2.3 G-CODE
3.3.4 Universal Gcode Sender
O Universal Gcode Sender é o programa a ser utilizado para fazer a comunicação das informações do arquivo “.cnc” gerado pelo SketchUCam com o Arduino. Não é preciso instalar o Gcode Sender, o único requisito para usá-lo é ter o Java instalado. Este possui versões para vários sistemas operacionais, destacando Windows, Linux e Raspberry Pi.
O programa possui uma estimativa de tempo total e um visualizador em tempo real do trabalho que está sendo realizado pela máquina para que o usuário possa supervisionar e prever caso algum erro tenha ocorrido na geração do G-code.
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4 IMPLEMENTAÇÃO E RESULTADOS
Neste capítulo serão abordados os desafios de implementação do projeto, melhorias realizadas e os resultados dos testes de corte, comparando as peças projetadas no SketchUp e as peças produzidas pela máquina.
O primeiro protótipo foi reestruturado a partir da análise das limitações do projeto original, onde foi alterada a distância entre as guias do eixo X, com a substituição do material utilizado em determinadas estruturas (eixos X e Z) por madeira, conforme as Figura 24 Figura 25.
Figura 24 - Primeira implementação da primeira máquina, visualização dos eixos X e Z
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Figura 25 - Segunda implementação da primeira máquina, visualização dos eixos X e Z
Fonte: Autoria própria
A partir desta implementação foi realizada a verificação de seu desempenho com testes de repetição, cortes em curva, para verificação de resolução, teste de esforço e cortes de diferentes espessuras de chapas de MDF. Foram realizados cortes de diversas formas geométricas, incluindo peças que utilizaram diferentes métodos de usinagem, com o intuito de identificar as limitações e boas práticas da máquina.
As peças da Figura 26 foram escolhidas de forma a testar a precisão e a exatidão da calibração dos eixos, visto que as peças possuem encaixe e estas serão cortadas alinhadas a eixos diferentes.
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Figura 26 - Peças múltiplas para encaixe
Fonte: Cláudia Assade Leludak
Deste desenho, foram obtidas peças com as seguintes medidas: Peça da Esquerda:
126x252mm (eixos X e Y, respectivamente) Peça da Direita:
247x129mm (eixos X e Y, respectivamente)
Apesar de configurado à mesma calibragem do eixo Y, visto que tinham o mesmo acoplamento mecânico, o eixo X apresentou, para cortes de chapas mais resistentes, escorregamento da correia fazendo com que a distância percorrida neste eixo fosse menor do que o projetado. Considerando que o motor de passo não possui feedback, não há a devida compensação de torque em casos de maior resistência mecânica. Este erro foi menos frequente em testes de rebaixo devido ao menor esforço de arrasto envolvido no trabalho.
A peça da Figura 27 foi escolhida para verificar a qualidade do corte final, considerando o comportamento da máquina ao realizar cortes curvilíneos e retilíneos nos diferentes eixos em uma operação da máquina. Para este teste foram realizados dois ajustes: o aumento do tensionamento da correia no eixo X, assim como uma recalibração de sua resolução de passo, para compensar o escorregamento no eixo X visto anteriormente. Para
44 este teste, foi escolhido um percurso que dividiu o corte em 4 camadas, para reduzir o esforço solicitado da máquina.
Figura 27 - Cotas e cortes da peça do segundo teste
Fonte: Autoria própria
Com esta peça verificou-se que os ajustes mostraram-se efetivos na atenuação do escorregamento para as dimensões de trabalho propostas. As regiões curvilíneas ficaram suaves, como mostrado na Figura 28, de modo que não são visualmente perceptíveis as retas seguidas pela máquina. A peça não apresentou desvios entre as camadas de corte escolhidas.
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Figura 28 - Resultado do corte do segundo teste
Fonte: Autoria própria
Realizados os testes, concluímos que a máquina apresenta uma boa exatidão para aplicações de pequeno porte e de cunho educacional, com erros na ordem de 1%, para trabalhos com poucas dezenas de centímetros. Porém, baseando-se nos testes de repetição e esforço, notou-se que as correias de transmissão podem apresentar escorregamento sob tração mais alta, prejudicando a precisão e repetitividade da máquina. Também notou-se que o corte tem como resíduo uma grande quantidade de serragem que, ao ser atritada contra a fresa, leva o sistema a altas temperaturas e, devido à característica das partículas, pode levar à combustão.
