UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CÂMPUS DE CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
FELIPE CUNHA DA SILVA
STEFANO FRANZA BAGGIO
YAGO FELIPE DE MOURA
DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA DE CORTE CNC DE
BAIXO INVESTIMENTO E FÁCIL OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2019
Felipe Cunha da Silva Stefano Franza Baggio Yago Felipe de Moura
DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA DE CORTE CNC DE
BAIXO INVESTIMENTO E FÁCIL OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, do curso de Engenharia de Controle e Automação. do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Busetti De Paula
Co-orientador: Prof. Dr. Jorge Assade Leludak
CURITIBA
2019
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia de Controle e Automação
Felipe Cunha da Silva Stefano Franza Baggio Yago Felipe de Moura
Desenvolvimento de uma Máquina de Corte CNC de Baixo
Investimento e Fácil Operação e Manutenção
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro de Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 09 de julho de 2019.
____________________________________ Paulo Sérgio Walênia, Prof. Esp.
Coordenador de Curso Engenharia de Controle e Automação
____________________________________ Annemarlen Gehrke Castagna, Profa. Ma. Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso
de Engenharia Elétrica do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Marco Antonio Busetti de Paula, Prof. Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador
______________________________________ Jorge Assade Leludak, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Co-Orientador
_____________________________________ Marco Antonio Busetti de Paula, Prof. Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Jorge Assade Leludak, Prof. Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná _____________________________________ Roberto Candido, Prof. Me.
RESUMO
DA SILVA, Felipe C.; BAGGIO, Stefano F.; DE MOURA, Yago F.. DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA DE CORTE CNC DE BAIXO INVESTIMENTO E FÁCIL OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO. 85. Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia de Controle e Automação, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019.
Este trabalho tem como objetivo a construção de uma máquina de corte CNC para pequenas aplicações, controlada por Arduíno e utilizando materiais de fácil acesso, bem como a elaboração de um manual de montagem e operação. A máquina tem a capacidade de realizar cortes de movimento simultâneos nos eixos X e Y e ajuste de altura no eixo Z . A máquina pode ser operada manualmente ou automaticamente, interpretando um arquivo g-code (.cnc) previamente gerado. O manual dá instruções gerais de montagem e, em sua parte de operação, descreve o modo de instalação, configuração e uso dos softwares envolvidos.
ABSTRACT
DA SILVA, Felipe C.; BAGGIO, Stefano F.; DE MOURA, Yago F.. DEVELOPMENT OF A LOW INVESTMENT, EASY OPERATION AND MAINTENANCE, CNC ROUTER. 85. Final Course Monography – Control and Automation Engineering, Federal University of Technology - Paraná. Curitiba, 2019.
This monography has as it's objective the construction of an CNC Router for small applications, controlled by an Arduino and made of accessible materials, as well as the elaboration of an assemble and operation manual. The machine will be capable of moving simultaneously on X and Y axis and adjust the Z axis depth. It can be operated manually or automatically, by interpreting an g-code (.cnc) previously generated. The manual will embrace general assembling instructions, as well as the installation, setup and operations of the softwares. Keywords: CNC, Router, Arduino, Small Applications, Prototype.
LISTA DE SIGLAS
ABP: Aprendizagem Baseada em Projetos CNC: Computer Numerical Control PBL: Project Based Learning
STEAM: Science, Technology, Engineering, Arts & Math STEM: Science, Technology, Engineering & Math
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Árvore de tarefas ... 16
Figura 2 – Fresa dupla ... 18
Figura 3 - Fresa ponta U ... 19
Figura 4 - Máquina Fresadora NC controlado por Fita Perfurada ... 20
Figura 5 - Instrumento musical Carrilhão ... 22
Figura 6 - Caixinha de música ... 22
Figura 7 - Uma das versões de Impressora 3D RepRap ... 25
Figura 8 - Torno CNC de grande porte ... 26
Figura 9 - Máquina Fresadora CNC ... 27
Figura 10 - Exemplo de linha de comando do G-Code ... 28
Figura 11 - Motor de passo NEMA 17 ... 29
Figura 12 - Motor de passo em seção transversal ... 29
Figura 13 - Princípio de funcionamento do motor de passo ... 30
Figura 14 - Circuito de filtro "passa-baixa" ... 31
Figura 15 - Esquemático de ligação do filtro “passa-baixa” ... 32
Figura 16 - Modelo 3D do projeto do professor Marlon Nardi Walendorff ... 33
Figura 17 - Detalhe de guia e transmissão do eixo Y ... 34
Figura 18 - Detalhe de guia e transmissão do eixo X ... 35
Figura 19 - Detalhe de guia e transmissão do eixo Z ... 35
Figura 20 - Placa do Arduino UNO ... 36
Figura 21 - Shield CNC v3.0 ... 37
Figura 22 - Sequência de comunicação entre os softwares ... 38
Figura 23 - Área de trabalho do programa SketchUp Pro 2016 ... 39
Figura 24 - Primeira implementação da primeira máquina, visualização dos eixos X e Z ... 41
Figura 25 - Segunda implementação da primeira máquina, visualização dos eixos X e Z ... 42
Figura 26 - Peças múltiplas para encaixe ... 43
