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Curso de Engenharia Mecânica - Automação e sistemas
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA FRESADORA
NUMÉRICAMENTE CONTROLADA
Denis Ocanha
Itatiba – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2009
ii
Curso de Engenharia Mecânica - Automação e sistemas
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA FRESADORA
NUMÉRICAMENTE CONTROLADA
Denis Ocanha
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia mecânica –
Automação e Sistemas da Universidade São Francisco,
sob a orientação do Prof. Paulo Eduardo Silveira, como
exigência parcial para conclusão do curso de graduação.
Orientador: Prof. Paulo Eduardo Silveira
Itatiba – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2009
iii
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA FRESADORA
NUMÉRICAMENTE CONTROLADA
Denis Ocanha
Monografia defendida e aprovada em 10 de Dezembro de 2009 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Paulo Eduardo Silveira (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Eduardo Balster Martins (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Fernando Cesar Gentile (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
iv
Saber sacrificar tudo a um dever é a principal e
mais difícil ciência que nós temos de aprender na
vida.
(Julio Dinis)
v
A meus pais José Tadeu Ocanha e Fátima
Aparecida de Freitas Matana Ocanha e também a
meu irmão Danilo Ocanha sem os quais não
chegaria a lugar algum.
Sou eternamente grato a todos.
vi
.Agradecimentos
Agradeço aos colegas universitários, companheiros dentro e fora do contexto deste trabalho,
agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade.
Agradeço também a meus familiares e amigos de infância que direta ou indiretamente
contribuíram para a minha formação pessoal e profissional.
Eu agradeço fraternalmente a todos.
vii
Sumário
Lista de Figuras ....................................................................................................................... ix
Resumo ...................................................................................................................................... x
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1 1.1 Objetivo ......................................................................................................................... 1
1.2 Justificativa.................................................................................................................... 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 2 2.1 Máquinas ferramenta ..................................................................................................... 2
2.1.1 Conceito .................................................................................................................. 2
2.1.2 Qualidades principais ............................................................................................. 2 2.1.3 Características das máquinas-ferramenta. .............................................................. 3
2.1.4 Movimentos ............................................................................................................ 4 2.2 Fresadora ....................................................................................................................... 5
2.2.1 Generalidades ......................................................................................................... 5
2.2.2 Operações fundamentais ......................................................................................... 6
2.2.3 Construção e características comuns das fresadoras .............................................. 7 2.2.4 Partes principais da fresadora ................................................................................. 7 2.2.5 Classificação das fresadoras ................................................................................... 8
2.2.6 Fresadora vertical ................................................................................................... 8 2.2.7 Operação de fresar .................................................................................................. 9
2.3 Comando numérico ..................................................................................................... 10 2.3.1 Definição de comando numérico .......................................................................... 10
2.3.1.1 Controle numérico ponto a ponto .................................................................. 10 2.3.1.2 Controle numérico contínuo .......................................................................... 10 2.3.1.3 Comandos numéricos com minicomputador ou microprocessadores (CNC) 11
2.3.2 Centros de torneamento ........................................................................................ 11 2.3.3 Máquinas simples com controle numérico ........................................................... 12
2.3.4 Centros de usinagem ............................................................................................. 12 2.3.5 Meios de entrada e saída de dados ....................................................................... 12
2.3.5.1 Unidades de comando numérico .................................................................... 12 2.4 Sensores e atuadores.................................................................................................... 13
2.4.1 Encoders ............................................................................................................... 13 2.4.1.1 Encoders absolutos ........................................................................................ 13 2.4.1.2 Encoders Incrementais ................................................................................... 14
2.4.2 Sincros e Resolvers ............................................................................................... 15 2.4.3 Motores de corrente contínua ............................................................................... 16
2.4.3.1 Princípio de funcionamento ........................................................................... 16 2.4.3.2 Diferentes tipos de motores de corrente contínua .......................................... 17 2.4.3.3 Motores de passo ........................................................................................... 20
2.4.3.4 Servo-motores ................................................................................................ 24
viii
3 METODOLOGIA ............................................................................................................ 25 3.1 Projeto mecânico ......................................................................................................... 25
3.1.1 Estrutura ............................................................................................................... 26 3.1.2 Barras roscadas e Porca de precisão ..................................................................... 26 3.1.3 Guias e Buchas ..................................................................................................... 26 3.1.4 Acoplamentos ....................................................................................................... 26
3.2 Montagem estrutural ................................................................................................... 28
3.3 Controle ....................................................................................................................... 31 3.3.1 Computador Pessoal ............................................................................................. 32 3.3.2 Porta paralela ........................................................................................................ 32 3.3.3 Interface de controle ............................................................................................. 33 3.3.4 Fonte de alimentação ............................................................................................ 34
3.3.5 Motor de passo ..................................................................................................... 35 3.3.6 Motor .................................................................................................................... 35
3.3.7 Software de controle ............................................................................................. 36
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 37
5 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 40
6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 41
Apendice 1 – Projeto mecânico ............................................................................................. 42
Anexo 1 – Manual interface de controle ............................................................................... 57
Anexo 2 – Data sheet motor de passo .................................................................................... 75
ix
Lista de Figuras
FIGURA 2.1 - FRESADORA VERTICAL ........................................................................................... 8
FIGURA 2.2 - A ESQUERDA ENCODER EM CÓDIGO BINÁRIO, À DIREITA EM CÓDIGO GRAY. ......... 14
FIGURA 2.3 - RODA DE UM ENCODER INCREMENTAL.................................................................. 14
FIGURA 2.4 - ESTRUTURA INTERNA DE UM SINCRO(A) E CONEXÕES ELÉTRICAS(B). ................... 15
FIGURA 2.5 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA. ............ 17
FIGURA 2.6 - TORQUE NOS MOTORES SÉRIE. .............................................................................. 18
FIGURA 2.7 - TORQUE NOS MOTORES PARALELO. ...................................................................... 19
FIGURA 2.8 - TORQUE NOS MOTORES COMPOSTOS, A (DIFERENCIAL), B (CUMULATIVO). .......... 20
FIGURA 2.9 - SEQÜÊNCIA DE ATIVAÇÃO DAS BOBINAS DE UM MOTOR DE PASSO. ....................... 21
FIGURA 2.10 - SEQÜÊNCIA DE PULSOS PARA PASSO COMPLETO DE UM MOTOR DE PASSO. .......... 22
FIGURA 2.11 - SEQÜÊNCIA DE PULSOS PARA MEIO PASSO DE UM MOTOR DE PASSO. ................... 22
FIGURA 2.12 - ILUSTRAÇÃO CALCULO DO TORQUE .................................................................... 23
FIGURA 2.13 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SERVO-MOTOR DE VELOCIDADE. ......................... 24
FIGURA 3.1 - VISTA FRONTAL ................................................................................................... 27
FIGURA 3.2 - VISTA LATERAL .................................................................................................... 27
FIGURA 3.3 - VISTA ISOMÉTRICA ............................................................................................... 28
FIGURA 3.4 - PROJETO MECÂNICO - VISTA FRONTAL ................................................................. 29
FIGURA 3.5 - PROJETO MECÂNICO - VISTA LATERAL ................................................................. 30
FIGURA 3.6 - PROJETO MECÂNICO - VISTA ISOMÉTRICA............................................................ 30
FIGURA 3.7 - RELAÇÃO DE PINOS PORTA PARALELA .................................................................. 32
FIGURA 3.8 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO INTERFACE DE CONTROLE ................................................ 33
FIGURA 3.9 - INTERFACE DE CONTROLE ..................................................................................... 34
FIGURA 3.10 - FONTE DE ALIMENTAÇÃO ................................................................................... 34
FIGURA 3.11 - MOTOR DE PASSO ............................................................................................... 35
FIGURA 3.12 - MICRO RETIFICA ................................................................................................. 35
FIGURA 3.13 - SOFTWARE DE CONTROLE MACH 2 ................................................................... 36
FIGURA 4.1 - PERCENTUAL DE CUSTOS NO PROJETO MECÂNICO ................................................. 38
FIGURA 4.2 - PERCENTUAL DE CUSTOS NO CONTROLE ............................................................... 39
x
Resumo
Esta monografia tem como objetivo o projeto e a construção de uma fresadora
numéricamente controlada para efetuar a operação de fresagem de materiais de baixa
resistência mecânica, mais especificamente madeira.