Durante a montagem e operação da primeira máquina a equipe constatou alguns pontos de dificuldade. A ferramenta SketchUCam, apesar de ser de fácil instalação e integração com o SketchUp, não possui uma documentação adequada de suas configurações, nem de sua utilização. O mesmo pode ser dito do programa Universal GCode Sender. Esta foi uma motivação para a equipe produzir um descritivo da extensão SketchUCam e do programa Universal GCode Sender, explanando suas principais configurações e ferramentas no Manual (Apêndice B).
46 Outro ponto que demandou maior atenção dos alunos foi a disposição dos cabos de potência e comando ao longo da máquina, de forma que estes não limitassem o movimento da fresadora e fossem mantidos a uma distância segura da área de corte.
O cabeamento foi disposto em segmentos livres, de forma que estes eram unidos por pontos fixos em locais estratégicos (numerados conforme a Figura 29), sendo eles na parte superior do eixo Z (1); central do eixo X (2); maior distância do eixo X em relação à origem (3); fim do eixo Y (4) e início do eixo Y (5). O maior desafio, porém, foi no eixo Y, devido à grande quantidade de cabos que passavam por ele e a grande distância que eles deveriam ligar.
A solução encontrada pela equipe foi passar uma guia metálica pela lateral da máquina e, em torno dela, argolas, que permitiam que os cabos ficassem suspensos e afastados da área de corte, como mostrado na figura abaixo. A escolha das argolas também permitiu liberdade de movimento ao carro visto que, ao movimentar-se para a origem, as argolas se aproximam e os cabos retornam, e, ao se distanciar da origem, as argolas se afastam, fornecendo apoio aos cabos.
Figura 29 - Cabeamento passando pela guia lateral no eixo Y
47 Devido aos pontos levantados e almejando uma máquina com precisão superior, com ajuda e orientação da designer Claudia Assade Leludak e do professor Jorge Assade Leludak, uma segunda máquina foi projetada e construída. Entre as características alteradas da primeira máquina está a troca das transmissões por correia dentada dos eixos X e Y, para transmissões por fusos (Figura 30 Figura 31, a seguir). Tal mudança resultou na redução de número de motores do eixo Y de 2 para 1, agora centralizado às guias, bem como atenuação do escorregamento e desvio, e aumento de precisão.
Figura 30 - Detalhamento do fuso no eixo X
Fonte: Autoria Própria
Figura 31 - Detalhamento do fuso no eixo Y
48 Outro ponto foi o projeto da máquina, que foi pensada para comportar a passagem de cabos por baixo da mesa, eliminando a necessidade de utilização da guia lateral do eixo Y (Figura 32, a seguir). O projeto foi feito à base de acrílico, tornando-o mais resistente aos esforços. A máquina é fixa em uma base metálica, tornando-a menos suscetível à vibrações.
Figura 32 - Cabeamento passando por baixo da mesa
Fonte: Autoria Própria
Por final, a última grande alteração da segunda máquina foi relacionada aos resíduos gerados durante o corte (Figura 33), visto que estes elevavam a temperatura da máquina, danificando as fresas, além de dificultar a permanência de um operador no mesmo ambiente da máquina, devido às partículas suspensas. Para a remoção da serragem durante o trabalho foi desenhada uma peça, pela Cláudia, que permitia o acoplamento de um tubo aspirador (Figura 34). A solução mostrou-se muito efetiva para as partículas em suspensão, porém, limitada à potência do aspirador, tornando a aspiração dos detritos que se sedimentavam, ineficaz.
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Figura 33 - Exemplo dos resíduos gerados
Fonte: Autoria Própria
Figura 34 - Solução implementada para o problema da serragem
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como considerações finais deste trabalho, serão abordadas as conclusões dos objetivos propostos na Seção 1.4 e pontos encontrados no projeto que podem ser aprofundados em estudos futuros de aprimoramento e otimização do protótipo desenvolvido.
