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_____________________________________________________________________________________
Fatec Garça
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
ANGELO AMORIM NORO
TESLEI UÓTERSON VIEGAS
PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER
GARÇA
2013
_____________________________________________________________________________________
Fatec Garça
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
ANGELO AMORIM NORO
TESLEI UÓTERSON VIEGAS
PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER
Artigo Científico apresentado à Faculdade
de Tecnologia de Garça - FATEC GARÇA,
como requisito para conclusão do Curso de
Tecnologia em Mecatrônica Industrial,
examinado pela seguinte comissão de
professores:
Data da Aprovação 24/06/2013
_________________________________
Prof. Grad. Edson Mancuzo
FATEC Garça
Prof. Grad. Paulo Sérgio Castro
FATEC Garça
Prof. Ms. José Augusto Ferraz de
Campos
FATEC Garça
GARÇA
2013
PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER
Angelo Amorim Noro1
Teslei Uóterson Viegas
Edson Mancuzo2
Abstract- The current globalization challenges the industry to develop products with
higher quality and lower cost, in a shorter time. The machines CNC (Computerized Numerical Control), the production process ensures a better use of time intervals satisfactorily reducing unproductive, being able to perform multiple operations on a single machine, reducing the production time. Decreasing production time is currently the yearning of modern industry to ensure their existence within a highly competitive market, so this work aims to understand the importance of Computerized Numerical Control within the industrial environment. Keywords: CNC, automation and Mach 3.
Resumo- A globalização atual desafia a indústria a desenvolver produtos com maior
qualidade e menor custo, num espaço de tempo menor. As máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado), garante ao processo produtivo um melhor aproveitamento de tempo reduzindo satisfatoriamente os intervalos improdutivos, por ser capaz de realizar várias operações em uma só máquina, diminuindo o tempo de produção. Diminuir tempo de produção é atualmente o anseio da indústria moderna para garantir a sua existência dentro de um mercado altamente competitivo, portanto este trabalho tem como objetivo compreender a importância do Comando Numérico Computadorizado dentro do ambiente industrial. Palavra-Chave: CNC, automação e Mach 3.
1. INTRODUÇÃO
O processo de globalização desafia a indústria da manufatura a trazer para o
mercado novos produtos bem projetados e de alta qualidade preços competitivos no
menor intervalo de tempo possível. (Porter90), (Coutinho et.al.95).
No caso específico das máquinas CNC (Comando Numérico
Computadorizado), o fator tempo de processo é reduzido substancialmente pela
1 Alunos do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Faculdade de Tecnologia de Garça. 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça.
eliminação dos tempos improdutivos, como por exemplo, a tarefa de elaborar
programas de usinagem e a alta versatilidade destas máquinas que englobam várias
operações em uma só máquina o que diminuí ainda mais os tempos mortos
intermediários, tornando este método de fabricação vantajoso para a fabricação de
peças em série e em grande quantidade (Mastelari96).
A tarefa de elaboração de programas de usinagem CNC, que está embutida
dentro dos custos indiretos de produção, é um trabalho demorado com grau de
dificuldade proporcional à complexidade da geometria da peça exigindo,
primeiramente, uma fase de estudo e elaboração do programa propriamente dito e
uma segunda fase para a introdução do programa na memória da máquina, testes e
simulação.
Observa-se também, que a utilização de máquinas CNC vem crescendo no
Brasil. Em pesquisa publicada na revista Máquinas e Metais em dezembro de 2001, o
intervalo entre 1999 e 2001 gerou um aumento de 43,6 % no número de máquinas
CNC adquiridas no Brasil a uma média de 6,3 máquinas CNC por empresa. Outro
dado interessante desta pesquisa é o predomínio da utilização de máquinas CNC por
pequenas empresas (com até 50 empregados), onde 62% das empresas pesquisadas
se encaixam neste nível e são empresas que predominantemente prestam serviços
de usinagem para terceiros.
2. COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO
Em máquinas convencionais, o operador ajusta a máquina e move cada
ferramenta utilizando as duas mãos para produzir a peça desejada, uma máquina
convencional oferece facilidades que auxiliam o processo de usinagem de uma peça,
como as alavancas, engrenagens e volantes, que permitem que o operador utilize a
máquina convencional através de movimentos repetitivos feitos pelas duas mãos,
porém os seres humanos não são capazes de repetir o mesmo movimento várias
vezes e também não são capazes de trabalhar por um longo tempo sem descanso e
é difícil de predizer os efeitos na operação de usinagem de uma peça, mas existirão
algumas diferenças e inconsistências entre peças de um mesmo lote, ou seja, estas
peças não serão exatamente iguais.
Entre as dificuldades comuns na usinagem convencional estão à capacidade
em manter as tolerâncias dimensionais e o acabamento superficial, sabe-se que cada
operador tende a desenvolver os seus próprios métodos que podem ser diferente de
operador a operador e que a combinação destes e de outros fatores, como o desgaste
de ferramentas, o uso de instrumentos de medição não calibrados, entre outros,
podem gerar inconsistências dimensionais e de acabamento de peça para peça.
Um operador trabalhando com comando numérico evita a maioria das
inconsistências presentes nos métodos convencionais, já que máquinas CNC não
exigem o mesmo envolvimento físico, evitando atividades repetitivas por parte do
operador que frequentemente são as causas de erros.
As maquinas CNC não possuem a mesma quantidade de alavancas, botões
e volantes que as máquinas convencionais, facilitando a sua operação e permitindo
uma menor interação humana com o equipamento.
Uma vez elaborado o programa de usinagem, este pode ser utilizado
inúmeras vezes sempre com os mesmos resultados. Isto não significa que não há
fatores limitantes.
As ferramentas de corte podem ter variações e as peças em bruto podem ter
variações dimensionais dentro de um mesmo lote, assim como as configurações de
máquina podem variar, mas estes fatores deverão ser considerados e podem ser
compensados quando necessário.
Mesmo com inúmeras vantagens o desenvolvimento da tecnologia CNC não
significa o fim das máquinas convencionais, havendo aplicações específicas onde o
uso de máquinas convencionais oferece uma solução mais eficiente e até mesmo
mais rápida.
2.1 Vantagens
O comando numérico computadorizado fornece uma série de vantagens
quando comparado aos métodos de usinagem convencionais. Além da economia no
processo de usinagem podemos citar:
O aumento na produtividade;
Facilidade de programação e controle de produção;
Troca automática de velocidades;
Redução de custos em controle de qualidade;
Aumento da qualidade;
Padronização de ferramentas;
Ferramentas intercambiáveis;
Alta versatilidade de operações;
Aumento do controle em operações complexas;
Possibilidade de simulações de usinagem;
Redução da quantidade de máquinas;
Aumento da vida útil de máquinas e ferramentas;
Aumento do controle sobre desgaste de ferramentas;
Alta flexibilidade de produção;
Aumento da repetitividade das peças;
Maior segurança do operador;
Redução do custo e produção mais rápida de protótipos de peças.
2.2 Desvantagens
Algumas desvantagens do comando numérico:
Alto custo de implementação (custo inicial);
Mão de obra qualificada para manutenção e programação;
Maior exigência de organização entre os setores da empresa.
3. FRESADORAS CNC
A definição de fresadoras CNC é muita ampla, todas as máquinas ferramentas
que possuem desde um simples eixo árvore até acima de cinco eixos podem ser
incluídas nesta categoria. Existem em vários tamanhos, formatos, adequadas a certos
trabalhos, etc., mas todas têm algo em comum: seus eixos primários são X e Y. Nesta
categoria de máquinas estão também as máquinas ferramentas de usinagem por
descarga elétrica, corte a laser, corte a jato d’água, corte a plasma, etc.
