi elaborado
anteriormente, inserindo-se assim este manual num conjunto de documentos de apoio à manutenção da
máquina referida.
120
Identificação dos componentes
O sistema de controlo da máquina tem como base o controlador LinuxCNC que necessita de
placa eletrónicas para gerar os sinais. Além destes dois componentes base, cada motor necessita de um
controlador de potência de forma a fornecer a potência necessária para o seu movimento.
Neste caso procedeu-se ao levantamento e identificação dos componentes utilizados. Para os
motores em falta (eixo xx e eixo B) o processo e os componentes são os mesmos.
Figura 0.1 – Fotografia da diferente disposição dos componentes
Nr. Descrição Quantidade
1 Placa Mesa "5i20" 1 2 Placa Mesa "7i42TA" 1 3 Placa Mesa "7i47TA" 1 4 Drive Granite Devices "vsd-e 160" 2 5 Motor SIEMENS "1FT5044-0AF01-1-Z" 2
121
Acionamento
Assumindo a configuração correta dos diferentes parâmetros de afinação é necessário proceder
ao acionamento elétrico do sistema. Para isto, existem várias formas a considerar uma vez que,
diferentes placas e motores, têm diferentes valores de tensão e corrente.
A tabela seguinte permite a identificação dos vários valores de tensão e corrente para os
componentes, sendo que o fornecimento de energia aos motores é feito através dos respetivos
controladores de potência.
Componentes Tensão Nominal (V) Corrente Nominal Tipo de ligação
Drive "vsd-e 160" Lógica 12 500-700mA Fonte dedicada
Motores 110 3.5-4.4A Fonte dedicada para os motores Placa Mesa "7i37TA" 5 50mA Fonte dedicada ou através da 5i20 Placa Mesa "7i42TA" 5 50mA Fonte dedicada ou através da 5i20 Placa Mesa "5i20" 5 1A Através do PC Sensores Indutivos 24 200mA Fonte dedicada (barramento para todos os sensores) Travão do motor yy 24 450mA Fonte dedicada ou através da drive
Lista de procedimentos
Antes de ser proceder à conexão dos diferentes componentes é necessário utilizar a tabela
anterior e energizar o sistema.
1. Alimentação dos controladores de potência (logica e motor)
Este passo é transversal a todos os motores, a alimentação deve ser feita através de uma fonte
dedicada para o motor e uma para a logica de cada controlador de potência.
Aviso: O motor do eixo yy tem um travão que tem de ser desbloqueado através do fornecimento
de 24V. Pode ser feito independentemente ou através do controlador de potência.
2. Alimentação das placas intermedias
A placa “5i20” está conectada ao PC e este fornece a tensão e corrente necessária. As placas
7i37Ta e 7i42TA podem ser alimentadas através do cabo de 50 pinos da 5i20 ou com uma fonte
dedicada de 5V. Dá-se preferência para a alimentação com uma fonte dedicada.
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3. Alimentação dos sensores
Para os sensores, o barramento existente na máquina é alimentado por uma fonte dedicada de
24V.
Após a alimentação dos diversos componentes é necessário estabelecer as respetivas ligações.
É necessário para isso, saber as ligações existentes nos controladores de potência e nas placas. Tanto o
motor como os codificadores têm ligações diferentes das do controlador de potência, portanto é
necessário fazer a adaptação, como exemplificado de seguida.
Figura 0.2 – a) Ligações originais b) ligações para o controlador de potência
Para definir as ligações é necessário ter em conta as conexões disponíveis em cada componente
e a definição dos diferentes pinos do controlador para a placa 5i20, através do ficheiro “README” gerado
pelo controlador.
1 Ligar o motor, canal 6 e o codificador, canal 5, à drive 2 Estabelecer a ligação entre a drive e a placa 7i42TA através do canal 1 e os pinos
definidos pelo controlador (através da 5i20) para o controlo dos motores
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Figura 0.3 – Distribuição das conexões do controlador de potência
Para os sensores é necessário ter em conta os pinos definidos pelo controlador como entradas
e conectar o fio da logica ao pino respetivo na placa 7i37TA.