O projeto mecânico foi desenvolvido no software SOLIDWORKS. O projeto é
composto pela estrutura mecânica, motores de passo, interface de controle, fonte de
alimentação, cabo de transferência de dados via porta paralela e o software MACH2 para o
controle.
Alguns componentes mecânicos da fresadora não são considerados os ideais para uma
máquina obter a máxima precisão de trabalho, mas devido ao alto custo destes componentes,
foram substituídos por elementos de menor custo de aquisição.
PALAVRAS-CHAVE: Fresadora CNC, interface de controle, motor de passo.
1
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, o comando numérico computadorizado (CNC) é o mais utilizado meio
para uma usinagem de precisão. O comando numérico computadorizado recebe informações
sobre a forma como a máquina vai realizar uma operação, por meio de linguagem própria,
denominado programa CNC, este processa essas informações, e devolve-as ao sistema através
de sinais elétricos.
Os sinais elétricos são responsáveis pelo acionamento dos motores que darão à
máquina os movimentos desejados com todas as características da usinagem, realizando a
operação na seqüência programada sem a intervenção do operador.
1.1 Objetivo
Este trabalho tem como objetivo projetar e construir uma máquina CNC capaz de
efetuar operação de fresamento, visando baixo custo e alta qualidade do produto final.
1.2 Justificativa
Nas indústrias observa-se uma maior necessidade de aumento de produção, alta
qualidade, alta velocidade de produção, redução de perdas e controle dimensional dos
produtos.
Na indústria de máquinas o que era manual está rapidamente se tornando automático, e
com isto, tornou-se necessária a introdução de automação e controle nas antigas máquinas
convencionais, tornando o processo mais limpo, com maior qualidade e o mais importante, a
alta velocidade que o controle nos oferece.
Baseado nesta tendência mundial surgiu o interesse de projetar uma máquina
numericamente controlada com custo acessível a pequenas e médias empresas, levando em
conta que o conceito CNC é aplicável em uma gama muito grande de máquinas.
2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Máquinas ferramenta
2.1.1 Conceito
Máquinas-ferramenta também denominadas máquinas operatrizes são destinadas à
realização de qualquer trabalho de acabamento mecânico no material, como, por exemplo, as
prensas, tesouras, martelos, punções, tornos, fresadoras, plainas, etc.
Constituem o marco do grau de civilização de um país. Sem elas, não seria possível a
produção em larga escala de vários produtos que nosso padrão de vida tem indicado e aceito
para o bem da coletividade.
São essenciais na confecção de todos os produtos desde para as turbinas gigantes, de
instrumentos de aeronáutica, etc. O automóvel, o rádio e a máquina de lavar, a de escrever, os
refrigeradores e condicionadores de ar, os instrumentos científicos e uma série de outras
utilidades não existiriam, hoje, se não houvesse o grande progresso da indústria de máquinas-
ferramenta.
É das máquinas-ferramenta que o engenheiro depende quando projeta um produto. A
capacidade de uma máquina executar certas operações habilita o engenheiro a adaptar o
projeto a essa capacidade e assegurar a rápida e econômica produção de utilidades.
O conhecimento das possibilidades de uma máquina é o maior ativo que um
engenheiro deve possuir em seu cabedal profissional. E lhe permitirá planejar a produção,
estimar o preço de custo, projetar produtos e equipamentos e planificar as instalações
industriais para a produção mais econômica. [4]
2.1.2 Qualidades principais
Uma máquina-ferramenta deve ser construída de tal modo, que possa efetuar um
determinado trabalho com verdadeira perfeição e economia.
Acreditar que uma máquina-ferramenta possa fazer qualquer classe de trabalho seja o
que for, é um erro, assim, podemos dizer que o emprego de máquinas chamadas universais
não é conveniente para os trabalhos em série, como tão pouco para nossos operários, pois são
muito complicadas e se prestam a erros que poderiam ser causa de prejuízos de ordem
3
econômica, sem considerar que exigem para o seu funcionamento, excesso de potência e
falsas manobras que precisam de tempo, inerentes a seus mecanismos.
As máquinas devem ser simples e devem corresponder melhor ao fim de
especialização, assim como em sua construção devem ter os mecanismos mais simples e
sólidos que se prestem a um funcionamento de precisão no trabalho e que as manobras de
preparação para o mesmo como também as correspondentes às mudanças de velocidades e
marcha possam efetuar-se com rapidez.
As máquinas-ferramenta se baseiam nos princípios fundamentais:
- os movimentos dos órgãos que trabalham devem ser perfeitamente definidos;
- os órgãos que transmitem o movimento de peças a trabalhar, assim como as
ferramentas, devem ser suficientemente robustos, a fim de resistirem, sem
rupturas, deformações e vibrações perceptíveis aos esforços a que estiverem
submetidos;
- as ferramentas cortantes devem ter uma forma tal que assegure o corte nas
melhores condições possíveis, com o mínimo de resistências a vencer,
absorvendo baixa potência. [4]
2.1.3 Características das máquinas-ferramenta.
As máquinas modernas apresentam as seguintes características:
Grande potência
Especialmente em seguida à adoção do aço rápido (1900) e mais recentemente com as
ligas tipo Stellite e Widia (carburetos duros) as máquinas devem ser robustas para
resistirem à alta velocidade de corte que se pode aplicar atualmente.
Automatismo
Há uma tendência contínua em produzir a máquina automática, com o fim de reduzir o
trabalho do operário quase exclusivamente ao controle de uma ou várias máquinas.
Grande precisão
Procura-se logo alcançar, especialmente com a retificadora, o elevado grau de precisão
que fixam as tabelas de tolerância, requisito da moderna exigência construtiva,
especialmente na aplicação a elevadas velocidades, é possível também alcançar a
intermutabilidade da peça correspondente, pertencente a uma cópia mecânica.
Especialização
Na indústria não muito especializada, a máquina operatriz tem um caráter genérico,
isto é, permite a produção de uma grande variedade de órgãos mecânicos. Mas com a
4
especialização da fabricação, também as máquinas-ferramenta são especializadas, cada
uma executa um só gênero de trabalho, porém executa mais rapidamente e com maior
precisão e sem dúvidas mais economicamente.
Comando individual
As máquinas, até pouco fabricadas, eram comandadas por transmissão, que distribuía
o movimento a uma série de máquinas. Atualmente as máquinas são todas
motorizadas, cada uma tem anexado, como parte integrante da própria construção, o
motor de comando.
A aplicação da eletricidade permitiu notáveis aperfeiçoamentos, obtidos mais simplesmente
do que por via mecânica. [4]
2.1.4 Movimentos
Nas máquinas-ferramenta há a considerar três espécies de movimentos essenciais:
-movimento de preparação
-movimento principal, de trabalho ou de corte
-movimento secundário, de avanço ou de alimentação
O movimento ou movimento de preparação são necessários para por a máquina em
movimento e podem ser efetuados manual ou mecanicamente, isto é, por acionamento
mecânico, são constituídos, pois, por tudo aquilo que é preciso fazer para que a máquina fique
em condições de iniciar seu trabalho.
O movimento principal é aquele que produz o corte do material, é também chamado
movimento de trabalho de corte.
O movimento principal pode ser executado pela ferramenta ou pela peça que se
trabalha.
Sob o ponto de vista da classe de movimento, este pode ser:
-de rotação;
-retilíneo-alternativo;
-retilíneo-contínuo;
O movimento secundário é aquele que produz o avanço da ferramenta ou da peça.
Poderá haver um ou mais movimentos conforme a complexidade do trabalho realizado pela
máquina. São denominados também movimentos secundários, de avanço ou de alimentação.