Figura 27 - Cotas e cortes da peça do segundo teste ... 44
Figura 28 - Resultado do corte do segundo teste ... 45
Figura 29 - Cabeamento passando pela guia lateral no eixo Y ... 46
Figura 30 - Detalhamento do fuso no eixo X ... 47
Figura 32 - Cabeamento passando por baixo da mesa ... 48
Figura 33 - Exemplo dos resíduos gerados ... 49
Figura 34 - Solução implementada para o problema da serragem ... 49
Figura 35 - Visão geral da estrutura da primeira versão da máquina ... 56
Figura 36 - Detalhe do carro da segunda versão da primeira máquina ... 57
Figura 37 - Visão geral da segunda máquina ... 57
Figura 38 - Detalhe dos eixo Z na segunda máquina ... 58
Figura 39 - Detalhe dos eixos X e Z na segunda máquina ... 59
Figura 40 - Detalhe dos eixo Z na segunda máquina ... 60
Figura 41 - Detalhe dos drivers no Shield CNC ... 61
Figura 42 - Esquemático de ligação do filtro “passa-baixa” ... 62
Figura 43 - Detalhe no encapsulamento do circuito ... 62
Figura 44 - Detalhe da fixação dos cabos na primeira máquina ... 63
Figura 45 - Linha original e linha modificada, respectivamente ... 63
Figura 46 - Linha original e linha modificada, respectivamente ... 64
Figura 47 - Aba utilizada para escolha de biblioteca nova ... 64
Figura 48 - Aba utilizada para abrir a biblioteca adicionada do projeto ... 65
Figura 49 - Aba utilizada para comunicação com Arduino ... 66
Figura 50 - Botão utilizado para gravação do firmware no Arduino ... 66
Figura 51 - Local das configurações de firmware ... 67
Figura 52 - Configurações de firmware ... 68
Figura 53 - Menu “Phlatboyz Parameters” ... 70
Figura 54 - A ferramenta de corte externo foi utilizada na superfície azul, gerando a linha laranja ao redor dela, caminho que a fresa irá percorrer ... 71
Figura 55 - A ferramenta de corte interno foi utilizada na superfície azul, gerando uma linha azul em seu interior, que é o caminho que a fresa vai percorrer ... 71
Figura 56 - A ferramenta de furação foi utilizada, gerando os círculos destacados em vermelho ... 72
Figura 57 - A ferramenta de corte sobre uma linha foi utilizada, gerando as linhas verdes na área à direita ... 73
Figura 58 - A ferramenta de retirada de material gera as linhas rosas nas peças. A peça 1 foi feita utilizando a ferramenta sem nenhuma alteração, a peça 2 retirando somente o contorno, a peça 3 com o sentido trocado e sem retirar o contorno e a peça 4 utilizando 74 Figura 59 - Referência 0,0 para o corte, representada pelo “X” ... 75
Figura 60 - Tela do Universal Gcode Sender ... 75
Figura 61 - Parte 1 da tela do Universal Gcode Sender ... 76
Figura 62 - Parte 2 da tela do Universal Gcode Sender ... 77
Figura 63 - Parte 3 da tela do Universal Gcode Sender ... 77
Figura 64 - Configurações dos parâmetros do SketchUCam ... 78
Figura 65 - Área de trabalho do SketchUp ... 79
Figura 66 - Projeto da peça no SketchUp ... 79
Figura 67 - Métodos de retirada de material e corte interno ... 80
Figura 68 - Detalhe nos caminhos a serem percorridos pela fresa ... 81
Figura 69 - Método de corte linear ... 81
Figura 70 - Método de corte externo ... 82
Figura 71 - Janela para abrir o arquivo .cnc ... 82
Figura 72 - Opção de visualização do projeto ... 83
Figura 73 - Tela principal do Universal GCode Sender ... 84
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 TEMA ... 11 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 13 1.3 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 13 1.4 OBJETIVOS ... 13 1.4.1 Objetivo Geral ... 13 1.4.2 Objetivos Específicos ... 14 1.5 JUSTIFICATIVA ... 14 1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 14 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 17 2 A MÁQUINA FRESADORA CNC ... 182.1 PRINCÍPIOS DA MÁQUINA FRESADORA ... 18
2.2 ORIGEM DO CNC (COMPUTER NUMERICAL CONTROL) ... 20
2.3 G-CODE ... 28 2.4 MOTOR DE PASSO ... 29 2.5 FILTROS CAPACITIVOS ... 31 3 PROJETO DA FRESADORA CNC ... 33 3.1 PROJETO MECÂNICO ... 33 3.2 PROJETO ELETRO-ELETRÔNICO ... 35 3.2.1 Arduino UNO ... 36 3.2.2 Shield CNC v3.0 ... 36 3.3 PROJETO DE SOFTWARE ... 37 3.3.1 GRBL ... 38 3.3.2 SketchUp ... 39 3.3.3 SketchUCam ... 40
3.3.4 Universal Gcode Sender ... 40 4 IMPLEMENTAÇÃO E RESULTADOS ... 41 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 50 5.1 CONCLUSÃO ... 50 5.2 DESAFIOS FUTUROS ... 51 REFERÊNCIAS ... 52 APÊNDICES ... 54
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1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
Para iniciarmos nossa pesquisa, trataremos sobre a introdução do CNC na indústria e a revolução trazida por este advento. CNC (Computer Numerical Control ou Comando Numérico Computadorizado) consiste em um sistema, utilizado em tornos e máquinas de usinagem, que permite o controle simultâneo de vários eixos, tornando possível a produção de peças mais complexas.
A aplicação deste tipo de controle trouxe à manufatura uma maior precisão e replicabilidade de peças elaboradas, pois o método elimina o erro humano no trabalho manual, minimizando retrabalho e desperdício.
Tais características aumentam a competitividade no mercado globalizado, onde qualidade e preço se tornam um diferencial mais difícil de atingir. Para tal, é fundamental a especialização da mão de obra que tenha contato com a tecnologia de CNC.
Isso é um dos pontos principais na discussão da introdução adequada da tecnologia para o ensino desde suas bases. Para isso, torna-se necessário o acesso ao material seguro, didático e de custo compatível com a realidade da educação.
