UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ
MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO
MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2018
DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ
MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO
MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.
Orientador: Prof. M. Sc. Joel Gonçalves Pereira
CURITIBA 2018
TERMO DE APROVAÇÃO
DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ
MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO
MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 29 de novembro de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. M Sc. Sérgio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
_____________________________ __________________________ Prof. Dr. Valmir de Oliveira Prof. Dr. Luís Alberto Lucas
UTFPR UTFPR
___________________________ Prof. M Sc. Joel Gonçalves Pereira
Orientador - UTFPR
AGRADECIMENTO(S)
Daniel Grefim: à minha esposa, Jaqueline, meu maior tesouro, que não me permitiu fracassar nem desistir. Aos professores pelo conhecimento transmitido. Aos colegas por completarem o que eu não podia fazer.
Renan Tavares da Silva: à Deus por ter me fortalecido e me provido saúde a ponto de superar as dificuldades e alcançar minhas metas, hoje e sempre. Agradeço imensamente a UTFPR e a toda sua direção. Aos professores eu agradeço a orientação incansável, o empenho e a confiança que ajudaram a tornar possível esta realização, com especial atenção ao professor Anderson Levati, pela essencial orientação neste árduo trabalho. À minha família e amigos que nunca desistiram de mim, sempre me ofereceram amor e tiveram paciência e compreensão para me apoiar nos momentos em que não podia estar com eles. Agradeço aos meus colegas pela parceria e cumplicidade nas realizações desta e de outras tarefas ao longo dos anos. A todas as pessoas que de alguma forma fizeram parte do meu percurso e que por ventura eu tenha me esquecido de citar, eu agradeço de todo o meu coração.
Willian Carlos Teixeira da Cruz: à minha família por me prover suporte durante diversas madrugadas em claro trabalhando neste projeto, à minha irmã e ao meu pai, por me apoiar com tudo o que eu não conseguia realizar e ao professor Anderson Levati pelas explicações e orientações sobre o conteúdo abordado nesta monografia.
RESUMO
GREFIM, Daniel; DA SILVA, Renan T.; DA CRUZ, Willian C. T. Máquina de medir por coordenadas utilizando microcontrolador e sistema supervisório. 2018. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
Uma Máquina de Medir por Coordenadas (MMC) consiste em um equipamento sofisticado destinado à medição tridimensional de peças que podem ser bastante complexas ou que exigem um elevado rigor dimensional. A implementação de uma máquina destas em um departamento de controle de qualidade permite a realização de medições com precisão e rapidez impossíveis por meios convencionais. O projeto e construção de uma MMC requer a integração de tecnologias relacionadas a programação, engenharia mecânica, eletrônica e de controle. O projeto desenvolvido resultou na construção de uma MMC com uma satisfatória capacidade de execução de medições, atuando de maneira autônoma e com resolução suficiente para diversas aplicações em metrologia. O desenvolvimento do trabalho envolveu projeto mecânico e contrução da estrutura e mecanismos, projeto eletrônico, fabricação e integração de componentes eletrônicos programação do sistema de controle e programação de um sistema supervisório para interface de operação. O sistema supervisório visa integrar o sistema de controle da MMC, realizado através de um microcontrolador, a um microcomputador, onde o sistema supervisório realiza parte do controle e monitoramento da máquina, assim como sua função principal, que consiste em apresentar os resultados das medições em execução. Esta integração exige a configuração de um protocolo de comunicação que é responsável pela tráfego de dados da máquina. Por meio deste recurso os dados coletados pela máquina podem ser exibidos de forma inteligível em um monitor de computador. O principal controle do equipamento, que diz respeito ao deslocamento do atuador, é realizado manualmente por razões de segurança. A programação do sistema de controle exige não somente a execução do mecanismo de deslocamento da máquina mas também uma lógica que monitore este deslocamento e o apresente em forma de dados ao sistema supervisório. O sistema supervisório processa estes dados e os apresenta como valores de medições na interface desenvolvida para ser mostrada no monitor do computador. Os principais objetivos do trabalho são: implementar a integração do sistema de controle com o sistema supervisório via protocolo de comunicação de rede; e propor a construção de uma máquina capaz de executar medições tridimensionais confiáveis tendo sido construída com relativo baixo custo. Os testes e demonstração dos resultados são partes integrantes do trabalho, bem como a explanação das metodologias aplicadas. Os resultados das medições realizadas após a conclusão da construção da MMC demonstraram a eficiência do equipamento produzido. Embora não tenha a mesma precisão que as MMC desenvolvidas por fabricantes especializados, a máquina mostra-se perfeitamente capaz de ser aplicada a uma grande quantidade de solicitações da indústria.
Palavras chave: Máquina de Medir por Coordenadas. Microcontrolador. Modbus. Sistemas Supervisórios.