Estes movimentos de translação ou de avanço podem ser transmitidos tanto à ferramenta
como à peça e realiza-se em uma, duas ou três direções normais entre si.
O movimento de avanço tem por fim levar a ferramenta ou a peça até a ação de corte.
5
O movimento principal sempre é automático nas máquinas-ferramenta. Os
movimentos secundários podem ser ou não automáticos.
De acordo com as duas ultimas espécies de movimentos que merecem especial atenção
entre as três citadas, podemos ter as seguintes possibilidades:
- máquinas em que a peça executa o movimento principal e a ferramenta o de
avanço, exemplo: tornos, plainas de mesa, etc.;
- Máquinas em que a ferramenta executa o movimento de trabalho e a peça o
de avanço, exemplo: tornos limadores, fresadoras, etc.;
-máquinas em que a ferramenta executa os dois movimentos e a peça
permanece fixa; exemplo: furadeiras e alguns tipos de fresadoras;
-máquinas em que a peça executa ambos os movimentos e a ferramenta
permanece fixa. É um caso que só aparece em máquinas especiais; exemplo:
máquinas de abrir roscas. [4]
2.2 Fresadora
2.2.1 Generalidades
Fresadora ou máquina de fresar é a máquina cuja ferramenta está animada de
movimento de rotação e arranca o material em excesso, em forma de cavacos mais ou menos
reduzidos, muito parecidos com uma vírgula.
A ferramenta empregada na fresadora tem o nome de “fresa” que é um sólido de
revolução apresentando vários dentes que trabalham intermitentemente. Em virtude do seu
grande número de dentes, esse seu trabalho é quase contínuo.
O trabalho intermitente dos dentes apresenta a vantagem dos mesmos poderem esfriar
durante o tempo em que arrancam o material.
A ferramenta, provida de dentes cortantes, é suportada por um mandril que a atravessa.
O mandril é acionado pela árvore que gira pelo movimento de um trem de engrenagens
existente no interior da coluna.
A extremidade do mandril é apoiada por um mancal ou bucha no suporte do mandril.
Este é fixo ao braço existente na parte superior da coluna.
Para algumas peças, a ferramenta é fixa a uma haste ou mandril cônico que penetra no furo
cônico da árvore, dispensando o uso de mandril comum.
6
A obra a ser usinada é presa firmemente à mesa. Esta trabalha sobre guias na sela e
pode avançar nos dois sentidos, longitudinalmente no plano horizontal.
A sela também trabalha sobre guias no suporte da mesa (consolo) e pode avançar nos
dois sentidos, transversalmente, (paralelamente à árvore) no plano horizontal.
O suporte da mesa ou consolo trabalha em guias na frente da coluna e pode avançar
verticalmente.
A combinação dos movimentos longitudinal da mesa, transversal da sela e vertical do
suporte da mesa, permite levar a obra a qualquer posição em relação à ferramenta e avançar a
peça contra a ferramenta em qualquer das três direções.
A peça a usinar é presa à mesa e avança à proporção que se aumenta o corte. [4]
2.2.2 Operações fundamentais
Fazendo-se variar e aplicando-se convenientemente o princípio básico das fresadoras
podem executar superfícies planas, curvas e irregulares, rasgos ou chavetas, rasgos em “T”,
caudas de andorinha, chavetas longas, quadrados hexágonos e outras peças regulares, furos,
broqueamento de precisão, sulcos em alargadores e machos, excêntricos, todos os tipos de
engrenagens e ainda, produzir suas próprias ferramentas.
As operações fundamentais quer realizadas nas fresadoras horizontais, verticais ou
universais, podem ser agrupadas da seguinte forma:
-Operações de fresagem horizontal.
-Operações de fresagem vertical [4]
Fresagem radial (cilíndrica ou periférica) e frontal. [4]
A fresagem quanto ao modo de arrancar o cavaco pode ser feita de duas maneiras
distintas.
- fresagem radial;
- fresagem frontal.
Os sistemas de trabalho dão lugar a uma classificação de fresas em 3 grandes grupos:
fresas cilíndricas, fresas frontais e fresas mistas.
Fresagem em oposição e em concordância [4]
A fresagem cilíndrica ou periférica pode ser feita de duas maneiras distintas:
- em oposição (convencional)
- em concordância
7
Na fresagem em oposição, o sentido de rotação da fresa é contrário ao sentido de
avanço da peça. Temos o que se chama “método para cima”, o mais comumente chamado.
Na fresagem em concordância, o sentido de rotação da fresa é o mesmo de avanço na
peça, o “método para baixo”.
O sentido de rotação da fresa e do avanço da obra devem ser, portanto, levados em
conta na execução do serviço. [4]
2.2.3 Construção e características comuns das fresadoras
São construídas de acordo com o tipo de trabalho. Podem ser de coluna e consolo, de
mesa fixa, horizontal ou vertical, com cabeçote fixo ou ajustável, com avanço manual ou
automático, etc. [4]
As características principais, com algumas variações conforme o tipo de fresadora são:
- dimensões da mesa
- potência do motor
- velocidade da árvore
- avanços da mesa
- acessórios
- peso
- divisor
2.2.4 Partes principais da fresadora
As partes principais, com algumas variações conforme o tipo de fresadora podem ser
estudadas, por exemplo, para o caso da fresadora de coluna e consolo; [4]
- base ou corpo;
- coluna;
- consolo;
- sela;
- mesa;
- limitadores;
- árvore;
- mandril;
8
2.2.5 Classificação das fresadoras
Há muitos tipos de máquinas de fresar que se adaptam a trabalhos de oficina mecânica
ou de produção seriada.
Quando as fresadoras são pequenas podem ser montadas sobre uma bancada, sendo
assim chamadas “fresadoras de bancada”. [4]
As fresadoras podem classificar-se nos seguintes tipos:
- Fresadoras de coluna e consolo (de uma só árvore)
- manual
- horizontal
- universal
- omniversal
- vertical
2.2.6 Fresadora vertical
É caracterizada pelo fato de o mandril porta-fresa estar na posição vertical. A mesa e
demais mecanismos da máquina são semelhantes aos da fresadora horizontal. Essas máquinas
são empregadas para trabalhar com ferramentas que agem de topo, como inustrado na figura
2.1. [4]
Figura 2.1 - Fresadora vertical
9
Também são empregadas para aplainar com fresas de topo que oferecem maior
precisão do que a obtida com fresadoras horizontais.
Os movimentos e avanços da mesa, da sela e do suporte da mesa são semelhantes aos
da máquina horizontal.
A parte do cabeçote que suporta a árvore pode ter a ajustagem em altura. A máquina
de fresar vertical é especialmente adaptada a trabalhos em que há vantagem em se observar a
ação da ferramenta segundo o eixo vertical onde a rotação horizontal poderia ocultar a ponta
da mesma. [4]
2.2.7 Operação de fresar
A proporção que o trabalho é feito, com o avanço da fresa, a remoção do material que
está sendo usinado, depende, principalmente, das dimensões do avanço e da quantidade de
cavacos retirados durante um certo tempo.
A espessura do cavaco depende do número de dentes da fresa diminuindo com o
aumento deste, variando ainda com o avanço e com a velocidade de rotação da fresa.
O aumento da largura de corte poderá aumentar a quantidade de material removido,
permanecendo imutáveis as outras variáveis. Contudo, têm que se levar em conta o aumento
de esforços sobre a árvore, seus suportes, órgãos da máquina e a resistência da própria fresa.
O tamanho do cavaco depende principalmente de quatro fatores:
- velocidade de corte dos dentes através da obra;
- da proporção segundo a qual o trabalho avança para o corte;
- da profundidade de corte;
- da largura de corte.
Fatores outros que constituem elementos fixos podem variar a quantidade de material
retirado. Por exemplo, a natureza da máquina, permitindo maiores esforços, a possibilidade de
se refrigerar a ferramenta, etc.