Figura 0.4 – Planta da placa 7i37TA
Estando o sistema energizado e interligado corretamente, o LinuxCNC dispões de uma possibilidade de teste, através da interface “pncconf”. Os testes devem ser feitos com o movimento dos motores em simultâneos de forma a ver a resposta das placas e da alimentação.
Aviso: Aquando o movimento dos motores durante um período um longo período de tempo,
será necessária a aplicação de um dissipador de calor, devido ao aumento exagerado da sua temperatura.
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Anexo II
Configuração do sistema
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Para configurar o controlador e as diversas placas é necessário obter um ficheiro “.hal” que
permita o funcionamento pretendido da maquina. Através do “pncconf” estes ficheiros são obtidos,
sendo que mudanças específicas podem ser efetuadas através da sua alteração.
O “pncconf” gera três ficheiros diferentes. Apesar de só um ser “.hal”, os restantes fazem parte
da configuração e oferecem ao utilizador a possibilidade de retirar informação sobre o sistema criado. O
primeiro, apresentado nas figuras seguintes, apresenta a função de todos os pinos na placa utilizada
(5i20 neste caso).
Figura 0.5 – Ficheiro “readme”
A placa 5i20 dispõe de três conectores de 50 pinos mas somente dois é que irão ser utilizados.
Através deste ficheiro é possível constatar que o primeiro conector é usado para os codificadores e fins-
de-curso (figura .1 e 2) e o segundo para os diferentes motores (figura .3 e .4).
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Figura 0.6 – Ficheiro“readme” (continuação)
Figura 0.7 – Ficheiro “readme” (continuação)
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Figura 0.8 – Ficheiro “readme” (continuação)
O segundo ficheiro apresenta valores utilizados nos diferentes servomotores, desde o PID (neste
caso a drive é que define este valor, logo não se usa) a valores para a interação entre o controlador e a
drive, e está representado na figura seguinte (figura.5).
Figura 0.9 – Ficheiro “teste_1.ini”
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Figura 0.10 - Ficheiro “teste_1.ini” (continuação)
Figura 0.11 - Ficheiro “teste_1.ini” (continuação)
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Um ponto importante e que vale a pena referenciar são os seguintes parâmetros:
DIRSETUP: 125 DIRHOLD: 125 STEPLEN: 125 STEPSPACE: 125E
Estes valores variam com diferentes drives e permitem ao controlador saber o que esperar do
que diz respeito aos pulsos para o controlo do servomotor (“step/dir”). O LinuxCNC oferece estes valores
mediante o fabricante das drives utilizadas.
Finalmente, o ficheiro “.hal” que realmente define todos os parâmetros do sistema, sendo que
enquanto os outros são meramente informativos, este permite a alteração do que foi criado com o
“pncconf”. Este ficheiro é mostrado nas figuras seguintes.
Figura 0.12 – Ficheiro “teste_1hal”
Na primeira figura (figura.8) está representado a secção do ficheiro “hal” a configuração da
comunicação entre o PC e a placa, bem como a definição de alguns pinos (enable, mínimo x).
A figura.9 continua com a definição dos mínimos e máximos dos diferentes eixos (sensores fins-
de-curso) e começa a definir parâmetros do controlo do servo, sendo que os valores de PID, PIV, etc.
não são usados, pois a drive é que os define.
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Figura 0.13 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação)
Figura 0.14 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação)
A figura anterior (figura.10) representa, para um eixo, os parâmetros para a geração dos pulsos
de “step/dir” e posteriormente, na figura.11, a relação com os codificadores. Para os restantes eixos,
os parâmetros são definidos na mesma forma.
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Figura 0.15 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação)
Figura 0.16 - Ficheiro “teste_1hal” (continuação)
A última figura (fig.12) representa a secção do ficheiro “hal” que permite a configuração de
funções acessórias da máquina, como botões e o sistema de refrigeração, por exemplo. Como estes
serviços não foram implementados, nenhum pino ou parâmetro está atribuído.
![Subsistema de E-S [03]](https://img.document.onl/doc/110x75/577c7f731a28abe054a4a1b5/subsistema-de-e-s-03.jpg)