Para continuarmos com a apresentação do projeto a ser elaborado é preciso contextualizamos dois conceitos importantes: STEAM e PBL.
Sanders (2009), Bruning, Schraw, Norby e Ronning (2004) identificaram alguns pontos de uma educação integrada com a STEM:
● A aprendizagem é um processo construtivo, não receptivo. ● Motivação e crenças são essenciais na cognição.
● Interação social é fundamental para o desenvolvimento cognitivo. ● Conhecimento, estratégias e expertise são contextuais.
STEAM é um conceito que veio como uma nova versão da STEM (Science,
Technology, Engineering and Math). Um novo olhar sobre as perspectivas do futuro das
profissões trouxe à tona a necessidade de adicionarmos as Artes ao currículo base dos alunos. Mas afinal, o que é o STEAM? São as 5 áreas de conhecimento básicas consideradas imprescindíveis para a formação dos futuros profissionais. Os ofícios que ainda não existem em nossa sociedade, terão como alicerce uma ou mais destas áreas e o resultado da interdisciplinaridade delas.
12 PBL (Project-Based Learning) é uma metodologia onde o aluno é instigado a desenvolver soluções para problemas reais impostos a ele. O aprendizado acontece a partir do momento que o aluno deve tomar a iniciativa, recorrendo à pesquisas para assim encontrar uma solução alternativa para o problema.
O processo tem como objetivo desenvolver pensamento crítico, criatividade, agilidade, iniciativa, habilidades comunicativas e a capacitação dos alunos para enfrentar os diferentes obstáculos que possam vir a aparecer em sua vida profissional, independentemente da área exercida.
Para Bender (2015), “(ABP) consiste em permitir que os estudantes confrontem as questões e os problemas do mundo real que considerem significativos, determinando como abordá-los e, então, agindo de forma cooperativa em busca de soluções”.
Segundo Meyrick (2012), a parte de engenharia da educação STEM permite a exploração do aluno do “que” e “como” da aprendizagem em todas as fases do currículo. Como não há padrões formais de engenharia medidos, a integração pode e deve levar à busca de ajustes naturais para maximizar a aprendizagem dos alunos através da criação de conexões.
Para o desenvolvimento dos projetos que abranjam o STEAM, são necessárias ferramentas tanto para a criação de kits de ensino quanto para o progresso daqueles. Estes equipamentos são, de maneira geral, de pouco acesso, alto custo e exigem pessoal qualificado para sua operação e manutenção.
A educação deve estar sempre em busca de atender a demanda do mercado, formando profissionais preparados para a realidade vigente. A metodologia utilizada até a educação atual não é mais suficiente ou eficaz para a qualificação de indivíduos para um futuro cada vez mais mutável.
Não se sabe ao certo quais serão as principais profissões do futuro, assim como no passado algumas das profissões que estão em alta hoje eram desconhecidas, o que se sabe é que elas envolverão de alguma forma as áreas do conhecimento da STEAM. Para ajudar a preparar as pessoas, uma possível solução é a implementação da PBL no ensino.
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1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Nosso projeto será montagem de um projeto aberto de uma ferramenta de corte CNC já existente, análise de seus resultados e, a partir destes, identificação de possíveis de melhorias, e desenvolvimento de um manual de montagem e operação.
1.3 PROBLEMAS E PREMISSAS
Em nossa busca por projetos compatíveis com as nossas demandas, encontramos o projeto do professor Marlon Nardi Walendorff, que abrangia nossas premissas de
software aberto e baixo investimento, apresentando potencial de fácil operação e
manutenção que serão confirmados por implementação.
Uma vez que ferramentas de corte normalmente tem um alto custo, e o custo alvo de nosso projeto é de aproximadamente 1.500 reais, a obtenção deste equipamento se torna mais acessível.
Como uma das aplicações da ferramenta envolve instituições de ensino, é fundamental que esta seja de fácil operação e equipada com medidas de segurança, visando a minimização de riscos e acidentes.
Dentre os desafios previstos neste projeto estão: a comunicação entre os dispositivos, a integração entre os sistemas e o aprendizado e utilização correta de conteúdos específicos ao projeto.
Devido aos critérios previamente estabelecidos, optamos por não utilizar corte à laser, visto que este exige uma capacitação técnica maior tanto para a utilização quanto para a manutenção, além de envolver um investimento maior, excedendo nossas premissas iniciais.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é construir uma máquina de corte CNC que utilize o controlador Arduino e softwares abertos ou gratuitos nos projetos de corte e na comunicação dos sistemas.
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1.4.2 Objetivos Específicos
● Estudar e implementar o projeto do Professor Marlon Nardi Walendorff; ● Avaliar o funcionamento e desempenho do projeto;
● Confirmar viabilidade do projeto;
● Criar um manual de montagem e operação.
1.5 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento da máquina de corte de baixo investimento possui uma ampla gama de aplicações, sendo desde o empreendedorismo, com a economia criativa, quanto para aplicações laboratoriais e didáticas, com o Aprendizado Baseado em Projetos. O projeto poderá ser utilizado tanto para a produção de peças para a venda, quanto para aplicação didática, com o aprendizado da operação da máquina e com a utilização desta para a fabricação de kits didáticos.
Este trabalho visa o desenvolvimento de uma ferramenta que possibilite a realização de atividades com precisão e durabilidade utilizando peças de Hardware de baixo investimento e um software livre ou gratuito para que a replicação do projeto seja facilmente realizada.
Além de um investimento mais baixo, nossa proposta é a criação de um equipamento intuitivo, de baixa complexidade de utilização e fácil montagem. A dissertação abrangerá também um descritivo do projeto para reprodução.
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
O trabalho será iniciado com uma pesquisa sobre a máquina fresadora, abrangendo sua origem e suas principais características, assim como um referencial teórico sobre o Comando Numérico Computadorizado, abordando sua evolução e aplicações.