5.1 CONCLUSÃO
Seguindo as premissas levantadas na tese, este projeto teve o intuito de buscar uma solução financeiramente viável e de fácil utilização para a usinagem de peças de madeira customizadas.
Sobre o estudo e implementação do projeto do Professor Marlon Nardi Walendorff, os resultados discutidos na seção 4 levaram a equipe, com a orientação da designer Claudia Assade Leludak, à buscar soluções para os desafios encontrados, como o planejamento da disposição dos diversos componentes de controle, fins de curso, cabeamentos e conexões. Também fez-se o estudo e documentação dos softwares abertos e suas integrações, de forma a facilitar e entender sua operação.
No tocante à avaliação de funcionamento e desempenho do projeto, apesar dos resultados promissores no uso da máquina, alguns problemas inerentes à construção foram percebidos, alguns deles são o de escorregamento da polia nos eixos com transmissão via correia dentada, acúmulo de resíduos de corte e vibração durante a operação, motivando a construção de um novo protótipo a partir deste.
Quanto à confirmação viabilidade do projeto, o trabalho, de forma geral, alcançou os objetivos propostos, com ressalva à utilização de somente softwares gratuitos, devido à uma medida tomada pela empresa Trimble Inc., provedora do software SketchUp, que tornou pagas as versões offline do programa. Somente sua versão web, que não permite integração com as extensões, é gratuita.
Também é importante destacar que o custo total do projeto, (Apêndice A), embora maior do que o estimado inicialmente, ainda é menor que o de outras máquinas convencionais disponíveis no mercado, confirmando sua viabilidade para o propósito de aprendizado e aplicações de pequeno porte.
As melhorias mecânicas e estruturais realizadas no projeto da segunda máquina a tornaram mais adequada para aplicações pessoais ou comerciais, porém, o custo envolvido na construção desta foi razoavelmente maior.
51 A criação do manual de montagem e operação foi feito de modo a não restringir as diversas soluções construtivas possíveis, visto que estas dependem totalmente do que se deseja com o projeto. Foram destacadas, nas instruções, áreas de atenção sobre os problemas encontrados na primeira implementação, com suas respectivas sugestões de correção. O foco maior do manual foi na operação dos softwares, devido à pouca documentação disponível destes.
Conclui-se que o projeto aberto proposto é viável financeiramente e operacionalmente, de implementação relativamente simples e passível de aprimoramentos e customizações, e pode servir, além do âmbito educacional, para propósitos comerciais de baixa escala.
5.2 DESAFIOS FUTUROS
Apesar dos resultados positivos obtidos, para projetos futuros os seguintes pontos podem ser estudados:
● Desenvolver um método mais eficaz para a remoção dos resíduos de madeira durante o corte, pois eles são expelidos em grande quantidade e quando acumulados geram risco de danificar a máquina e a peça sendo cortada.
● Revisão de projeto mecânico da máquina, tanto no aspecto construtivo quanto no material utilizado.
● Estudo da relação entre velocidade de translação da ferramenta e/ou rotação da fresa com material e/ou espessura peça a ser cortada.
● Alternativas ao conjunto de softwares, SketchUp e SketchUCam, para modelagem e geração do G-Code.
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REFERÊNCIAS
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BENDER, Willian N. Aprendizagem baseada em projetos: educação diferenciada para o século XXI. Penso Editora, 2015.
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Microchip Inc. Publication AN907 (2004): 1-22.
GONÇALVES, Ezio Lúcio Zerbone; LEAL, Maria da Glória. INOVAÇÃO NO PROCESSO PRODUTIVO NO SEGMENTO METAL-MECÂNICO COM USO DE TECNOLOGIA A CNC (PESQUISA DO PERFIL PROFISSIONAL). http://www.abenge.org.br/cobenge/arquivos/13/artigos/13_116_404.pdf Acesso em: 11/05/2018.
HAYT JUNIOR, William Hart; KEMMERLY, Jack E.; DURBIN, Steven M. Análise de circuitos em engenharia. 7. ed. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 2008. xxii, 858 p. ISBN 9788577260218.