“Fresadora é uma máquina capaz de executar um movimento de corte,
utilizando uma fresa de topo como ferramenta primária ao longo de, ao
menos, dois eixos simultaneamente.” (SMID, 2000).
4. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO
Para demonstrar a aplicação do comando CNC, optou-se por desenvolver um
protótipo de uma fresadora router CNC, para produção de placas de circuito impresso
(PCI).
5. MECÂNICA
O protótipo da fresadora router CNC faz uso dos principais elementos
mecânicos: Estrutura, Mancal, Guias Lineares e Fuso.
5.1 Estrutura
O conjunto estrutural do protótipo é composto de aço tubular soldado, esse
elemento é indispensável na agregação dos demais conjuntos do sistema. Na
estrutura são fixados os demais componentes: Mancais, Guias Lineares, fusos e
Motores.
As dimensões estrutural dos eixos (X,Y e Z) são respectivamente 585mm x
400mm x 150mm.
Figura 01 – Estrutura de Aço Tubular
Fonte: Os Autores
5.2 Guias Lineares
Guias lineares são superfícies cilíndricas as quais são utilizadas para dar
estabilidade e direção ao deslocamento e permitir um posicionamento preciso da
máquina, o acabamento superficial de tais guias é de ótima qualidade, para garantir
suavidade e precisão de movimento ao longo das suas respectivas direções (X,Y e
Z), além de dar suporte para outro conjunto da estrutura.
Figura 02 – Guias Lineares
Fonte: Imagem extraída do site www.hobbycncbrasil.com.br33
5.2 Fuso
O fuso é responsável pela transmissão dos movimentos para os eixos. Optou-
se pelo uso do fuso trapezoidal pelo seu custo ser menor, já que a precisão não é o
principal foco do protótipo.
O fuso trapezoidal, no caso das máquinas operatrizes, trabalha acoplado a
uma porca trapezoidal encaixada à mesa que se quer mover, elemento já
considerado muito importante, alcançando precisão de 0,01 milímetros
(centésimo de milímetros), ou seja, este dispositivo possibilita posicionar ou
deslocar determinado equipamento com essa precisão.
O fuso de esferas recirculantes realiza o mesmo trabalho que o fuso
trapezoidal, com inúmeras vantagens, a começar pela precisão que é de
0,001mm (milésimos de milímetros). Um fuso de esferas é um mecanismo
que permite converter o movimento de rotação em translação e vice-versa,
3 Endereço eletrônico da imagem http://www.hobbycnc.com.br/site/index.php?Guias-Lineares
um fuso de esferas em um conjunto de acionamento que possui esferas como
elementos de giro.
Para se conseguir o movimento contínuo no fuso de esferas, é necessário ter
um circuito de recirculação (ou por fora da castanha com pistas de reenvio ou
por dentro da castanha com caminho também helicoidal) ou através de
insertos de reposicionamento das esferas. (FUSO..., 2008).
Figura 03 – Fuso Trapezoidal
Fonte: Imagem extraída do site THK.com4
5.2 Acoplamento
Acoplamento é um conjunto mecânico, empregado para transmitir movimento
entre os eixos. Os acoplamentos podem ser classificados como fixos, elásticos e
móveis. Por motivo de segurança os acoplamentos não devem conter saliências.
No desenvolvimento desse protótipo optou-se por usar o acoplamento fixo, que
serve para unir os eixos dos motores de forma como se fosse uma única peça.
Figura 04 – Acoplamento
4 Endereço eletrônico da imagem <http://www.thk.com/?q=br/node/4677>
Fonte: Imagem extraída do site mercadolivre.com.br5
6. ELETRÔNICA
Segue o descritivo dos componentes utilizados no protótipo.
6.1 Motor de Passo
Motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica, fornecida na
forma de trem de pulsos, em energia mecânica na forma de movimento rotacional
discreto, é alimentado com sinais digitais.
A cada pulso, ele faz incremento rotativo denominado “passo”. Uma volta completa
do eixo é determinada pelo numero de passos do motor.