Em paralelo será realizado um estudo de caso do projeto do professor Marlon Nardi Walendorff, averiguando sua viabilidade de construção, consistência de projeto e previamente identificando melhorias para a construção do primeiro protótipo da equipe.
Este estudo será seguido pela compra dos materiais necessários para o desenvolvimento da máquina, sendo estes materiais estruturais (placas de MDF, eixos, fusos, tupia, entre outros) e componentes eletroeletrônicos (Arduino, Shield CNC, drivers
15 de potência, motores de passo, fonte de tensão, fins de curso, capacitores, cabos, conectores, entre outros).
A montagem do projeto será iniciada pela estrutura e acoplamentos mecânicos, seguido pela instalação eletroeletrônica e posteriormente pela organização da comunicação entre softwares e máquina. O fluxo de trabalho seguiu-se conforme a Figura 1.
A partir da análise dos resultados de desempenho deste primeiro protótipo, será realizado um estudo de aprimoramento e reestruturação do projeto, visando a utilização de materiais mais resistentes que o MDF, como o acrílico, para a estrutura da fresadora, e uma revisão dos pontos críticos encontrados na primeira máquina.
Com este novo projeto, será necessário realizar novamente os passos de consulta de mercado para a compra dos materiais necessários, montagem e testes, que serão seguidos por uma nova análise de resultados e pontos críticos para a identificação de possíveis melhorias.
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Figura 1 - Árvore de tarefas
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1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho tem, em sua composição, 5 capítulos e 2 apêndices:
● Capítulo 1 - Introdução: trata sobre o escopo do projeto, objetivos e justificativa. ● Capítulo 2 - A Máquina Fresadora CNC: fornece a base teórica e histórica do projeto. ● Capítulo 3 - Projeto da Fresadora CNC: aborda uma visão geral das informações das 3 áreas do projeto: Projeto Mecânico, Projeto Eletroeletrônica e Projeto de Software. ● Capítulo 4 - Implementação e Resultados: descritivo dos resultados dos testes
realizados.
● Capítulo 5 - Considerações Finais: conclusões sobre o trabalho e apontamento de melhorias.
● Apêndice A - Lista de Materiais Utilizados.
● Apêndice B - Manual de montagem e operação: detalhamento das constituição mecânica, ligações eletroeletrônicas e uso dos softwares.
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2 A MÁQUINA FRESADORA CNC
Neste capítulo serão descritos os princípios da máquina fresadora, conceitos e história do CNC, introduzindo a linguagem G-CODE, funcionamento básico do motor-de-passo, e base teórica dos circuitos de filtros passa-baixa, abordando especificamente no que se relaciona com o projeto escolhido.
2.1 PRINCÍPIOS DA MÁQUINA FRESADORA
O processo de fresamento é caracterizado pela remoção progressiva de material da peça de trabalho por uma ferramenta multicortante que gira em alta velocidade, a fresa, que é operada pela máquina fresadora. Existem vários tipos de fresas (como pode ser observado nos exemplos das Figura 2 e Figura 3), cada uma com uma finalidade.
Figura 2 – Fresa dupla
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Figura 3 - Fresa ponta U
Fonte: Retirada do site makita.com.br
O grande diferencial deste processo em relação aos demais modos de usinagem é a sua cinemática, onde a ferramenta gira, e a peça translada em relação a ela, isso possibilita gerar superfícies não planas e não de revolução. O trabalho com fresas de diferentes formas propiciam vantagem sobre outros processos. Cortes em superfícies formando ranhuras circulares, elípticas, fresagem de formas côncavas e convexas, são possíveis com a fresadora, que permite uma grande quantidade de resultados tridimensionais com rapidez, precisão e repetibilidade.
As fresadoras, máquinas-ferramenta que realizam o trabalho com a fresa, são submetidas a grandes esforços de torção, uma vez que estas são responsáveis pelo movimento da ferramenta, enquanto a mesma ataca, com suas arestas cortantes, o material da peça. Os esforços também variam com a velocidade, material da peça e número de arestas da fresa. A máquina, portanto, deve ser robusta e projetada para resistir aos esforços e evitar desgastes excessivos por vibração.
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2.2 ORIGEM DO CNC (COMPUTER NUMERICAL CONTROL)
O Comando Numérico Computadorizado surgiu com a introdução da tecnologia dos computadores em um método previamente consolidado para o controle das máquinas ferramentas das linhas de produção, o Comando Numérico.
O termo NC significa Comando Numérico, cuja definição é o controle de máquinas através de instruções numéricas. Para tal, utilizam-se instruções digitais para mensurar grandezas, como distância, velocidade, temperatura, e assim por diante para controlar as ações de máquinas (LUIZ DE AZEVEDO, Américo). A tecnologia dessas máquinas surgiu ainda na década de 50, através de instruções gravadas em fitas perfuradas (Site Protoptimus), como mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Máquina Fresadora NC controlado por Fita Perfurada
Fonte: Retirada do site protoptimus.com.br
Esse tipo de máquina possibilitou grande aumento de produtividade para as máquinas ferramentas, pois não há necessidade de um operador em todas as etapas de produção (Site Protoptimus). O uso do CNC não está limitado à fresa, como será abordado neste trabalho, mas também está presente em impressoras 3D, máquinas de costura, prensas, máquinas de
21 rebitagem, máquinas de corte a laser, dobradeiras de tubos, máquinas de teste de circuitos, máquinas de inspeções, máquinas de montagens eletrônicas, máquinas de traçagens, sistemas industriais em fábrica de papel e tecidos, controles diversos em indústrias químicas (LUIZ DE AZEVEDO, Américo). Exemplos estes apenas para exemplificar os vastos campos de aplicação dessa tecnologia.