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LUIZ DE AZEVEDO, Américo. Os Primórdios do controle numérico. Disponível em: https://www.mundocnc.com.br/historico.php Acesso em 09/09/2018
MEYRICK, Kristy M. How STEM education improves student learning. Meridian, v. 14, n. 1, 2012.
53 OBERG, E., JONES F., HORTON, H. and RYFFEL, H. (2000). Machinery's handbook. 26th ed. New York: Industrial Press, p.1243.
Projeto GRBL. Disponível em: https://github.com/grbl/grbl Acesso em 15/08/2018
SANDERS, Mark E. Stem, stem education, stemmania. 2009.
Site Protoptimus. Máquinas CNC: A história do Comando Numérico Computadorizado. Disponível em: http://www.protoptimus.com.br/maquinas-cnc- historia-comando-numerico-computadorizado/ Acesso em 07/09/2018
SketchUcam v1.4d; https://openbuilds.com/projectresources/sketchucam.1/ Acesso em 23/10/2018
WALENDORFF, Marlon N. Construa sua própria CNC 3.0, Disponível em: <https://bit.ly/2jWdNIn> Acesso em: 11/05/2018.
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APÊNDICES
Apêndice A - Lista de Materiais Utilizados
Abaixo segue a lista de materiais utilizados na primeira implementação. Vale destacar que a fonte de 12V não foi comprada, visto que ela foi reaproveitada de uma fonte comum de computador, bem como o cooler para os drivers da Shield CNC foi reutilizado a partir de um processador com defeito.
Peças / serviços Qtde Un Valor Unitário Sub Total
Guia Linear 12mm x 1000mm em Aço 1045
Tolerância: H7 3 pç R$120,00 R$360,00
Rolamentos LM12UU 12 pç R$14,25 R$171,00
Suporte Eixo Guia Linear SK-12 Para guia
12mm 12 pç R$17,90 R$214,80
Fuso Trapezoidal TR8 X Passo 8 Com 1
Flange De Latão - 300mm 1 pç R$60,00 R$60,00
Acoplamento Flexivel 5mm X 8mm 1 pç R$15,90 R$15,90 Mancal Modelo KFL08 Com Rolamento 1 pç R$17,90 R$17,90
Correia GT2 6mm/ Passo 2mm 6 m R$11,50 R$68,97
Polia GT2 Passo 2mm 16 Dentes Eixo 5mm 3 pç R$14,90 R$44,70 Driver A4988 Com Dissipador De Calor
Impressora 3d Reprap 4 pç R$15,90 R$63,60
Arduino Uno 1 pç R$43,45 R$43,45
Motor de Passo NEMA 17 - 2,5 kgf.cm / 1,2A - Action - Modelo: SM1.8-A1740CH- CS
4 pç R$92,90 R$371,60
CNC Shield V3.0 1 pç R$20,20 R$20,20
Recorte a laser das peças R$295,00
2 placas de 120x60x2.5 cm em MDF 2 pç R$65,00 R$130,00 Adesivo cascola s/ toluol 193g 1 pç R$18,30 R$18,30
Arruela li fer 003 zb 4 pç R$0,60 R$2,40
Arruela li fer 004 zb 5 pç R$0,54 R$2,70
Arruela pres 005 med zb 7 pç R$0,14 R$0,98
Parafuso aa 2,2 x 06,5 ch ph 4 pç R$0,08 R$0,32
Parafuso aa 2,2 x 13 pan ph 4 pç R$0,30 R$1,20
Parafuso aa 3,5 x 25 ch ph 8 pç R$0,40 R$3,20
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Parafuso maq 3 x 16 ph pan 7 pç R$0,40 R$2,80
Parafuso maq 3 x 25 ph ch 7 pç R$0,20 R$1,40 Parafuso maq 4 x 30 ph ch 14 pç R$0,30 R$4,20 Parafuso maq 4 x 35 ph ch 14 pç R$0,08 R$1,12 Parafuso maq 4 x 60 ph ch 14 pç R$0,16 R$2,24 Parafuso maq 5 x 50 ph ch 28 pç R$0,14 R$3,92 Porca sx 003 ch5,5 ma bc 3 pç R$0,20 R$0,60 Porca sx 004 ch7 ma bc 4 pç R$0,54 R$2,16 Porca sx 005 ch8 ma bc 6 pç R$0,42 R$2,52 Rolamento smr 105 zz 3 pç R$15,00 R$45,00