ABSTRACT
GREFIM, Daniel; DA SILVA, Renan T.; DA CRUZ, Willian C. T. Máquina de medir por coordenadas utilizando microcontrolador e sistema supervisório. 2018. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.
A Coordinate Measuring Machine (CMM) consists of sophisticated equipment for three-dimensional measurement of parts that can be quite complex or require a high standard of quality. The implementation of such a machine in a quality control department allows the realization of measurements at an accuracy and speed impossible by conventional means. The design and construction of an CMM requires the integration of technologies related to programming, mechanical engineering, electronics and control. The developed project resulted in the construction of an CMM with a satisfactory measurement execution capacity, acting autonomously and with sufficient resolution for several applications in metrology. The development of the work involved mechanical design and construction of the structure and mechanisms, electronic design, manufacturing and integration of electronic components programming of the control system and programming of a supervisory system for operation interface. The supervisory system aims to integrate the control system of the CMM, performed through a microcontroller, into a microcomputer, where the supervisory system performs part of the control and monitoring of the machine, as well as its main function, which is to present the results of the measurements in execution. This integration requires the configuration of a communication protocol that is responsible for the data traffic of the machine. Through this feature the data collected by the machine can be displayed intelligibly on a computer monitor. The main control of the equipment, which concerns the displacement of the actuator, called probe, is performed manually for safety reasons. The programming of the control system requires not only the execution of the displacement mechanism of the machine but also a logic that monitors that displacement and presents it in data form to the supervisory system. The supervisory system processes this data and displays it as measurement values on the interface developed to be displayed on the computer monitor. The main objectives of the work are: to implement the integration of the control system with the supervisory system via network communication protocol; and propose the construction of a machine capable of performing reliable three-dimensional measurements having been constructed with relatively low cost. The tests and demonstration of the results are integral parts of the work, as well as the explanation of the methodologies applied. The results of measurements taken after the completion of the CMM have demonstrated the efficiency of the equipment produced. Although not as accurate as a CMM developed by specialized manufacturers, the machine is perfectly capable of being applied to a large number of applications in the industry.
Keywords: Coordinate Measuring Machine. Microcontroller. Modbus. Supervisory Systems.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Fotografia de uma Sala de Metrologia Industrial ... 21
Figura 2 – Instrumentos Utilizados em Medição Dimensional ... 22
Figura 3 – Principais Formas Construtivas Aplicadas a uma MMC ... 23
Figura 4 – MMC em Ponte Formato L ... 23
Figura 5 – Réguas Lineares Digitais ... 26
Figura 6 – Apalpador Tátil ... 27
Figura 7 – Apalpador por Chave de Contato ... 28
Figura 8 – Ponteira de Apalpador de MMC ... 29
Figura 9 – Conceito Construtivo de um Motor de Passo Bipolar de 200 Passos ... 31
Figura 10 – Motor de Passo Unipolar ... 32
Figura 11 – Motor de Passo Bipolar ... 32
Figura 12 – Acionamento Passo Completo ... 33
Figura 13 – Acionamento Alto Torque ... 34
Figura 14 – Acionamento Meio Passo ... 35
Figura 15 – Gráficos dos Comportamentos das Correntes ... 36
Figura 16 – Módulo de Controle para Motor de Passo Unipolar ... 37
Figura 17 – Módulo de Controle para Motor de Passo Bipolar ... 37
Figura 18 – Placa Arduino Mega 2560 ... 39
Figura 19 – Diagrama Esquemático do Microcontrolador AtMega 2560 ... 41
Figura 20 – Interface da Plataforma Arduino ... 42
Figura 21 – Interface da Plataforma CodeVision AVR ... 43
Figura 22 – Chave Fim de Curso de Duplo Contato ... 44
Figura 23 – Pirâmide de Processos ... 45
Figura 24 – Interface Homem-Máquina de um Sistema de Climatização Predial... 46
Figura 25 – Modelo OSI ... 47
Figura 26 – Framing do Protocolo Modbus ASCII ... 49
Figura 27 – Framing do Protocolo Modbus RTU ... 49
Figura 28 – Modelo Virtual Tridimensional da Mesa Cartesiana ... 53
Figura 29 – Modelo Virtual Tridimensional da Mesa Cartesiana – vista traseira ... 53
Figura 30 – Modelo Virtual da Mesa Montada ... 54
Figura 31 – Modelo Virtual do Carro Transversal ... 55
Figura 32 – Modelo Virtual do Carro Superior ... 56
Figura 33 – Modelo Virtual do Porta Ferramentas ... 56
Figura 34 – Réplica do Motor de Passo e Pinhão Acoplado ... 57
Figura 35 – Estrutura da Mesa Construída ... 58
Figura 36 – Vista Lateral da Estrutura Construída ... 59
Figura 37 – Detalhe do Engrenamento do Conjunto Pinhão Cremalheira ... 59