A maneira pela qual o avanço é especificado varia com a espécie de fresadora. [4]
10
2.3 Comando numérico
2.3.1 Definição de comando numérico
O “comando numérico” é um equipamento eletrônico capaz de receber informações
por meio de entrada própria, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando
à máquina operatriz, de modo que esta, sem a intervenção do operador, realize as operações
na seqüência programada.
O comando numérico é composto de unidade de recepção de informações que pode ser
leitora de fitas, de cartões, leitor de cartões, unidades de disco ou alimentação direta de um
computador.
Uma unidade calculadora onde estes dados são processados e transmitidos às unidades
de força e ao circuito, que integra a máquina operatriz ao comando. Este sistema integrado à
maquina operatriz de usinagem, forma os centros de torneamento e os centros de usinagem, e
ainda pode formar as máquinas simples com funções mais específicas, tais como
puncionadoras, soldadoras, etc. [3]
2.3.1.1 Controle numérico ponto a ponto
Este grupo de comando de concepção mais simples permite o posicionamento dos
eixos comandados de máquinas dentro do intervalo de precisão e repetibilidade previstos,
porém, em movimento rápido e sem uma trajetória pré-determinada e controlada.
Esses comandos foram largamente empregados em máquinas simples, onde o interesse
consistia no posicionamento exato da peça para o trabalho, e na repetição de um grande
número de ciclos de operação.
Atualmente, com o grande desenvolvimento da eletrônica e a aplicação da tecnologia
dos microprocessadores, esses comandos deixaram de ser viáveis. [3]
2.3.1.2 Controle numérico contínuo
O controle numérico contínuo garante além do posicionamento preciso da peça
segundo os eixos programados, também uma trajetória da ferramenta perfeitamente definida
tanto na sua forma quanto na velocidade de avanço.[3]
11
2.3.1.3 Comandos numéricos com minicomputador ou
microprocessadores (CNC)
Assim como na aviação, os motores a combustão cederam lugar aos motores com
turbinas (os jatos), da mesma forma na aplicação do comando numérico nas máquinas
operatrizes de usinagem a tendência atual constitui na aplicação dos modernos CNC em
substituição aos comandos constituídos e projetados para a função específica. A grande
diferença consiste em que para o primeiro caso existe um minicomputador interno que é o
comando. Portanto, se for necessário acrescer um recurso a mais no sistema, este recurso vem
geralmente em forma de um programa. No segundo caso, ou seja, para os comandos
numéricos comuns, um aumento de recursos requerido implica em um aumento de circuitos
eletrônicos e componentes, em outras palavras, este recurso vem através de um aumento físico
do comando. Por outro lado, outra característica essencial dos CNC é a sua capacidade
elevada de arquivo de programa.
Voltando a comparação com a aviação tem-se que os aviões movidos com motor com
pistão serão ainda usados por longo tempo, porém os novos, estes motores já serão mais raros.
Assim está ocorrendo com os CNC, que ultimamente vem substituindo os CN nas novas
máquinas vendidas, e nas máquinas recondicionadas.
Os comandos numéricos com computador começaram a ser usados por volta de 1970,
sendo que hoje é perfeitamente viável e economicamente vantajoso em todos os aspectos.
Os CNC começaram com a incorporação de um minicomputador. Hoje alguns tipos de
CNC já não adotam mais os minicomputadores e sim os microprocessadores.
O microprocessador leva à diminuição de custo, aumento das capacidades e redução
de tamanho. [3]
2.3.2 Centros de torneamento
Consistem os centros de torneamento de tornos de grande capacidade de remoção de
cavaco, equipados com comando numérico. Diz-se centro de torneamento porque um torno
com CN consegue perfazer todas as operações possíveis em torneamento, como tornear,
facear, fazer canais, roscar, fazer contornos, operações internas e externas, etc. Além destas
capacidades os centros de torneamento possuem grande precisão e repetibilidade.
Para se conseguir este alto grau de precisão, estas máquinas devem ser de construção
rígida e sólida. [3]
12
2.3.3 Máquinas simples com controle numérico
Constitui este grupo de máquinas com posicionamento automático e preciso, controlado
através de controle numérico, máquina de funções limitadas e específicas, tais como:
furadeira, puncionadora soldadora de circuito elétrico, máquinas especiais de montagem, e
etc. [3]
2.3.4 Centros de usinagem
Consistem os centros de usinagem de máquinas horizontais e verticais, de grande
capacidade de remoção de cavacos equipadas com comando numérico. São capazes de fazer
as operações de faceamento, mandrilhamento, furação, roscamento, alargamento, operações
de abrir canais, rasgos, contornos, superfícies em dois ou mais planos, etc.
Além destas capacidades os centros de usinagem possuem grande precisão e
repetibilidade.
Assim como nos centros de torneamento, os centros de usinagem devem possuir alto
grau de rigidez para se conseguir estes recursos de precisão. [3]
2.3.5 Meios de entrada e saída de dados
2.3.5.1 Unidades de comando numérico
Das unidades que compõem o comando numérico, a que tem mais importância para o
usuário durante a operação do conjunto máquina comando, é sem dúvida a unidade de entrada
e saída de dados, pois através dela é feita o diálogo entre o operador e a máquina, a níveis
mais profundos, à medida que o sistema seja mais evoluído. [3]
O comando numérico é composto por:
- unidade de processamento (calculadora)
- unidade de força (motores e circuitos de acionamento)
- unidades de ligação (interface)
- unidade de retorno de informações (feedback)
- unidade de entrada e saída de dados
Elementos de entrada de dados
Consistem nos meios pelos quais um programa entra para o comando. As operações
realizadas por uma máquina de comando numérico são definidas pelo programa, o qual
13
poderá ser entrado manualmente ou por fitas perfuradas, fitas magnéticas, discos magnéticos,
ou diretamente de um sistema de computador. [3]
Elementos de saída de dados
Consistem nos meios em que uma máquina operatriz de usinagem consegue transmitir
ao usuário desta, os diversos dados sobre o programa em execução, os programas
armazenados, diagnósticos de erros, diagnósticos de defeitos mecânicos, elétricos e
eletrônicos, indicação para a localização do erro ou defeito, indicações sobre o estado regido
pelo programa em que o programa se encontra etc. [3]
2.4 Sensores e atuadores
2.4.1 Encoders
Os encoders (também chamados de codificadores) são sensores de posição que estão
constituídos por um ou mais sensores óticos de barreira que detectam a passagem de uma roda
furada. Quando os sensores estiverem colocados em cima de um furo, detectarão um estado
lógico (pode ser 0 ou 1 se estiverem usando lógica positiva ou negativa). Quando estiverem
por cima de uma parte da roda sem furo, detectarão o estado lógico contrário.
A roda está ligada mecanicamente a um eixo de um motor ou, em geral de uma peça
giratória. Assim, na medida em que o eixo girar, os sensores detectarão diferentes
combinações de 0 e 1 podendo o controlador calcular a posição dele. Pode-se dizer que o
encoder é um conversor A/D eletro-mecânico digital. [1]
Os encoders se dividem entre absolutos e incrementais.
2.4.1.1 Encoders absolutos
Os encoders absolutos têm um conjunto de sensores óticos alinhados, ao longo do raio
da roda, e a roda furada tem um código determinado de furos. Existem encoders de código
binário, Gray ou BCD. Por isso, sempre devolvem a posição absoluta do eixo. Obviamente,
quanto maior for a resolução requerida, maior deverá ser o número de bits do código,
portanto, maior o número de sensores. [1]
No encoder absoluto, binário de 4 bits, mostrado abaixo, é possível detectar posições,
sendo sua resolução de 22,5 graus, muito baixa para a maioria das aplicações. Abaixo segue
figura 2.2 ilustrando os tipos de encoder.
14
Figura 2.2 - A esquerda encoder em código binário, à direita em código Gray.