Em sua criação, essas máquinas não receberam a adoção da indústria. Para promover o uso, o exército americano comprou dezenas de unidades e as alugou, para estimular o uso, que foi crescendo até o final da década. Apesar disso, um dos fatores que dificultavam a adoção da tecnologia era a falta de uma linguagem padronizada, na época cada fabricante tinha sua própria linguagem. Posteriormente o Códico-G (G-Code) foi adotado como modelo padrão e continua sendo largamente utilizado até os dias atuais (Site Protoptimus).
As máquinas ferramentas surgiram ainda no início da revolução industrial, quando se tornou necessária a produção de peças de precisão superior ao que até então existia. Durante este período, surgiram diversas técnicas e máquinas para a produção de componentes de máquinas industriais (LUIZ DE AZEVEDO, Américo).
Outra inovação que precedeu a introdução das máquinas de Comando Numérico e que é de suma importância foi o desenvolvimento de controles automáticos. Um dos primeiros esforços em criar tal controle ocorreu na Holanda em 1650, onde tambores rotativos eram equipados com pinos para tocar carrilhões - instrumento musical formado por um conjunto de sinos de tamanhos variados, controlados por um teclado, como exemplificado na Figura 5. Normalmente alojados em torres de igrejas ou conventos -. Este método foi posteriormente utilizado, em miniatura, para o comando das caixinhas de música (LUIZ DE AZEVEDO, Américo), como pode ser observado na Figura 6.
22
Figura 5 - Instrumento musical Carrilhão
Fonte: Retirada do site campa.com/pt/produtos-campa/equipamento-para-carrilhoes
Figura 6 - Caixinha de música
23 Essa tecnologia teve grande impacto no NC, pois o controle por fitas perfuradas, encontrado na indústria até meados dos anos 80, surgiu destes experimentos. No início do século XVIII, M. Falcon utilizou de cartões perfurados para fazer uma máquina de costura rústica, limitada a baixa produção. J. M. Jaquard inventou um cartão de controle melhorado, no início do século XIX, para máquinas de tricotar e permitiu a máquina de tecer uma alta produtividade e baixo custo por unidade (LUIZ DE AZEVEDO, Américo).
No final de 1800, Charles Babage projetou o primeiro computador digital sofisticado, nunca concluído. O computador apareceu em 1945 quando o ENIAC foi desenvolvido pelo exército dos EUA. Esta máquina não possuía programas armazenados em memória. Nos primórdios de 1900, Hermam Hollerith desenvolveu um sistema armazenamento de dados para cartões perfurados para o departamento de recenseamento dos EUA. Durante a segunda guerra mundial, John Von Neumann projetou o computador de programas armazenados digitalmente, o qual se tornou uma peça essencial para o comércio e indústria complexa (LUIZ DE AZEVEDO, Américo).
Desde o início da revolução industrial, desejava-se controlar automaticamente os processos por meio de operações lógicas nas máquinas. Em 1912, Scheyer solicitou a patente da máquina de cortar algodão aos E.U.A., com objetivo do controle por cartão perfurado em papel ou outro material. Em 1947, a Parsons Corporation havia feito experimentos com máquinas de usinagem ligados a computadores alimentados por cartão. Em 1949, a FAA (Força Aérea Americana) percebeu a necessidade para o avanço das máquinas ferramentas não-manuais, contratando a Parsons para experimentos na produção de material bélico, assim adaptaram o controle numérico para uma máquina ferramenta convencional da Cincinnati, criando o protótipo de uma máquina CN que foi demonstrado em 1953 no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts). Os experimentos bem-sucedidos trouxeram grande avanço na complexidade do controle e armazenamento das máquinas. Muitos formatos diferentes foram aplicados, fita magnética, cartão perfurado, fita perfurada, e posteriormente disquetes e sistemas de dados centralizados (LUIZ DE AZEVEDO, Américo).
24 Segundo o site Protoptimus:
Alguns fatores principais possibilitaram o rápido desenvolvimento das máquinas CNC durante a década de 60:
● Padronização e criação do código G: A origem do código G (G-code) deu-se por volta de 1958 no MIT, onde era a linguagem usada no laboratório de servomecanismos.
● Durante a década de 60 surgiram os primeiros programas CAD, e em meados de 70 já haviam programas CAD usáveis pela indústria, substituindo rapidamente os desenhos em papel.
● Mini-computadores começaram a se tornar mais acessíveis e poderosos.
“Com o aumento de custo da mão de obra durante a década de 70, e os avanços das tecnologias do CNC, este começou a se popularizar rapidamente dentro das indústrias substituindo muitas máquinas ferramentas manuais” (Site Protoptimus).
Entre as décadas de 70 e 80, os alemães e japoneses entraram fortemente no mercado de máquinas de CNC, visando, principalmente, competir em preço com os modelos americanos. Recentemente os microprocessadores tornaram as tecnologias do CNC ainda mais baratas, tornando possível inclusive a disseminação do comando numérico entre
hobbystas e microempresas. O projeto EMC2, sigla de Enhanced Machine Controller, foi
um projeto para desenvolver um controlador CNC de código aberto, iniciado no NIST (National Institute of Standards and Technology). Em meados de 2000 o projeto entrou em domínio público e virou open source (Site Protoptimus).
O Mach3 foi desenvolvido pela Artsoft como uma alternativa ao EMC2 para usuários do sistema Windows, disseminando ainda mais o CNC. Em 2009, Simen Svale Skogsrud presenteou a comunidade open source liberando a primeira versão do GRBL (Site Protoptimus).