Figura 38 – Detalhe das Guias do Porta Ferramentas do Carro Superior ... 60
Figura 39 – Modelo Virtual do Apalpador ... 61
Figura 40 – Apalpador da MMC ... 61
Figura 41 – Sistema de Coordenadas da MMC ... 63
Figura 42 – Diagrama de Blocos do Circuito Eletrônico da MMC ... 64
Figura 43 – Módulo para Controle de Motor de Passo DVR 8825 ... 65
Figura 44 – Conversor MAX485 ... 66
Figura 46 – Mostrador LCD 20X4 ... 67
Figura 47 – Teclado de Controle da MMC ... 67
Figura 48 – Projeto da Placa de Circuito Impresso ... 68
Figura 49 – Placa de Circuito Impresso para os Módulos DRV 8825 ... 70
Figura 50 – Módulos de Controle DRV 8825 Acoplados à Placa ... 70
Figura 51 – Instalação Elétrica da MMC ... 72
Figura 52 – Ligações da Placa Arduino ... 72
Figura 53 – Mostrador LCD Conectado à Matriz de Contatos ... 73
Figura 54 – Circuito do Sistema de Controle e Acionamento da MMC ... 74
Figura 55 – Exemplo de Trajetória da MMC ... 76
Figura 56 – Contagem dos Pulsos no Movimento de Toque ... 77
Figura 57 – Valor de Medição Exibido no Mostrador LCD ... 79
Figura 58 – Interface Desenvolvida em Plataforma Elipse SCADA ... 83
Figura 59 – Configuração das Tags Criadas no Elipse SCADA ... 85
Figura 60 – Propriedades do Modbus Serial ... 86
Figura 61 – Tags Criadas e Configuradas no ScadaBR ... 87
Figura 62 – Propriedades do Data Source Meta Medição Coord ... 88
Figura 63 – Propriedades do Data Source Meta Medição XYZ ... 88
Figura 64 – Interface Gráfica Desenvolvida para a MMC ... 89
Figura 65 – Desenho Técnico do Mensurando... 90
Figura 66 – Modelo Virtual da Morsa Montada na MMC ... 91
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Resultados das Medições Executadas pela MMC... 92 Tabela 2 – Resultados das Medições Replicadas pela MMC ... 93
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
A/D Analógico/Digital
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASCII American Standard Code for Information Interchange
BIPM Bureau Internacional de Pesos e Medidas
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
CC Corrente Contínua
CLP Controlador Lógico Programável CNC Comando Numérico Computadorizado CPU Central Unit Process
CRC Cyclical Redundancy Check
DIN Deutsches Institut für Normung
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
FMS Flexible Manufacturing System
GDL Graus de Liberdade
HTML HyperText Markup Language
ICSP In Circuir Serial Programming
ID Identidade
IDE Integrated Development Environment
IHM Interface Homem-Máquina LCD Liquid Crystal Display
LED Light Emitting Diode
LRC Longitudinal Redundancy Check
Ltda. Limitada
MMC Máquina de Medir por Coordenadas NBR Norma Brasileira Regulamentadora NA Normalmente Aberto
NF Normalmente Fechado
OEE Overall Equipment Effectiveness
OSI Open System Interconnection
ppr pulsos por rotação PVC Policloreto de Polivinila PWM Pulse Width Modulation
RAM Random Access Memory
RISC Reduced Instruction Set Computer
ROM Read-Only Memory
RTU Remote Terminal Unit
SAE Society of Automotive Engineers
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SI Sistema Internacional
SRAM Static Random Access Memory
TPM Total Productive Maintenance
TTL Transistor-Transistor Logic
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 TEMA ... 14 1.3 PROBLEMA ... 15 1.4 OBJETIVOS ... 16 1.4.1 Objetivo geral ... 16 1.4.2 Objetivos Específicos ... 16 1.5 JUSTIFICATIVA... 17 1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 19 2.1 SISTEMA DE MEDIÇÃO ... 192.2 MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS ... 22
2.3 MOTORES DE PASSO ... 30
2.3.1 Módulo de Controle para Motor de Passo ... 36
2.4 MICROCONTROLADOR ... 38
2.5 CHAVES FIM DE CURSO ... 43
2.6 SISTEMA SCADA ... 44
2.7 PROTOCOLO MODBUS ... 48
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 51
3.1 PROJETO CONCEITUAL ... 51
3.2 PESQUISA E ESTUDO SOBRE AS TECNOLOGIAS EMPREGADAS ... 51
3.3 MODELAGEM VIRTUAL DA ESTRUTURA ... 52
3.4 CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DA ESTRUTURA ... 58
3.4.1 Projeto e Construção do Apalpador ... 60
3.5 PROJETO ELETRÔNICO ... 62
3.5.1 Seleção dos Componentes do Circuito Eletrônico ... 64
3.5.2 Projeto Eletrônico para Integração dos Componentes ... 67
3.5.3 Fabricação da Placa de Circuito Impresso ... 69
3.6 MONTAGEM DO CIRCUITO ELETRÔNICO ... 71
3.7 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR ... 74
3.8 PROGRAMAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO ... 81
4 MEDIÇÕES E RESULTADOS ... 90
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 94
REFERÊNCIAS ... 95
1 INTRODUÇÃO
A medição de artefatos fabricados é um processo aplicado no controle de qualidade da produção de diversos segmentos da indústria, com o objetivo de garantir os parâmetros dimensionais e funcionais de um produto. O processo de medição é realizado por instrumento ou sistema de medição, que consiste nos dispositivos e métodos aplicados à medição de alguma peça ou conjunto. O sistema de medição é definido como o meio pelo qual as medições são efetuadas (ALBERTASS; SOUZA, 2008). O mensurando, ou objeto a ser medido, pode ser um modelo para a realização de engenharia reversa, um protótipo em desenvolvimento ou uma amostra de um lote em produção.