Cabinho 22 awg - (0,30mm) - preto 100 m R$0,49 R$48,50 Cabinho 22 awg - (0,30mm) - vermelho 100 m R$0,48 R$48,37 Terminal modu mltf - 2,54mm - metaltex 40 pç R$0,15 R$5,80 Modu mls-40 1x40 vias - 2,54mm/180º -
metaltex 3 pç R$1,85 R$5,54
Micro switch kw-11-3z-5-pequena c/ haste
31,5mm 6 pç R$4,61 R$27,64
Cabo paralelo bicolor 2 m R$2,10 R$4,20
Spaguetti termo retrátil preto 6mm 2 m R$2,35 R$4,70
Pasta térmica 50 gr 1 pç R$9,50 R$9,50
Terminal faston femea - s/ isolação peq 12 pç R$0,25 R$3,00
Botão de emergência c/ ret 1 pç R$17,07 R$17,07
Cabo usb a-a macho x femea 1 pç R$6,80 R$6,80
B. de pinos bpsc-40 1 x 40 180° metaltex 1 pç R$1,00 R$1,00
Plug femea p/ extensão 1 pç R$5,90 R$5,90
Adap. Cabo tripolar 2p+t p/ tomada 2p+t
mod novo 1 pç R$8,00 R$8,00
Rele ax irc5 - 5vcc - metaltex 1 pç R$5,40 R$5,40
Fonte de tensão 12V 1 pç R$30,00 Material
reaproveitado Cooler 12V 1 pç R$8,93 Material reaproveitado Tupia Laminada 530W 3709 127V (110V) Makita 1 pç R$399,00 R$399,00 Total R$2.573,40
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Apêndice B - Manual de Montagem e Operação
Este apêndice será um breve descritivo dos principais pontos de montagem mecânica da máquina, sua instalação elétrica e configuração de software. Após isso, será dado maior foco na operação, através do uso das ferramentas de software integradas.
Montagem Mecânica
O projeto deve ser composto de 3 eixos ortogonais entre si, com o eixo Z na vertical e são necessários no máximo 4 motores, sendo um deles um espelhamento de outro. Dentro dessas especificações, é possível elaborar diversas soluções mecânicas, tais quais os exemplos vistos nas figuras a seguir:
Figura 35 - Visão geral da estrutura da primeira versão da máquina
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Figura 36 - Detalhe do carro da segunda versão da primeira máquina
Fonte: Autoria própria
Figura 37 - Visão geral da segunda máquina
Fonte: Autoria própria
Serão indicados, neste apêndice, os principais pontos da construção, mas não serão detalhados itens como dimensões e encaixes. Adaptações podem ser feitas conforme o projeto.
58 ● Fazer primeiramente a montagem do carro, fazendo a fixação dos motores, guias
lineares e dos sistemas de transmissão dos eixos X e Z.
Figura 38 - Detalhe dos eixo Z na segunda máquina
Fonte: Autoria própria
● É importante ressaltar que o planejamento prévio da distribuição dos cabos pela máquina é fundamental, visto que estes devem ficar dispostos de forma a não entrar na área de corte, ficar preso entre partes móveis ou sofrer nenhuma desconexão durante o processo de trabalho.
● Se a montagem não possibilitar mover um dos eixos manualmente, é sugerido fazer o posicionamento inicial do carro no centro de todos os eixos, com o intuito de facilitar os testes iniciais.
● Fixar o motor, as guias e a transmissão do eixo Y. Em seguida, acoplar o carro, previamente montado, às guias e transmissão do eixo.