2.4.1.2 Encoders Incrementais
Os encoders incrementais têm apenas dois sensores óticos a roda furada apenas uma
fileira de furos eqüidistantes entre eles, a uma distância determinada do eixo. Cada um desses
sensores então devolverá o trem de pulsos na medida em que a roda for girando, e a passagem
entre um furo e outro estará dada por cada pulso desse trem. A razão de usar dois sensores e
não um, é que se fosse colocado apenas um, poderia se medir apenas o deslocamento relativo
de uma posição para outra, mais não seria possível medir o sentido desse deslocamento.
Este tipo de encoder (ver fig. 2.3) tem uma resolução muito maior que a dos encoders
absolutos, pois esta está dada pelo número total de furos (se a roda tiver 64 furos ao redor do
seu contorno, a resolução é de 5,625 graus), e utiliza apenas dois sensores. Por esta razão é
que constituem o dispositivo mais utilizado para medir ângulos em robótica podendo chegar a
uma resolução de até 3600 impulsos por revolução comercialmente. [1]
Figura 2.3 - Roda de um encoder incremental.
15
2.4.2 Sincros e Resolvers
Sincro é o nome genérico de transdutores de posição e de medida de ângulo de rotação
de eixo de grande precisão (10 minutos de arco). Esses sensores estão baseados na indução de
tensão alternada entre dois jogos de bobinas, um rotor e um estator, isto é, um induzido e um
indutor. Fisicamente o formato destes é similar a um motor de corrente contínua.
Internamente os sincros te um rotor com um ou três enrolamentos, capaz de girar dentro do
campo do estator. Este ultimo tem três enrolamentos ligados em forma de estrela, a 120 graus
um do outro, como ilustrado na fig. 2.4.
A bobina do rotor é excitada com uma tensão alternada de 400Hz, chamada de tensão
de referencia. A tensão induzida em qualquer um de seus enrolamentos do estator terá uma
amplitude proporcional ao ângulo entre o cosseno do ângulo entre o eixo da bobina do estator
e o eixo da bobina do rotor. Assim, por exemplo, se o rotor for excitado com uma tensão
V.sen(w.t), entre os três pares de terminais do estator , serão induzidas as seguintes tensões:
Entre S1 E S3: V.sen(w.t). sen(θ)
Entre S1 E S3: V.sen(w.t). sen(θ+120°)
Entre S1 E S3: V.sen(w.t). sen(θ+240°)
Sendo θ o ângulo de rotação do sincro.
Comparando a amplitude do sinal do rotor com a amplitude de qualquer uma dessas
tensões induzidas, é possível conhecer o ângulo de rotação θ. Se o eixo do rotor for solidário
com o eixo de um motor ou de uma peça giratória em geral, pode-se conhecer o ângulo de
giro dessa peça com respeito a uma posição predeterminada como θ = 0.
Figura 2.4 - Estrutura interna de um sincro(a) e conexões elétricas(b).
16
O funcionamento dos resolvers é inteiramente similar ao dos sincros, com a diferença
que o estator tem apenas duas bobinas conectadas a 90 graus entre si. As tensões induzidas no
estator serão, portanto, de uma amplitude proporcional ao ângulo do rotor, e terão a
informação do ângulo de giro do rotor. Se no rotor se aplicar uma tensão V.sen(w.t), a bobina
“horizontal” terá uma tensão induzida V.sen(w.t).sen(θ), e na bobina “vertical”,
V.sen(w.t).cos(θ). Quer dizer que este decompõe o vetor de entrada em coordenadas
cartesianas.
O funcionamento dos sincros e resolvers é muito preciso, combinando ambos uma
grande resolução com um funcionamento simples. A desvantagem consiste no fato de ter que
aplicar um sinal alternado de amplitude conhecida, e processar o sinal alternado de saída para
obter o ângulo de giro. O que pode ser feito no próprio controlador, depois de introduzir o
sinal retificado e convertido por um conversor A/D. [1]
2.4.3 Motores de corrente contínua
2.4.3.1 Princípio de funcionamento
Os motores de corrente contínua estão compostos por duas partes básicas. A primeira é
fixa (sem movimento), Chamada de estator, e está destinada a produzir um campo magnético
constante, seja com um eletroímã ou com um imã permanente. A segunda parte é rotatória, e é
chamada de rotor ou armadura, e tem um bobinado através do qual circula a corrente elétrica
contínua.
Na figura 6 ilustra-se o princípio de funcionamento dos motores de corrente contínua.
O estator produz um campo magnético constante, quando uma corrente circula através da
bobina do rotor, se produz uma força que tende a movimentar os condutores da bobina do
rotor. Esta força, segundo as leis de magnetismo, é o produto vetorial
F = I.i ^ B
Onde F é a força sobre cada segmento do condutor, I é o comprimento do condutor, i é a
corrente circulante e B é o campo magnético criado pelo estator.
Na figura A, observa-se que, segundo essa fórmula, no condutor posterior se produz
uma força no sentido ascendente, e no condutor anterior, por ter a corrente um sentido
contrário, descendente. Se o fluxo de corrente fosse constante, a bobina giraria até ficar rígida
na posição vertical, depois de girar 90 graus. Mas, ao ultrapassar um pouco a posição vertical
por efeito da inércia, a fonte de alimentação da bobina inverte o sentido de circulação de
corrente.
17
Isto é feito por meio de escovas, ligadas eletricamente aos terminais da fonte, que
pressionam com molas dois conectores posicionados as espiras, tal como é mostrado na figura
2.5. Assim, ao inverter o sentido de circulação de corrente fig. B se observa que sobre os dois
segmentos condutores é exercida uma força que tende a manter o sentido de rotação horário,
isto é, sobre o condutor de cima a força exercida tem sentido descendente e sobre o segmento
inferior, ascendente. Isto permanece até que a bobina chegar novamente à posição horizontal
fig. C, onde o processo se repete.
Na prática, o rotor tem um bobinado de várias espiras concêntricas deslocadas um
determinado ângulo entre si: portanto, vários pares de coletores produzem a inversão de
corrente quando cada par chega à posição vertical. Isto faz com que a velocidade de rotação
seja mais constante, porque, se o rotor tivesse apenas uma espira, a força exercida seria a
máxima na posição horizontal e mínima na posição vertical. [1]
Figura 2.5 - Princípio de funcionamento de um motor de corrente contínua.
2.4.3.2 Diferentes tipos de motores de corrente contínua
O campo magnético gerado pelo estator pode ser produzido de duas maneiras: ou com
um imã permanente, ou com um eletroímã, ou bobinado através do qual circula uma corrente
constante.
Nesse segundo caso, a fonte que alimenta o bobinado do estator pode ser a mesma que
alimenta o bobinado do rotor, e estes dois combinados podem ser conectados de diferentes
maneiras, produzindo motores com diferentes características. [1]
18
Motores série
Primeiramente, será analisado o caso das duas bobinas, a do estator e a da armadura,
conectados em série. Nesta conexão, o motor recebe o nome de motor universal, pois pode
trabalhar tanto com corrente contínua quanto com corrente alternada.
Efetivamente, observe que, com corrente contínua, o campo magnético gerado pelo
estator tem sempre o mesmo sentido. A corrente que circula pelos bobinados do rotor muda
de sentido na medida em que cada bobinado chega à posição vertical. Esta mudança é
provocada pela inversão de corrente nos coletores.
No entanto com corrente alternada, muda o sentido do campo magnético gerado pelo
estator a uma freqüência igual à de tensão de entrada; para um determinado bobinado do
rotor, a corrente que circula por este também muda de sentido com igual freqüência. Assim, a
força que se produz sobre um mesmo bobinado do rotor tem sempre o mesmo sentido, pois o
sentido do vetor resultante de i e B se mantêm constante.
Este tipo de motor se caracteriza por girar muito lentamente quando deve movimentar
uma carga grande, e girar perigosamente rápido no vazio, isto é, sem carga nenhuma ou com
uma carga de baixo momento de inércia. Ao mesmo tempo, a baixas velocidades, o torque
que pode exercer é muito alto. Essas características o fazem adequado para a movimentação
de grandes pesos a velocidades reduzidas. Abaixo segue figura 2.6 para melhor entendimento.