Dentre os vários meios empregados na indústria existe o sistema de medição tridimensional, realizado por uma Máquina de Medir por Coordenadas (MMC). É um sistema computadorizado que, segundo Albertass e Souza (2008), comporta a grande demanda da indústria e promove alta velocidade e confiabilidade na medição por ser automatizada. É amplamente empregada em medição de peças complexas onde sistemas convencionais seriam insuficientes. Também empregada em mecânica de precisão e em Sistemas Flexíveis de Manufatura (FMS), geralmente associados à robótica e indústria automobilística.
Em tempos passados, as medições eram realizadas de uma forma muito rudimentar, utilizando-se de instrumentos não padronizados e muito pouco precisos. Com a evolução da qualidade dos artefatos manufaturados e o desenvolvimento de conjuntos montáveis foi sendo necessária uma maior acuidade nos processos de medição.
Em 1848 um mecânico francês desenvolveu o precursor do micrômetro, visando favorecer a precisão dos resultados das técnicas de determinação de posição global aplicadas à navegação marítima. Este instrumento foi aprimorado e aplicado à indústria de armamentos que abastecia os exércitos suecos em 1887.
Com a passar do tempo e o surgimento de mecanismos cada vez mais sofisticados, tornou-se mandatório aplicar critérios de fabricação mais rigorosos, de onde se desenvolveram as padronizações e procedimentos a serem respeitados nos processos de fabricação. Com isso desenvolveu-se a determinação das tolerâncias geométricas para garantir a réplica física em um lote de peças produzidas, assim como
garantir a intercambialidade já requerida, a funcionalidade dos conjuntos montados e sua durabilidade.
A metrologia dimensional teve seu impulso com o surgimento e desenvolvimento da indústria automotiva. Iniciada na Alemanha por Karl Benz em 1878, quando construiu o primeiro motor a combustão.
A primeira máquina de medição com o conceito de uma MMC foi desenvolvida por Ferranti Limitada, e associada ao controle numérico por Harry Ogden em 1956. Com esta estratégia foi implementado o elemento chave que tornou possível o desenvolvimento da MMC. A disponibilidade de um sistema de medição digital preciso (HOCKEN; PEREIRA, 2012).
Através da integração de um sistema numérico de posicionamento, o mecanismo de uma MMC até então rudimentar, passou a contar com recursos da eletrônica digital, que proporcionou à máquina uma precisão e confiabilidade até então nunca alcançadas, replicando o funcionamento das máquinas operatrizes que executavam seus processos utilizando as mesmas tecnologias.
Carl Zeiss, na Alemanha, em 1973, lançou a primeira MMC considerada universal, com um apalpador de atuação tridimensional (ZEISS, 2018). Em 1978 lançou o apalpador piezoelétrico, possibilitando maior precisão. Em 1982 introduziu na indústria a primeira MMC especificamente voltada para a medição de engrenagens (HOCKEN; PEREIRA, 2012).
Atualmente existe uma grande demanda por controle de qualidade nos processos de fabricação, tanto em função da flexibilidade como da produtividade das linhas de produção.
Existem hoje no mercado diversas empresas que produzem MMC das mais variadas formas e funcionalidades, que empregam tecnologias bastantes sofisticadas.
Os mecanismos atuais contam com componentes de alta precisão, incluindo tecnologias com sistema de visão e softwares com capacidade de comparar pontos medidos a um modelo CAD (VAS, 2018).
Os principais fabricantes mundiais fornecem equipamentos que executam medições por scanning contínuo, LASER ou medição óptica (MITUTOYO, 2018).