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Figura 39 - Detalhe dos eixos X e Z na segunda máquina
Fonte: Autoria própria
● Prender a estrutura do eixo Y à base que apoiará o anteparo de corte, atentando-se que, qualquer desbalanceamento na altura relativa entre a base e o eixo, ao longo do movimento da máquina, prejudicará a qualidade final das peças produzidas. O desbalanceamento, ao longo do eixo pode acarretar em uma diferença de altura ao longo de um percurso usinado.
● Verificar o lugar em que os fins de curso ficarão posicionados e instalar estruturas para que a máquina possa acioná-los.
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Figura 40 - Detalhe dos eixo Z na segunda máquina
Fonte: Autoria própria
● Fixar bem a máquina no local em que será utilizada, vibrações da base podem acarretar em imperfeições no corte e afrouxar as junções das peças parafusadas. ● O sistema de coleta de resíduos, embora opcional, é fortemente recomendado. O
acúmulo de detritos durante o corte faz com que máquina realize um esforço excessivo e aumenta o risco de danos à peça sendo trabalhada e à máquina, reduzindo sua vida útil.
Instalação Elétrica
● Tomar os devidos cuidados para que os circuitos de potência e de comando fiquem a uma distância segura da área de trabalho, garantindo que não sejam danificados durante a operação.
● Posicionar os fins de curso de forma que estes sejam acionados a uma distância de segurança dos limites da mesa, para que a máquina interrompa o movimento antes de chegar nos pontos que possam danificá-la.
● Medir o tamanho que os cabos devem ter para cada fim de curso e cada motor. ● Realizar a montagem do filtro capacitivo para os fins de curso.
● Fazer a conexão do CNC Shield com o Arduino e acoplar os drivers no CNC Shield. Se a montagem utilizar apenas 3 motores, o driver no slot em vermelho não é necessário, nem os jumpers pretos adjacentes.
61 ● Realizar a calibração da tensão dos drivers com uma chave philips e um voltímetro
entre o trimpot de ajuste e ground da alimentação do shield, conforme a fórmula: Tensão nos drivers (mV) = 8 * Corrente nominal do motor (A) * Valor do resistor do driver (Ω)
Para os componentes listados no Apêndice A, a fórmula resultou nos seguintes valores, com atenção para o resistor do driver:
960 (mV) = 8 * 1,2 (A) * 100 (Ω)
● Adicionar os dissipadores de calor nos drivers.
Figura 41 - Detalhe dos drivers no Shield CNC
Fonte: Autoria própria
● Fazer a ligação do botão de emergência em série com a alimentação, para cortar a energia do sistema.
● Conectar uma fonte de 12V, com interruptor, ao CNC Shield. ● Ligar o relé ao CNC Shield e ao sistema de alimentação da tupia. ● Conectar os motores aos seus respectivos slots no CNC Shield.
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Figura 42 - Esquemático de ligação do filtro “passa-baixa”
Fonte: Retirada do site github.com/gnea/grbl/wiki/Wiring-Limit-Switches
● Recomenda-se acoplar um cooler sobre o sistema para aumentar a refrigeração dos drivers, assim como encapsular o circuito principal, para manter protegido o sistema de comando.
Figura 43 - Detalhe no encapsulamento do circuito
63 ● Fixar o cabeamento conforme o planejamento prévio, atentando-se ao movimento da
máquina e certificando-se que os cabos não obstruirão seu percurso.
Figura 44 - Detalhe da fixação dos cabos na primeira máquina
Fonte: Autoria própria
Configuração de Software
1. Fazer o download do projeto: https://github.com/grbl/grbl. Para os projetos realizados pela equipe, as seguintes configurações foram feitas:
2. No arquivo grbl/config.h, foi comentada a linha 247, não definindo a variável que utiliza PWM para controlar a velocidade da tupia (Figura X), pois a tupia será utilizada à plena velocidade e ativada por relé.
Figura 45 - Linha original e linha modificada, respectivamente
Fonte: Autoria própria
3. No arquivo grbl/config.h, foi descomentada linha 173, definindo a variável que inverte a lógica de comando do relé que alimenta a tupia (Figura X), visto que o relé utilizado possui lógica de comando invertida e é desativado quando o comandado com nível lógico alto. A tupia foi conectada ao terminal Normalmente Aberto do