“A maioria dos projetos de impressoras 3D possuem o GRBL como base de seu controlador. Além de impressoras 3D, diversos tipos de máquinas já fazem o uso do GRBL, como máquinas de corte a laser, corte à plasma, máquinas de desenho e pintura, furadeiras automáticas, e claro, muitas fresadoras e routers CNC” (Site Protoptimus).
25 No caso de tecnologias CNC disseminadas, destaca-se o projeto RepRap, de impressoras 3D, que pode ser visto na Figura 7.
Figura 7 - Uma das versões de Impressora 3D RepRap
Fonte: Retirada do site replicatorworld.com/301/
Os tornos automáticos, Figura 8, também são derivados da tecnologia CNC, controlados geralmente nos eixos X e Z para usinagem de peças de revolução.
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Figura 8 - Torno CNC de grande porte
Fonte: Retirada do site blogsolidcad.blogspot.com/2017/03/cnc.html
Em uma fresadora a ferramenta de corte é rotativa, a fresa. A peça a ser usinada é fixa em uma mesa móvel ao longo dos eixos XY. As fresadoras possuem no mínimo a capacidade de usinar em 3 eixos, XYZ. Centros de usinagem avançados podem ter mais que 3 eixos, inclusive desempenham funções de torno e fresadora ao mesmo tempo (Site Protoptimus).
Routers CNC, Figura 9, é um termo em inglês referente à Tupias. São máquinas utilizadas para fazerem automaticamente os tipos de trabalhos que podem ser feitos com as Tupias Manuais. São semelhantes às fresadoras CNC, porém possuem o que chamamos de pórtico móvel. Uma máquina de usinagem com a configuração de pórtico móvel consegue obter uma área de trabalho maior em relação às máquinas fresadoras comuns, onde a parte móvel é a mesa. Em máquinas de pórtico móvel a ferramenta de corte, fresa, é que se movimenta ao longo de todos os eixos, XYZ. Como são máquinas com uma relação área de trabalho / massa muito superior às fresadoras, sua rigidez é menor e, portanto, não possui a mesma produtividade que uma fresadora para usinar metais. No entanto, dado o menor custo por área de trabalho, as Routers CNC são imbatíveis na relação custo benefício quando se trata de usinagem de materiais macios, como madeiras e plásticos, bem como na usinagem de chapas finas (Site Protoptimus).
27
Figura 9 - Máquina Fresadora CNC
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2.3 G-CODE
G-Code é o nome da linguagem de programação de Comando Numérico mais utilizada atualmente. A linguagem é composta por uma lista de instruções para os atuadores.
A primeira implementação da linguagem foi desenvolvida no Laboratório de Servomecanismos do MIT, no final da década de 1950. A primeira versão padronizada utilizada nos Estados Unidos foi estabelecida pela Electronic Industries Alliance no começo da década de 1960. A versão final, porém, só foi aprovada em fevereiro de 1980 e foi batizada de RS-274-D (Oberg, E., Jones, F., Horton, H. and Ryffel, H., 2000).
A lista de comandos do G-Code, na maioria das aplicações, é gerado por um software, visto que a linguagem não foi criada para interpretação humana, mas visando a maior eficiência com comandos específicos e diretos (como exemplificado na Figura 10), pois uma simples forma geométrica poderia demandar milhares de linhas de instrução e a escrita manual destas seria inviável para praticamente qualquer peça. Neste trabalho, o software responsável por gerar o código que é enviado à máquina, é a extensão SketchUCam, desenvolvida para o software de modelagem 3D, SketchUp. A estrutura do G-Code é descrita por Oberg, E., Jones, F., Horton, H. and Ryffel, H. (2000, p.1243) como:
Programas escritos para operar máquinas de controle numérico (CN) com sistemas que vão de acordo com o padrão ANSI/EIA RS-274-D-1980, consistem em uma série de bloco de dados, onde cada um é tratado como uma unidade pelo controlador e contém informação suficiente para que um comando completo seja feito pela máquina. Cada bloco é composto por uma ou mais palavras que indicam ao sistema de controle como sua ação correspondente deve ser realizada. Uma palavra é uma ordem de caracteres, consistida por uma letra e alguns dígitos numéricos, que correspondem a uma ação específica da máquina ferramenta. Figura 10 - Exemplo de linha de comando do G-Code
Fonte: Autoria própria.
Onde:
● 11 → Indica a linha do código e é utilizada como referência
● G → Comando utilizado para informar o tipo de movimento desejado (posicionamento rápido, linear, arcos)
● F → Velocidade dos motores ● X/Y/Z → Coordenadas
29 ● E → Velocidade de rotação da ferramenta
2.4 MOTOR DE PASSO
Os motores de passo, Figura 11, são atuadores elétricos constituídos basicamente por 2 partes: rotor e estator. São comumente usados em scanners, impressoras, drivers de CD, lentes de câmeras, máquinas CNC e impressoras 3D.
Figura 11 - Motor de passo NEMA 17
Fonte: Retirada do site reprap.org/mediawiki/images/d/d3/Stepper-motor-nema17.jpg
O estator contém várias bobinas que, quando energizadas em certa ordem, podem fazer com que o rotor gire. A Figura 12 mostra um exemplo de como um motor de passo é composto internamente.
Figura 12 - Motor de passo em seção transversal
Fonte: Retirada do site learn.adafruit.com/assets/16273
O princípio de funcionamento básico dos motores de passo é a energização de duas bobinas opostas entre si, que geram um campo magnético que, ao interagir com o campo magnético do rotor, criam um torque, que tende a alinhar o rotor ao campo do estator. Em
30 seguida duas bobinas adjacentes às anteriores e opostas entre si são energizadas e as anteriores desligadas, fazendo assim com que o rotor gire, de forma a alinhar-se novamente. O arco do passo do motor depende dos aspectos construtivos do motor, tal qual o número de bobinas, e do modo de acionamento destas.