[1]
Figura 2.6 - Torque nos motores série.
Motores paralelo
Outra maneira de conectar a bobina do estator é em paralelo com a bobina do rotor.
Neste caso apresenta uma velocidade limitada em vazio, e na medida que a carga vai
aumentando, a diminuição de velocidade não é tão significativa. Esta característica o faz
adequado para aplicações em máquinas-ferramenta.
19
Para ajustar a velocidade neste tipo de motores, é necessário mudar a potência aplicada
mudando a tensão de entrada, pois com mudanças no torque a velocidade permanece quase
constante. Abaixo segue figura 2.7 para melhor entendimento. [1]
Figura 2.7 - Torque nos motores paralelo.
Motores compostos
Este tipo de motor está baseado numa combinação entre os motores série e paralelo. O
campo magnético no estator é produzido por duas bobinas separadas, uma ao redor do pólo
norte e a outra ao redor do pólo sul. Uma dessas bobinas é conectada em paralelo com a
bobina do rotor e a outra em série. Existem duas possibilidades de conexão. A primeira
consiste em conectar as duas bobinas do estator de maneira tal que os campos magnéticos se
adicionem (tenham sempre o mesmo sentido). A segunda é conectá-las de maneira tal que os
campos magnéticos se oponham entre si (tenham sentido contrário).
Conforme a figura 2.8, o comportamento no caso do primeiro tipo de motor - as
bobinas conectadas de maneira diferencial tem a desvantagem de que a velocidade pode ser
perigosamente alta se um torque máximo de segurança é ultrapassado. O comportamento no
caso do segundo tipo - as bobinas conectadas de maneira cumulativa está entre o
comportamento de um motor série e um motor paralelo, mas o comportamento exato depende
do tamanho de cada uma das bobinas, as quais não têm porque ser necessariamente iguais. [1]
20
Figura 2.8 - Torque nos motores compostos, A (diferencial), B (cumulativo).
Motores com imã permanente
Como seu nome o indica, nesse tipo de motor o campo magnético do estator é gerado
com um imã permanente. Isto tem a grande vantagem de garantir um campo magnético
constante além de um volume reduzido. Essas vantagens são suficientes para fazer deste tipo
de motores os mais utilizados e praticamente os únicos de corrente contínua utilizados em
robótica. A relação torque-velocidade é similar àquela dos motores paralelo. [1]
Estes motores são divididos em três tipos diferentes dependendo da aplicação:
- motor de imã permanente com núcleo de ferro
- motor de ímã permanente de bobinado superficial
- motor de ímã permanente de bobinado sobre núcleo não magnético
2.4.3.3 Motores de passo
Os motores de passo são um tipo particular de motor muito utilizado, controlados por
impulsos elétricos do sinal de alimentação. Cada impulso se corresponde com um ângulo fixo
de rotação. Devido a essa característica, podem ser utilizados em malha aberta, pois o
controlador pode conhecer exatamente a posição do eixo com respeito a uma referência,
sendo apenas necessário fornecer a quantidade de pulsos requerida para o eixo girar uma
quantidade de passos.
Em robótica, os motores de passo são utilizados para aplicações de serviços
relativamente leves, pois não tem grande torque em comparação com o volume deles. Quando
o torque exigido vai além do que o motor pode suportar, o mais comum é que o eixo não gire
e assim “perca passos”, fato que em malha aberta provoca a perda do conhecimento da
posição do eixo por parte do controlador. Uma vantagem desses motores com respeito aos de
corrente contínua, é que quando estão fixos numa determinada posição tem um torque de
21
retenção elevado, o que não aconteça durante o movimento. O custo deles é também uma
vantagem, pois viu-se diminuído sensivelmente nos últimos anos.
Este tipo de motor tem um estator e um rotor inserido em seu interior e solidário com
o eixo de rotação. O estator tem vários pólos eletromagnéticos que podem ser polarizados de
diferentes maneiras segundo o sentido da corrente que circule pelos eletroímãs.
As bobinas estão conectadas normalmente em grupo de quatro ao longo da
circunferência interna do estator. Assim, a primeira bobina é ligada em série com a quinta, a
segunda com a sexta, a terceira com a sétima, etc. Todas têm um terminal comum.
Exteriormente, tem cinco fios de ligação onde deve ser aplicada a seqüência de sinais, sendo
um o terminal comum a todas as bobinas e os outros quatro um para cada grupo. [1]
Podemos observar na figura 2.9 a seqüência de ativação das bobinas do motor.
Figura 2.9 - Seqüência de ativação das bobinas de um motor de passo.
Dois tipos de seqüências são usados em motores de passo. Estas são conhecidas como
“meio passo” e “passo completo”. A seqüência de passo completo (ver figura 2.10) magnetiza
sempre dois eletroímãs do estator por vez, como exemplificado acima. A de meio passo (ver
figura 2.11) magnetiza, entre um passo e outro, apenas uma bobina (ou um grupo de bobinas),
com a qual consegue que o rotor se alinhe com seus pólos entre dois pólos do estator e não
apontando para um deles, provocando uma rotação da metade do passo. A vantagem do meio
22
passo é um movimento mais suave, pois o ângulo de giro se reduz à metade, a desvantagem é
um torque aproximadamente 30% menor. As figuras abaixo mostram tais seqüências, onde os
fios terminais externos são chamados de A,B,C e D.
Figura 2.10 - Seqüência de pulsos para passo completo de um motor de passo.
Figura 2.11 - Seqüência de pulsos para meio passo de um motor de passo.
Se fosse aplicada a seqüência em sentido inverso, obviamente o rotor giraria em
sentido contrário. Se a corrente nas bobinas do estator for comutada rapidamente, é possível
fazer parecer este movimento contínuo. Esta seqüência pode ser gerada pelo controlador,
fornecendo os quatro sinais na saída de uma interface paralela (uma outra interface de
potência deveria fornecer a energia necessária para polarizar as bobinas do estator), ou pode
existir uma interface eletrônica dedicada, que receba do controlador principal apenas os
pulsos de clock e um sinal digital de controle indicando o sentido de rotação. Esse circuito se
encarregaria de gerar a seqüência necessária.
A velocidade de rotação será estabelecida pelo controlador segundo o tempo de espera
entre um passo e outro, isto é, segundo a freqüência de clock. Quanto menor for este tempo,
maior será a velocidade angular, e, portanto menor o torque fornecido, podendo acontecer de
não ser o suficiente nem para movimentar o próprio eixo, onde o motor não consegue
acompanhar as comutações da seqüência e assim “perde passos”. [1]
23
Torque do motor de passo
O motor de passo deve ter torque suficiente para vencer todas as forças de inércia e atrito
causadas pelos elementos a serem movimentados, inclusive o fuso. O torque de um motor de
passo é inversamente proporcional à sua rotação. [5]
Fórmula para cálculo de torque:
Equação 1
Fórmula para cálculo de inércia:
Equação 2
Onde:
A figura 2.12 ilustra as variáveis utilizadas para os cálculos:
Figura 2.12 - Ilustração calculo do torque
24
2.4.3.4 Servo-motores
Os servo-motores não constituem em sí mesmos um tipo diferente de motor, mas serão
tratados de forma particular por constituírem uma das configurações mais utilizadas em
robótica. Trata-se de um motor, em geral de corrente contínua, com um sensor de posição ou
de velocidade que permite ao controlador conhecer estas grandezas físicas e controlá-las.
Em muitos casos, os servo-motores de posição comercial exigem como entrada de
referência um sinal pulsado, onde o largo do pulso é proporcional à posição desejada. Este
tipo de sinal é conhecido como sinal modulado por largo do pulso (PWM). O controlador
dedicado, que é constituído por um circuito integrado, tem um filtro passa baixo para
determinar o valor médio desse sinal, que será proporcional ao largo do pulso, e, portanto esse
valor terá uma amplitude proporcional à posição desejada. A partir daí, é comparada com a
amplitude do sinal de potenciômetro para determinar o erro. Abaixo segue figura 2.12
ilustrando o sistema. [1]
Figura 2.13 - Diagrama de blocos de um servo-motor de velocidade.