Sua precisão também esta diretamente ligada ao número de passo por rotação,
ou seja, quanto maior o numero de passos, maior será a precisão do motor.
Existem dois tipos de motores de passo: Unipolar e Bipolar
O motor utilizado no protótipo é um NEMA 23 hibrido, por oferecer melhor
torque, resolução de passos e velocidade.
Tabela 1 – Especificação do motor
Ângulo
de
Passo
Número
de fios
Classe
de
Isolação
Temperatura
Máx. de
Operação
Conexão Torque
(Kgf.cm)
Corrente/
fase (A)
Resistência/
fase (ohms)
Indutância/
fase (mH)
1,8º 8 B 80ºC Unipolar 15 3,0 3.4 3
Figura 05- Motor de Passo Unipolar
5 Endereço eletrônico da imagem <http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-482240527-acoplamento-
flexivel-8x635mm-para-motor-de-passo-_JM>
Fonte: Os autores.
6.2 Placa de Interface
A Placa de interface é uma placa de circuito que permite a ligação de
equipamentos periféricos no computador, estabelecendo a comunicação entre as
partes e funciona como um tradutor de sinais.
Por demandar elevado conhecimento e tempo de desenvolvimento na
elaboração de uma placa de interface foi adquirida a placa Opto Isolada BPC-PRO
por atender a necessidade o projeto.
Tabela 2 – Especificações da Interface Opto Isolada BPC-PRO
Tensão de alimentação 9 a 12 VAC
Entrada de alimentação Circuito retificador integrado
Cabo de conexão Flat cable
Saída de rele 02 - 10A
Entrada de sinais 04 – P.E. , Limite X,Y,Z
Numero de Drivers 04
Tipos de Drivers STEP/DIR/ENA
Fonte: Tabela extraída do site Hobbycncbrasil.com.br66
Figura 06 – Interface Opto Isolada BPC-PRO
6 Endereço eletrônico da imagem <http://www.hobbycnc.com.br/site/index.php?aid=89>
Fonte: Os autores
6.3 Placa Controladora de Motor de Passo Unipolar
A Placa Controladora é um amplificador eletrônico de potência que fornece
energia necessária para operação do motor em resposta aos sinais de controle de
baixa potência gerados pelo microcontrolador.
O controle do motor de passo pode ser feito em malha aberta ou malha fechada.
Para que o motor de passo possa operar em malha aberta, é necessário que alguns
cuidados sejam tomados: as características de carga devem ser limitadas a fim de
evitar solicitações em excesso do motor; a velocidade máxima do motor, as taxas de
aceleração e desaceleração devem ser limitadas a um valor máximo. Assim, permite
que o motor tenha uma margem de segurança de trabalho em carga variável. Nestas
condições, pode ocorrer uma potencial perda de sincronismo entre os pulsos de
comando que são enviados ao motor e os passos executados por este, prejudicando
a precisão dos movimentos do mesmo.
Em um sistema de malha fechada onde há realimentação de posição, obtém-
se um melhor desempenho do motor de passo. Em muitas aplicações, mesmo com o
custo adicional do sensor de realimentação, os motores de passo se tornam uma
solução de melhor custo-benefício.
Em virtude do custo optou-se por adquirir uma placa de controle em malha
aberta do fabricante HobbyCNC Brasil.
Figura 07 – Placa Controladora de Motor de Passo Unipolar
Fonte: Os autores
6.3.1 Controlador
O controlador de sinais digitais da ATMEL ATtiny2313, consiste em um
poderoso dispositivo 8 bits com arquitetura AVR RISC que pode alcançar
velocidades de processamento de até 20MIPS (20 Milhões de instruções por
segundo) a 20MHz.
Esse dispositivo receberá o sinal digital do computador através da porta
paralela e irá gerar o trem de pulso PWM (Pulse width modulation) necessário para o
motor.