A Figura 13 ilustra o funcionamento de um motor de passo de um modo simplificado. Os campos magnéticos dos componentes do motor-de-passo nas principais posições de alinhamento em um atuador hipotético de 4 bobinas. O giro do motor é feito através do acionamento sequencial das bobinas adjacentes, no exemplo, de 1 a 4.
Figura 13 - Princípio de funcionamento do motor de passo
Fonte: Autoria própria
Podemos listar características do motor-de-passo que levaram à sua escolha: ● Principais Vantagens:
○ Baixo custo necessário no quesito de controladores.
○ Não possui escovas como motores CC, o que aumenta sua vida útil. ○ Baixa manutenção necessária.
○ Posicionamento preciso.
○ Torque máximo mesmo quando parado com as bobinas energizadas. ○ Elevado torque de partida e em baixas velocidades.
○ Confiabilidade.
○ Boa resposta à mudança e parada do movimento. ○ Alta repetibilidade.
31 ● Limitações:
○ Baixa eficiência, devido ao consumo de corrente elétrica mesmo com o motor parado.
○ Torque limitado em maior velocidade. ○ Não possui feedback.
2.5 FILTROS CAPACITIVOS
Filtros capacitivos, conhecidos comumente como filtros “passa-baixa”, são aqueles que permitem a passagem de correntes de baixa frequência, atenuando frequências mais elevadas em relação à frequência de corte projetada.
O circuito eletrônico mais simples com este efeito é obtido associando um resistor em série com um capacitor paralelo à carga, como mostrado na Figura 14.
Figura 14 - Circuito de filtro "passa-baixa"
Fonte: Autoria própria.
Deste modo, para frequências mais baixas, o capacitor apresenta alta reatância, visto que atinge valores de tensão, quando mais carregado, próximos aos da fonte, assim atenuando a passagem de corrente em baixa frequência, se tornando um circuito aberto em CC (corrente contínua). Inversamente, em frequências elevadas, o capacitor possui baixa reatância, pois as polaridades da fonte se alteram mais rapidamente do que o capacitor pode ser carregado, permitindo mais facilmente a passagem de corrente dessas frequências, no limite de frequência infinita teórico, seria um curto-circuito.
32 Onde:
● Xc é a impedância do capacitor, em Ohms; ● f do sinal aplicado ao circuito, em Hertz; ● C é a capacitância, em Farad.
A frequência de corte para o projeto foi de cerca de 1,6 kHz, conforme a fórmula da frequência de corte:
𝑓𝑐 =
%&*($(2.2)
Onde:
● fc é a frequência de corte do filtro, em Hertz; ● R é a resistência, em Ohms;
● C é a capacitância, em Farad.
O esquemático de ligação, análogo ao visto anteriormente, está representado na Figura 15 a seguir:
Figura 15 - Esquemático de ligação do filtro “passa-baixa”
33 O intuito do circuito de filtragem é bloquear sinais de interferência provenientes dos diversos motores, da fresa e demais ruídos externos que possam interferir na leitura correta dos fins de curso pelo Arduino. Assim como a ligação em série dos fins de curso normalmente fechados adiciona segurança ao projeto, prevenindo que o rompimento de cabo não seja percebido pelo circuito.
3 PROJETO DA FRESADORA CNC
O projeto da fresadora CNC foi dividido em três partes essenciais: a mecânica, abrangendo questões físicas de movimentação, alinhamento, volume útil e robustez; a elétrica, que envolve alimentação, medidas de segurança, comunicação e sinais; e o software, que é responsável pelo ciclo de produção, do projeto da peça à operação da máquina.
3.1 PROJETO MECÂNICO
A estrutura da máquina é composta por um carro que se desloca sobre duas guias lineares paralelas ao eixo Y, cujo plano formado por elas é perpendicular ao eixo Z; um segundo carro, acoplado ao primeiro por outras duas guias lineares paralelas ao eixo X, cujo plano formado é perpendicular ao eixo Y e um terceiro carro acoplado ao segundo por duas guias lineares e paralelas ao eixo Z, cujo plano formado é perpendicular ao eixo Y, conforme apresentado na Figura 16.
Figura 16 - Modelo 3D do projeto do professor Marlon Nardi Walendorff
34
O acoplamento dos motores é feito de forma distinta entre os eixos. Para o eixo Y, representado na Figura 17, a transmissão é feita por duas correias dentadas paralelas às guias lineares, movidas por dois motores de passo opostos e sincronizados. Já para o eixo X, há apenas uma correia dentada paralela e centralizada entre as guias lineares, como mostra a Figura 18. O eixo Z possui uma transmissão por um fuso trapezoidal paralelo e centralizado entre as guias lineares, conforme a representação na Figura 19. Os eixos X e Z são movidos por um motor cada.
A estrutura da mesa e dos carros do projeto inicial é feita em MDF, escolhido por ser um material barato e de relativa baixa densidade por resistência. As guias lineares são de aço, escolhido pela necessidade de resistir à flexão quando aplicado o peso do carro. As correias dentadas são de borracha, permitindo um fácil ajuste e manutenção.
Figura 17 - Detalhe de guia e transmissão do eixo Y
35
Figura 18 - Detalhe de guia e transmissão do eixo X
Fonte: Autoria própria
Figura 19 - Detalhe de guia e transmissão do eixo Z
Fonte: Autoria própria
3.2 PROJETO ELETRO-ELETRÔNICO
Esta etapa do projeto é dividida em duas partes básicas: elétrica, da qual fazem parte alimentação, botão de emergência e fonte; e eletrônica, onde estão Arduino, fins de curso e motores.