As ferramentas desenvolvidas hoje em dia, tanto em aspectos físicos como de programação, permitem, também, realizar análises de superfície, com habilidade para realizar engenharia reversa em peças planas muito rapidamente (VAS, 2018).
A indústria de artefatos de geometria complexa tem sido cada vez mais ávida por recursos de apoio à engenharia que sejam capazes de auxiliar o desenvolvimento de projetos com maior precisão, exatidão e rapidez. Os programas, máquinas e acessórios desenvolvidos atingem um grande potencial para atender às demandas causadas por essas indústrias.
As principais indústrias que solicitam estes recursos são a de produção automotiva, aeroespacial, medicina, energia e plásticos. São indústrias que, em sua essência, produzem componentes ou conjuntos de geometria bastante complexa (ZEISS, 2018).
O mecanismo de uma MMC atua através de um sistema de deslocamento tridimensional onde medições programadas podem ser executadas em uma ou várias peças simultaneamente, assim como conjuntos montados. Por se tratar de um sistema automatizado pode ser controlado por computador, o que requer a aplicação de um protocolo de comunicação padronizado e de um sistema supervisório para aquisição e processamento de dados.
O sistema de controle do mecanismo de uma MMC pode ser realizado através de módulos de controle de potência que atuam por Comando Numérico Computadorizado (CNC), Controladores Lógicos Programáveis (CLP), ou por microcontroladores. Todos executam seus procedimentos de forma programável, e necessitam de uma interface gráfica que disponibilize informações ao operador relativos ao estado da medição, valores, referenciamento assim como todo e qualquer recurso que se pretenda implementar. O sistema de controle responde aos comandos dados pelo operador através do sistema supervisório ao mesmo tempo em que fornece os dados requeridos pelo programa em execução.
O deslocamento dos eixos do mecanismo é realizado por servomotores ou motores de passo, e compõem o recurso fundamental para o processo de medição de um mensurando. A leitura pode ser feita por realimentação, via encoders ou réguas digitais, ou simplesmente pela contagem de pulsos enviados para o deslocamento de cada eixo em sistema de malha aberta (OGATA, 2010). Essa leitura ou transmissão de informações é enviada para o sistema supervisório que fornece dados legíveis ao operador.
Um sistema supervisório, responsável pelo processamento dos dados, inclui interface ao operador e manipulação dos dados aplicado ao monitoramento de controle de processos em tempo real (BOYER, 2004).
O protocolo de comunicação é o recurso responsável pela transferência de dados entre sistema supervisório e máquina. Caracterizado por um sistema de duas vias, permite os procedimentos de receber dados e enviar comandos, integrando o sistema supervisório com a máquina a ser controlada (BOYER, 2004).
Através da integração fundamental destes recursos é possível desenvolver um sistema de medição tridimensional automatizado que pode realizar medições de peças complexas. Uma MMC tem condições de atender a uma demanda de serviço com rapidez e confiabilidade superiores às conseguidas por sistemas de medições convencionais.
Ao se desenvolver uma MMC de acordo com recursos tecnológicos facilmente disponíveis no mercado cria-se uma proposta para a aplicação de máquinas de medição de baixo custo e com precisão e agilidade satisfatórias para solicitações de peças de menor porte.
1.1 TEMA
A temática do projeto consiste em desenvolver uma Máquina de Medir por Coordenadas capaz de atuar de forma automatizada e programável, tendo como principal escopo implementar a comunicação entre o sistema de controle da máquina e o sistema supervisório utilizado como Interface Homem-Máquina (IHM). O protocolo de comunicação deve ser configurado de modo a permitir a troca de dados entre os sistemas da MMC construída, fazendo com que ela responda adequadamente ao programa embarcado (firmware), bem como executar a leitura e apresentação dos dados de medição que se pretende coletar.
O projeto envolve o desenvolvimento da MMC, abrangendo a estrutura mecânica, transmissão mecânica, cabeamento elétrico, sistema de alimentação elétrica, sistema de posicionamento, programação do microcontrolador, incluindo as configurações do protocolo de comunicação e processamento de dados, programação da IHM via sistema supervisório e projeto e montagem do sistema de deslocamento.
1.2 PROBLEMA
Todos os sistemas envolvidos no projeto da MMC são objeto de diversas aplicações na indústria. As atividades relativas à construção do mecanismo, programação do microcontrolador no que se refere à operação da MMC, programação do sistema supervisório e implementação eletrônica, são corriqueiras de qualquer projeto envolvendo sistemas automatizados.
O problema está na integração entre o sistema supervisório SCADA e o microcontrolador empregado no projeto.
O Modbus é um protocolo de comunicação serial comumente utilizado em sistemas automatizados e que atende às necessidades do projeto a ser desenvolvido. Contudo, devido às limitações referentes a memória e fluxo de dados com o microcontrolador Arduíno em relação ao SCADA, o desafio para tornar a aplicação satisfatória para requisitos similares aos que encontramos na indústria se mostra deveras importante.