Figura 08 – Diagrama de Bloco
Fonte: imagem extraída do datasheet ATMEL ATtiny2313
7. SOFTWARE
Para que o protótipo execute os movimentos de fresamento da placa de
circuito impresso, primeiro é necessário à criação de um desenho do esquema
elétrico da placa em um programa especifico, em seguida essa imagem é convertida
para o layout da placa de circuito impresso, sendo este usado para gerar o código G
em um programa de Manufatura Assistida por Computador (CAM).
7.1 Mach 3
O software Mach 3 é um software que possui licença em torno de R$300,00.
Ele executa o código G, sendo uma opção flexível de baixo custo para
maquinas, tais como: plotters, mesas XY para corte de materiais, robôs manipuladores
cartesianos, tornos, fresadoras e centros de usinagens. A interface com os
acionamentos e sensores externos pode ser realizada através de uma ou duas portas
paralelas padrão do PC. Em adição as tradicionais portas paralelas pode-se expandir
o numero de entradas e saídas via interface Modbus RS232/ Ethernet. Pode-se ainda
empregar placas de controle de movimento mais especializadas ao invés da porta
paralela. O Mach 3 pode acionar motores de passo e também servomotores DC/AC
através de seus respectivos drivers que utilizam o padrão de comando passo/direção.
Como se trata de um CNC aberto o projetista de maquinas tem a sua disposição uma
ampla possibilidade de hardwares e configurações. As telas, os botões e as caixas de
dialogo podem ser configurados para cada aplicação.
Figura 10 – Tela principal do Software Mach 3
Fonte: Os autores
Para a apresentação do protótipo utilizamos uma versão DEMO, que limita a
quantidade de linhas de programação.
8. DIAGRAMA ESQUEMATICO DO PROTÓTIPO
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Durante a elaboração do protótipo a ideia inicial era que a mesa se deslocasse
no eixo X, porém verificou-se que isso iria limitar a área útil de trabalho, então
modificou-se o projeto e o deslocamento no eixo X é feito com o movimento da
ferramenta nos três eixos, ficando a mesa estática, obtendo assim uma maior área útil
de trabalho equivalente ao tamanho de uma folha A4.
Para o desenvolvimento do protótipo houve uma forte interação com
fornecedores de acessórios e componentes mecatrônicos, que resultou num grande
desafio contribuindo para o aprendizado acadêmico.
O protótipo atingiu uma precisão de 0,15mm, o grau de precisão para a
elaboração de uma PCI deve ser elevado, serão necessários ajustes para buscar uma
precisão de 0,1mm.
Este trabalho foi desenvolvido com material alternativo e pode servir como base
para quem deseja conhecer sobre o assunto ou se aventurar na montagem de sua
própria fresadora router.
REFERÊNCIAS
Apostila CNC, curso de programação CNC. ENSITEC
COUTINHO, L.; FERRAZ J.C.; Estudo da Competitividade da Indústria Brasileira, M.R. Cornacchia Ltda, 1995.
DUTRA, C.B.S; MENDONÇA, F,K; SOUZA, C.G; BONACORSO, N.G. “Retrofitting para prototipagem de placa eletrônica” IFSC, 9p, 2008
Fuso de Esferas recirculantes e guias lineares, 2008. Disponível em <HTTP://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/272>. Acessado em 03 de Maio de 2013
HTTP://www.ebah.com.br/content/ABAAAAxBgAA/objetivo-principal-deste-atualmente-fresamento. (Acessado em 31/05/12 22:15)
HTTP://fatec.org/v02/component/option,com_docman/task.../Itemid,26/(acessado em 31/05/12 22:30)
HTTP://blog.guiacnc.com.br/2011/02/guiacnc-na-revista-maquinas-e-metais/
MASTELARI, N. Desenvolvimento de um Editor/Simulador para Centros de Torneamento CN. Campinas, 100p, Universidade Estadual de Campinas, Dissertação (Mestrado), 1996.
PORTER, M. The Competitive Advantage of Nations, New York, Free Press, 1990
Smid, P. CNC Programming handbook, New York, Industrial Press, 2000, 620p