36
3.2.1 Arduino UNO
O Arduino UNO é uma das versões da plataforma eletrônica desenvolvida pela empresa Arduino, que consiste em uma placa eletrônica provida com um microcontrolador, que deixa todas as suas portas lógicas disponíveis de forma que o usuário necessita de apenas um
jumper para acessá-las. A placa também já inclui o circuito de alimentação para o
microcontrolador. A Figura 20, abaixo, mostra a placa:
Figura 20 - Placa do Arduino UNO
Fonte: Retirada do site d26lpennugtm8s.cloudfront.net/stores/320/808/products/arduino-uno-r3-front1-27c99625ebc02f25b415123750742210-640-0.jpg
O Arduino UNO foi uma opção que foi de acordo com nossa proposta original, que visa uma máquina-ferramenta funcional, com precisão, e de baixo custo. Comparado aos controladores utilizados em fresadoras CNC industriais, os CLPs, o Arduino traz um enorme diferencial pelo seu custo na faixa de R$25,00. Além disso, o Arduino possui bibliotecas
OpenSource, o que abrange outra especificação do nosso projeto.
Como a própria empresa declara em seu website:
“Over the years Arduino has been the brain of thousands of projects, from everyday objects to complex scientific instruments. A worldwide community of makers - students, hobbyists, artists, programmers, and professionals - has gathered around this open-source platform, their contributions have added up to an incredible amount of accessible knowledge that can be of great help to novices and experts alike.” (https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction)
3.2.2 Shield CNC v3.0
O Shield CNC v3.0 para o Arduino (Figura 21) é um Shield de acoplamento que, juntamente com os drivers A4988, permitem o controle de até 4 motores de passo (sendo um deles espelhado de um dos outros 3) através do Arduino. Além disso, o Shield deixa
37 disponível terminais para o acoplamento dos fins de curso, relé para ligar e desligar a máquina de corte, assim como o circuito de alimentação dos motores, uma vez que o seu acoplamento ao Arduino impede o acesso às outras portas lógicas.
Figura 21 - Shield CNC v3.0
Fonte: Retirada do site martaduino.com.br/cnc-shield-v3-3d-reprap-cnc-para-arduino
3.3 PROJETO DE SOFTWARE
O Projeto de Software abrange todos os programas utilizados e a integração entre eles. Desde o projeto de uma peça até o comando final do GRBL para os motores. A Figura 22, a seguir, descreve o fluxo de funcionamento geral do projeto.
38
Figura 22 - Sequência de comunicação entre os softwares
Fonte: Autoria própria
O modo de operação dos softwares envolvidos será detalhado no manual, Apêndice B deste trabalho. A seguir serão apresentados os programas de forma breve e conceitual.
3.3.1 GRBL
O GRBL é um controlador de máquinas cartesianas de 3 eixos, XYZ, desenvolvido por Simen Svale Skogsrud e disponibilizado como um projeto open source em 2009. O firmware pode ser instalado em um Arduino Uno e faz a conexão entre o G-Code a ser executado e os atuadores do projeto. O programa foi amplamente difundido na comunidade tecnológica, abrangendo grande parte dos projetos de impressoras 3D, além de máquinas de corte a laser, plasma, máquinas de desenho, furadeiras automáticas e fresadoras CNC.
39 O projeto é apoiado por empresas como a OpenBuilds e a Inventable, que vendem projetos de CNC e utilizam o GRBL em suas máquinas. Há também uma área para realizar uma doação ao projeto que continua em atualização constante e é licenciado, a partir da versão 0.9, por Sungeun K. Jeon Ph.D.
3.3.2 SketchUp
SketchUp é uma ferramenta de modelagem 3D utilizada para o desenvolvimento de projetos de arquitetura, engenharia, design de interiores, filmes e jogos, como exemplificado na Figura 23. A ferramenta conta com uma biblioteca de objetos modelados que podem ser utilizados gratuitamente para o projeto. O programa também permite a instalação de plugins desenvolvidos pela comunidade para integração de outras funcionalidades, um deles é o
SketchUCam, extensão que utilizamos em nosso trabalho para realizar a modelagem dos
cortes e rebaixos a serem feitos na peça e para converter esta modelagem em um G-Code. O SketchUp também foi amplamente utilizado por possuir uma integração com o
Google Earth, permitindo que os modelos 3D desenvolvidos fossem facilmente adicionados
ao banco de modelos da Google.
Figura 23 - Área de trabalho do programa SketchUp Pro 2016
40
3.3.3 SketchUCam
SketchUCam é um plugin aberto para o SketchUp, de fácil instalação que possibilita várias configurações e métodos de corte e, por isso, foi escolhido para o nosso projeto. Com a extensão, é possível determinar o trabalho a ser realizado na peça, desde a definição de caminhos e métodos de corte, até o detalhamento da profundidade das camadas de material retiradas a cada ciclo.
A partir dele é gerado o G-Code, arquivo de extensão “.cnc”, que será enviado para a máquina.
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.
41
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
42
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.
43
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.
45
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.
49
Figura 33 - Exemplo dos resíduos gerados
Fonte: Autoria Própria
Figura 34 - Solução implementada para o problema da serragem
50
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.
52
REFERÊNCIAS
Arduino Introduction; https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction Acesso 02/10/2018
ATHANI, V.V. Stepper motors: fundamentals, applications and design. New Age International; 1997.
BENDER, Willian N. Aprendizagem baseada em projetos: educação diferenciada para o século XXI. Penso Editora, 2015.
CONDIT, Reston; JONES, Douglas W.. Stepping motors fundamentals.
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.
JOY, Mike S.; AXFORD, Tom. H. GCODE: a revised standard for a graph representation for functional programs. (1990).
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.
54
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
55
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.