Gonçalves, Silva e Batista (2015) desenvolveram um projeto semelhante, utilizando-se de bibliotecas predefinidas e plataforma de programação do microcontrolador, própria do fabricante. Foi desenvolvido um protótipo de um selecionador de esferas, aplicando os mesmos recursos pretendidos no projeto sob desenvolvimento.
A programação de uma lógica que execute, além do deslocamento do atuador da máquina, a leitura deste deslocamento em sistema de malha aberta é o principal desafio a ser transposto no desenvolvimento do projeto, sobretudo pelo fato de disponibilizar os dados em uma interface gráfica programada através de um sistema supervisório
É preciso desenvolver uma estratégia lógica que interprete o deslocamento e o converta em uma unidade de medida inteligível, como o sistema métrico, para que a máquina consolide uma aplicação prática.
As MMC são máquinas com alto padrão de exatidão, justamente por serem aplicadas a medições tridimensionais automatizadas. Possuem um alto custo para aquisição, por isso a proposta de projeto da MMC visa demonstrar a possibilidade de se construir uma máquina eficiente o bastante para medições corriqueiras e que agrega um custo muito baixo em relação a um equipamento comercial.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Projetar e construir uma MMC tridimensional dotada de interface SCADA, que pode realizar medições de peças complexas, visando atender a demanda de pequenas empresas.
1.3.2 Objetivos Específicos
Projetar e construir a estrutura mecânica, o sistema de transmissão, fixações e guias necessárias para implementar um sistema de deslocamento tridimensional.
Projetar e construir os circuitos eletrônicos dos acionamentos, controle e apresentação dos dados via mostrador digital
Desenvolver o apalpador para atuar como efetuador das medições.
Desenvolver a programação (firmware) do microcontrolador, para controle de todos os processos e configuração do protocolo de comunicação, utilizando linguagem C.
Estabelecer a comunicação entre microcontrolador Arduino Mega 2560 e o sistema SCADA, empregado como sistema supervisório, através do protocolo Modbus, para supervisão, controle e processamento de dados do sistema de medição.
Elaborar a programação dos scripts e configuração das tags do sistema supervisório para definir a IHM apresentada no monitor de um microcomputador.
Criar uma interface para monitoramento e controle da MMC, contendo visualização de valores, comparações e ferramentas para controlar configurações e processo de medição.
Executar medições e validar a eficiência da máquina desenvolvida. Inclui desenvolver e fabricar uma peça padrão, designada como mensurando, que será aplicada às medições experimentais realizadas pela MMC.
1.4 JUSTIFICATIVA
A Máquina de Medir por Coordenadas a ser desenvolvida consiste em uma aplicação para o sistema de comunicação que se pretende configurar, utilizando-se do protocolo Modbus para a integração entre microcontrolador e sistema supervisório. A proposta visa mostrar a possibilidade de se construir uma MMC utilizando componentes facilmente disponíveis no mercado, desenvolvendo um equipamento que executa medições com eficiência, embora seja uma máquina construída com baixo custo.
Pretende-se promover a integração de tecnologias relacionadas a engenharia mecânica e eletrônica para produzir uma máquina automatizada que processa e apresenta dados relativos às medições de artefatos usinados.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Com o escopo do projeto já definido, foi discutido o projeto conceitual da MMC, definindo sistemas e mecanismos que o integraram, como os conceitos da estrutura mecânica, sistema de acionamento e transmissão mecânica, apalpador, fonte de alimentação, circuitos eletrônicos e sistema de controle.
Realizou-se uma revisão bibliográfica buscando esclarecer todos os conceitos e tecnologias envolvidos no projeto, bem como verificar o desenvolvimento de trabalhos similares.
Utilizando o software SolidWorks 2013, a estrutura mecânica foi projetada, desenvolvendo-se os modelos virtuais tridimensionais de todos os componentes, assim como a simulação da montagem.
Concluído o projeto mecânico, procedeu-se à fabricação dos componentes e à montagem do mecanismo. A MMC contém três eixos de deslocamento linear, sendo definido como X para deslocamento latitudinal, Y para deslocamento longitudinal e Z para deslocamento altitudinal. Foi, portanto, definido como um mecanismo de deslocamento linear tridimensional desenvolvido para integrar microcontrolador e sistema SCADA. Para o pórtico estrutural, foram utilizados perfis de alumínio e chapas de nylon, aliando maior rigidez em uma estrutura leve.
Os circuitos eletrônicos dos acionamentos, controle e fonte de alimentação foram implementados de acordo com os requisitos de potência do mecanismo de deslocamento. A alimentação elétrica que foi definida provém de fonte de 12 V da ordem de 2 A. Os sistemas de controle, posicionamento e módulos de controle para motores de passo também são especificados conforme requisitos de potência, selecionados dentre os componentes disponíveis comercialmente.