25
3 METODOLOGIA
A fresadora numericamente controlada projetada e construída é controlada por uma
interface de controle e um computador pessoal, sendo capaz de usinar materiais de baixa
resistência mecânica como madeira e acrílico.
Este capítulo será dividido em três tópicos, a primeiro descreverá como o projeto
mecânico foi desenvolvido, o segundo descreve passos importantes efetuados na montagem
estrutural e por fim o terceiro tendo foco no controle.
3.1 Projeto mecânico
A fresadora CNC foi projetada de forma que trabalhe em coordenadas cartesianas,
baseando-se na necessidade de se obter uma ótima rigidez mecânica.
Este projeto foi caracterizado pelo desenvolvimento dos desenhos e usinagem dos
elementos principais que definem a precisão da máquina, levando em conta que este
desenvolvimento foi necessário pelo alto custo de fusos esfera e guias lineares, bem como os
acoplamentos complacentes. O software utilizado para o desenvolvimento do projeto
mecânico foi o SOLIDWORKS, software este, que é muito utilizado por empresas e
instituições de ensino.
O projeto mecânico teve inicio com a definição do volume de trabalho em X, Y e Z
sendo de 500 mm x 350 mm x 150 mm, após este iniciou o desenvolvimento dos desenhos da
mesa, e da estrutura como um todo.
Os desenhos mecânicos da fresadora se encontram no apêndice 1, há um desenho com
a montagem citando o nome cada peça bem como a quantidade de peças a ser utilizada. O
projeto foi divido em quatro subconjuntos, sendo o subconjunto 100 para os desenhos da
mesa, o subconjunto 200 para os desenhos das peças do movimento em X, subconjunto 300
para os desenhos das peças do movimento em Y e subconjunto 400 para os desenhos das
peças do movimento em Z.
Neste projeto não foram realizadas uniões por soldagens, sendo todas as uniões
obtidas a partir de parafusos, arruelas e porcas, evitando qualquer tipo de deformação na
estrutura provocada por aquecimento.
26
3.1.1 Estrutura
A estrutura da máquina foi projetada em perfil de alumínio em U, obtendo boa
resistência mecânica com um menor peso, sendo suas principais dimensões 150mm x 30mm x
5mm. Algumas peças foram projetadas de modo que fossem obtidas a partir de chapas de aço
carbono dobradas conforme seus respectivos desenhos.
3.1.2 Barras roscadas e Porca de precisão
Para um correto posicionamento da fresadora se faz necessário que não haja folga
entre os filetes da rosca e da porca, e neste caso foi tomada a devida atenção no projeto para
que quando for realizada a usinagem da porca não haja desvios dimensionais que afetem a
precisão da fresadora. Foram utilizadas barras roscadas standard Aço carbono - M12 - passo
de rosca 1,75mm, estas sendo de fácil aquisição e também de baixo custo.
3.1.3 Guias e Buchas
Conforme citado acima no caso da porca de precisão, para as buchas seguiu-se o
mesmo procedimento, ou seja, também foi tomada a devida atenção no projeto para que
quando realizada a usinagem das buchas não haja desvios dimensionais. Foram utilizadas
guias (eixos) em Aço Inóx 304 – diâmetro 14mm, também de fácil aquisição.
3.1.4 Acoplamentos
Os acoplamentos entre os motores e as roscas foram projetados em Aço Carbono e
foram realizados dois cortes, um na vertical e outro na horizontal. Não foram adquiridos
acoplamentos complacentes, pois, são de alto valor aquisitivo, desta forma decidiu-se projetar
um acoplamento que fosse capaz de absorver pequenas variações no alinhamento, fazendo
com que o motor não perca passos por desvios no alinhamento entre os eixos.
Após a montagem final no software foi possível obter as dimensões máximas e o peso da
fresadora, sendo:
- Dimensões máximas: 640mm x 570mm x 520mm
- Peso da fresadora: 35Kg
Abaixo estão desenhos da fresadora após desenvolvimento no software SOLIDWORKS:
27
Figura 3.1 - Vista Frontal
Figura 3.2 - Vista Lateral
28
Para uma melhor visualização do projeto, abaixo segue imagem em vista isométrica.
Figura 3.3 - Vista Isométrica
As análises em elementos finitos para a validação da estrutura não foram possíveis de serem
realizadas, pois, esta necessita de um computador de alta capacidade de processamento.
Subentende-se que algumas das peças podem estar subdimensionadas ou sobredimensionadas,
sendo assim, a avaliação da estrutura será realizada nos testes de precisão e repetibilidade
verificando se ocorrerão variações dimensionais.
3.2 Montagem estrutural
A montagem mecânica seguiu uma ordem cronológica definida pelos desenhos de conjuntos
do projeto mecânico, tornando o trabalho seqüencial e evitando perdas ou trocas de peças
durante a montagem.
29
A montagem da estrutura da fresadora, conjunto 100 do apêndice 1, teve inicio na
fixação das laterais e da mesa, observando seu alinhamento e nivelamento, pois estando
desalinhadas comprometem o translado no eixo X, flexionando os eixos e aumentando o
torque no motor de passo.
Continuando a montagem, foram inseridas na montagem as peças do conjunto 200 do
apêndice 1 (eixo X), estas que necessitaram de ajustes nas buchas, sendo lixadas para
transladar sem interferências. A união entre a barra roscada e o motor de passo, peça esta que
é usinada, retornou com seu furo descentralizado, necessitando de calços para centralização
entre os dois eixos.
Na montagem do conjunto 300 do apêndice 1 (eixo Y), houveram desvios na usinagem
da união do motor de passo e da barra roscada, sendo este, solucionado como no caso do
conjunto 300.
O conjunto 400 do apêndice 1 (eixo Z), não apresentou grandes dificuldades em sua
montagem, apenas um cuidado maior para a fixação do motor de passo, centralizando a barra
roscada, fixando a união entre a barra roscada e o motor de passo, para após esta serem
fixados os parafusos do motor de passo.
Segue imagens da fresadora montada, para melhor visualização do projeto mecânico.
Figura 3.4 - Projeto mecânico - Vista frontal
30
Figura 3.5 - Projeto Mecânico - Vista lateral
Figura 3.6 - Projeto Mecânico - Vista Isométrica
31
3.3 Controle
O controle da fresadora foi obtido a partir de uma interface de controle dimensionada
para controle de fresadoras que trabalham com materiais de baixa resistência mecânica, como
a realizada neste projeto.
Neste tópico serão descritos todos os elementos necessários para a correta operação do
controle numérico computadorizado, baseando-se nos dados obtidos do anexo 1.
O controle foi realizado conforme o anexo 1, este sendo o manual da interface de
controle e também com o anexo 2, com o data sheet do motor de passo, sendo este necessário
para alimentar corretamente as bobinas do motor de passo.
Após a montagem, iniciou-se a configuração do software MACH 2, com as
configurações de portas e pinos e também de curso por revolução, estas informações também
encontram-se no anexo 1 deste projeto.
Após comprovada a funcionalidade do controle, foi desenvolvido um programa em
código G para a realização dos testes de precisão e repetibilidade da fresadora, abaixo segue
programa:
G00 X0 Y0 Z0
G00 X100 Y0 Z0
G00 X0 Y0 Z0
G00 X0 Y100 Z0
G00 X0 Y0 Z0
G00 X0 Y0 Z100
G00 X0 Y0 Z0
G00 X100 Y100 Z100
G00 X0 Y0 Z0
Para o teste de repetibilidade utilizou-se o mesmo programa, realizando esta seqüência
repetidas vezes.
32
3.3.1 Computador Pessoal
O computador utilizado foi um “INTEL PENTIUM 3”, com processador 2.8 Ghz, 512
MB de memória RAM, HD de 80 GB, com sistema operacional “Windows XP”. O
computador influencia diretamente na velocidade de transferência de dados do software para a
interface de controle, se estiver com baixa taxa de transferência de dados, torna lenta a
velocidade de avanço dos eixos.