O apalpador eletrônico que atua como efetuador das medições é fabricado de material metálico para executar um impulso de contato por curto-circuito. Consiste de uma estrutura rígida com ponta, que faz contato com o mensurando, realizando a queda de tensão de uma porta de entrada do microcontrolador que está sendo monitorada. Esta queda de tensão é resultante do desvio de corrente que ocorre na peça sob medição, que também é metálica e encontra-se aterrada.
A programação do microcontrolador foi desenvolvida através da plataforma CodeVision AVR, utilizando linguagem C. O algoritmo contém a lógica de funcionamento da MMC e os parâmetros para registros das medições, comparações e as configurações necessárias para possibilitar a comunicação entre o microcontrolador e o SCADA, via biblioteca incluída no algoritmo.
A comunicação foi estabelecida, especificamente, entre microcontrolador Arduino Mega 2560 e o software ScadaBR, através do protocolo Modbus serial, para supervisão, controle e processamento de dados do sistema de medição. Definiu-se o sistema supervisório como mestre da rede Modbus.
Depois de terminadas as etapas de construção, programação e comunicação, foi criada uma interface para monitoramento e controle da MMC. Essa interface está contida no software ScadaBR e permite a visualização de valores, comparações e ferramentas para controlar configurações e processo de medição.
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A fundamentação teórica trata de uma breve exposição dos conceitos relativos às tecnologias aplicadas à da Máquina de Medir por Coordenadas (MMC).
2.1 SISTEMA DE MEDIÇÃO
Sistema de medição consiste no meio pelo qual as medições são efetuadas, ou seja, remete aos dispositivos utilizados em um processo de medição (ALBERTASS; SOUZA, 2008).
Medição é o processo de determinar experimentalmente um valor de magnitude numérica para uma característica que possa ser atribuída a um objeto ou evento, no contexto de um quadro ou referência que permita fazer comparações com outros objetos ou eventos, determinados como padrão. É definido no Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM) como a obtenção experimental de um ou mais valores de quantidade que podem ser razoavelmente atribuídos para uma quantidade (VIM, 2012).
Os diferentes recursos empregados para a medição de uma determinada grandeza compõem o que é definido como Sistema de Medição. O conceito abrange o ambiente, ferramentas, métodos e mecanismos que estejam à disposição para a medição de alguma grandeza.
Não são somente grandezas relacionadas a tamanhos de objetos ou distâncias que podem ser medidas, mas qualquer grandeza física que possa apresentar um comparativo ou que possa ser representada em uma escala quantitativa, como por exemplo, pressão, vazão, temperatura, tempo, velocidade.
O processo de medição é definido como o conjunto de métodos e meios aplicados a uma medição (ALBERTASS; SOUZA, 2008). São, portanto, os componentes integrantes de um sistema de medição.
O método de medição remete à descrição genérica de uma organização lógica de operações usadas em uma medição (VIM, 2012). Consistem no modo de execução da medição de distintos tipos de grandezas, respeitando critérios e normas definidas
para garantir sua confiabilidade. Dentre estes critérios, os de maior relevância são: precisão de medição e resolução.
A precisão de medição é a proximidade do acordo entre indicações ou valores medidos obtidos por replicar medições em objetos iguais ou semelhantes sob condições especificadas (VIM, 2012). Significa que entre medidas iguais tomadas de mensurandos diferentes existe uma maior ou menor semelhança de valores obtidos, cuja discrepância pode ser resultado de diversos fatores que podem influenciar na réplica de uma medição, incluindo erros.
A resolução consite na menor mudança em uma quantidade a ser medida que provoca uma alteração perceptível na correspondente indicação (VIM, 2012). A menor divisão de unidade corresponde à menor variação de quantidade capaz de ser medida pelo sistema em questão. Os procedimentos de medição devem, por razões de confiabilidade, seguir critérios bem definidos a fim de obter resultados absolutamente verossímeis. Em processos de ensaios e calibração, os procedimentos exigem, inclusive, obediência a normas desenvolvidas para esse fim.
Conforme descrito por Albertass e Souza (2008), os métodos usuais de medição são por comparação, indicação e diferencial. O método de comparação é feito por comparação direta com uma grandeza de mesma natureza com valor conhecido, como a medição com uma fita métrica, por exemplo. O método de indicação, também conhecida como medição direta, é feito pela leitura de uma escala graduada referente a uma grandeza a ser medida, como exemplo o valor de uma pressão indicada pelo ponteiro de um manômetro, apontando para um valor de uma escala aferida. O método diferencial consiste no valor da diferença encontrada entre um mensurando e uma medida padrão, que pode ser um bloco, régua, esfera, gabarito, ou referências semelhantes.