3.3.2 Porta paralela
A porta paralela SPP (Standard Parallel Port) pode chegar a uma taxa de transmissão
de dados a 150KB/s. Comunica-se com a CPU utilizando um BUS de dados de 8 bits. Para a
transmissão de dados entre periféricos são usado 4 bits por vez. Esta é a configuração para
utilizar a placa controladora de motores de passo.
As saídas e entradas da porta paralela são digitais TTL (0-5V) e não podem drenar
nem tão pouco suprir altas correntes, assim é necessário uma interface de potencia para
conectarmos periféricos, como um motor de passo. A placa SMC-U recebe os sinais da
paralela ( STEP/DIR ) e através de um programa interno transforma em sinais de controle de
fase e ativa os drivers de potencia na seqüência e sincronismo corretos gerando um
movimento contínuo e suave no motor de passo.
Segue figura 3.7 com relação de pinos e as funções para a interface:
Figura 3.7 - Relação de pinos porta paralela
33
3.3.3 Interface de controle
Foi selecionada a interface modelo “SMC-U-XYZ” fabricada pela empresa
“HOBBYCNC”, este que é um driver microcontrolado para 3 motores de passo unipolares,
podendo trabalhar com correntes de até 2,0 Ampéres por fase, há também as 3 entradas para
as chaves fim de curso e uma para botão de emergência, é alimentada de duas formas, sendo
12V para o controle e 24V para os motores, há também a saída relé (até 10A) para o
acionamento do motor.
Segue figura 3.8 com o esquema de ligação da interface e figura 3.9 da interface de
controle:
Figura 3.8 - Esquema de ligação interface de controle
34
Figura 3.9 - Interface de controle
3.3.4 Fonte de alimentação
Conforme descrito no manual do fabricante da interface de controle, foi utilizado um
transformador com uma saída de 28Vac / 4A para a alimentação dos motores e outra de 12
Vac / 1ª para a alimentação da interface.
Figura 3.10 - Fonte de alimentação
35
3.3.5 Motor de passo
Os motores de passo utilizados no projeto são motores unipolares com resolução de
1,8°,ou seja, 200 passos por revolução, corrente de 1,6 A/fase e torque de 5 Kgf, dados
conforme data sheet no anexo 2.
Figura 3.11 - Motor de passo
3.3.6 Motor
O motor adquirido para a realização da operação de fresagem foi uma micro retífica,
sendo que este equipamento tem corrente de 0,5A, tensão de 110V e rotação de 5.000 à
35.000 RPM
Figura 3.12 - Micro retifica
36
3.3.7 Software de controle
O software utilizado neste projeto foi o Mach 2, sendo um software de fácil utilização e
amplamente utilizado para este tipo de aplicação. Utiliza como linguagem de programação o
código G, este que é de fácil entendimento e programação.
Figura 3.13 - Software de controle MACH 2
37
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Durante a etapa de montagem da fresadora verificou-se desvios nas peças que foram
usinadas tornando a montagem mais difícil e trabalhosa. Os desvios de projeto foram na
centralização dos acoplamentos entre os motores e as barras roscadas, fazendo-se necessário a
utilização de calços para centralização entre eles e no alinhamento das guias do deslocamento
em X, este que demandou grande tempo para ser resolvido, sendo necessária a inclusão de
rolamentos lineares e também a troca dos eixos do movimento X.
Observou-se pequena vibração entre as laterais do eixo Y no lado oposto as guias, este
sendo solucionada com a fixação de um eixo, estabilizando a estrutura.
No início dos testes elétricos houve a falha de um dos componentes da interface de
controle, sendo um transistor TIP 122, o mesmo foi substituído, não causando defeitos em
outros componentes da placa.
A precisão da fresadora foi verificada movimentando os três eixos X, Y e Z, em vários
sentidos, conforme programa realizado, e observaram-se pequenas variações causadas por
desalinhamentos, mas estes não são suficientes para afetar a qualidade do produto final.
Os testes de repetibilidade foram realizados a partir do programa desenvolvido para os
testes de precisão, apenas repetindo por várias vezes o programa, estes não demonstraram
variações, demonstrando que os motores não perdem passos durante a execução dos
movimentos.
A velocidade de avanço da fresadora foi definida após a montagem, de acordo com a
velocidade de processamento do computador pessoal, sendo que, após esta o motor de passo
pode vir a perder passos, abaixo segue avanços máximos encontrados:
Eixo X – 500mm/min
Eixo Y – 650mm/min
Eixo Z – 700mm/min
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Viabilidade econômica
Após a conclusão dos testes, podem-se avaliar os custos do projeto, dividindo-os em
projeto mecânico e de controle.
Perfil alumínio em U R$ 200.00 Placa de controle R$ 210.00
Chapas dobradas R$ 100.00 Motor de passo R$ 90.00
Porcas R$ 25.00 Fonte de alimentação R$ 80.00
Roscas R$ 60.00 Cabo transferência de dados R$ 50.00
Buchas R$ 25.00 Micro Switch R$ 20.00
Guias R$ 60.00 Micro retifica Dremel R$ 300.00
Usinagem R$ 250.00
Chapas lateral R$ 35.00 Total R$ 750.00
Parafusos, porcas e arruelas R$ 30.00
Mesa R$ 75.00
Total R$ 860.00
R$ 1,610.00Total geral
Custos do projeto
Projeto mecânico Controle
Tabela 4.1 - Custos de projeto
Conforme tabela 4.1, os custos da construção da fresadora estão dentro do esperado,
sendo acessível a pequenas empresas, e também a pessoas que queiram iniciar um negócio.
Figura 4.1 - Percentual de custos no projeto mecânico
Podemos verificar na figura 4.1, onde no projeto mecânico destacaram-se os custos
com usinagem dos materiais, estes que já eram esperados, pois a usinagen de elementos de
precisão são de valor elevado.
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Figura 4.2 - Percentual de custos no controle
Já para o controle (fig. 4.2), o alto custo da micro retifica Dremel aumentou os gasto,
mas ainda assim não há a necessidade de alteração do projeto.
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5 CONCLUSÃO
Os testes de precisão e repetibilidade realizados na fresadora demonstraram que o
projeto é capaz de usinar materiais de baixa resistência mecânica, validando sua rigidez
mecânica, não comprometendo sua estrutura e também não comprometendo a qualidade do
produto final.
As velocidades de avanço dos eixos não são altas se comparadas a outras fresadoras,
mas não é um item a impactar negativamente nos resultados.
O software de controle MACH 2, mostrou-se simples de ser manipulado e de fácil
configuração e programação, facilitando o trabalho do operador.
Os custos do projeto foram realmente baixos, validando a proposta inicial, e tornando
cada vez maior a inclusão da automação em maquinas manuais.
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6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] - PAZOS, Fernando. Automação de sistemas e robótica. Rio de Janeiro: Axcel Books do
Brasil, 2002. 377 p. ISBN 85-7323-171-8
[2] - ROMANO, Vitor Ferreira. Robótica industrial: aplicação na indústria de manufatura e
de processos. São Paulo: E. Blücher, 2002. 256 p. ISBN 85-212-0315-2
[3] - MACHADO, Aryoldo. Comando numérico aplicado as maquinas-ferramenta. 4. ed.
São Paulo: Ícone, 1990 461 p.
[4] - FREIRE, Jose de Mendonça. Tecnologia mecânica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e
Científicos, 1976-1978 5 v.’
[5] - FILHO, Sebastião G. dos Santos. Controle de mesa XY: utilizando motor de passo.
Revista Mecatrônica Atual. Ano1, nº2, 2002.
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APENDICE 1 – PROJETO MECÂNICO
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ANEXO 1 – MANUAL INTERFACE DE CONTROLE
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ANEXO 2 – DATA SHEET MOTOR DE PASSO