Metrologia é definida como a ciência da medição e suas aplicações (VIM, 2012). Diz respeito a toda e qualquer atividade relacionada a quantificação de valores, que podem ser obtidos por comparação com valores predefinidos ou por instrumentos escalares. Também trata da padronização dos sistemas de medição e da calibração de instrumentos.
A Figura 1 apresenta a fotografia de uma sala de metrologia industrial aplicada à medição dimensional. Contém uma MMC computadorizada empregada no controle de qualidade de lotes de produto e na assistência ao departamento de projetos. O
ambiente climatizado e os equipamentos presentes na sala configuram um sistema de medição.
Figura 1 – Fotografia de uma Sala de Metrologia Industrial Fonte: Techpol ( 2018).
Ainda na Figura 1 pode-se notar os controles em forma de joystick que são utilizados para o controle do deslocamento da ferramenta no processo de medição executado em modo manual. Embora o microcomputador seja responsável pela supervisão do processo de medição sendo realizado pela MMC, o controle de movimentação do equipamento é manual.
Juntamente com a MMC estão dispostos na sala os instrumentos de medição manual, calibradores e padrões. Todo o conjunto dos recursos presentes em uma sala como esta configuram um sistema de medição, assim como um simples paquímetro e seu operador.
A Figura 2 mostra uma série de instrumentos utilizados em medição dimensional. Entre alguns dos que estão expostos constam: paquímetros, micrômetros, altímetros, calibradores, relógios comparadores, entre outros acessórios. Estes instrumentos também configuram um sistema de medição.
Figura 2 – Instrumentos Utilizados em Medição Dimensional Fonte: Imperium Instrumentação (2018).
2.2 MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS (MMC)
A Máquina de Medir por Coordenadas é um instrumento ou sistema de medição automatizado.
Segundo Albertass e Souza (2008), a grande demanda da indústria atual requer mecanismos ágeis de medição, que promovam a flexibilidade suficiente para suprir suas linhas produtivas, estando atentos não só à quantidade como também à qualidade dos produtos fabricados, mantendo altos os níveis de produtividade. A MMC aplicada a um sistema de medição industrial também favorece as etapas de projeto e engenharia reversa, quando empregados.
Essa grande demanda da indústria é atendida por sistemas conectados a um computador, porque a medição fornece maior velocidade e confiabilidade quando é automatizada (ALBERTASS; SOUZA, 2008). Da mesma maneira que em trabalhos executados por robôs, uma MMC consegue uma boa repetibilidade nos processos em execução.
A MMC é dotada de um sistema de deslocamento tridimensional que pode ser montada de diversas formas construtivas, como ponte móvel, ponte fixa, cantilever,
braço horizontal, pórtico (HOCKEN; PEREIRA, 2012). A Figura 3 apresenta as principais formas construtivas que podem ser aplicadas à uma MMC.
Figura 3 – Principais Formas Construtivas Aplicadas a uma MMC Fonte: Adaptado de Hocken e Pereira (2012).
Hocken e Pereira (2012) ainda citam outras formas específicas, como pórticos adaptados e braços robóticos. Estes geralmente aplicados a finalidades bem específicas e com uma demanda de complexidade muito maior, assim como capacidade dimensional e flexibilidade.
A Figura 4 mostra uma forma construtiva baseada no modo pórtico, mas que apresenta fixação por colunas, assumindo um formato de ponte rolante. Este é designado como Ponte em Formato L.
Figura 4 – MMC em Ponte Formato L Fonte: Hocken e Pereira (2012).
A estrutura da MMC deve ser rígida, construída com materiais favoráveis à rigidez necessária, pois flexões ou qualquer tipo de deformação produzirá erros na medição. Pela mesma razão deve ser minimizado o seu peso próprio, assim como possuir baixo coeficiente de expansão térmica e alta condutividade térmica para favorecer a dispersão de calor. Um alto índice de amortecimento também é recomendável, visando eliminar danos causados por impactos ou vibrações capazes de produzir variações nas medições a curto ou a longo prazo (HOCKEN; PEREIRA, 2012).
A MMC precisa ter um mecanismo de deslocamento tridimensional que também seja rígido, livre da possibilidade de deformação por esforço mecânico e por variação de temperatura (BEER; JOHNSTON; DEWOLF, 2010). Este deslocamento pode ser realizado por transmissão direta utilizando pinhão e cremalheira ou correias sincronizadas. Outra forma de deslocamento mais sofisticado é realizada por meio de fuso de esferas recirculantes, que proporciona maior precisão e estabilidade à movimentação da máquina. Entretanto uma significativa limitação com o uso do fuso de esferas é a sua incapacidade de desacoplar facilmente para operação manual. Outro modo de deslocamento menos comum emprega rodas de fricção. (HOCKEN; PEREIRA, 2012).
A cinemática do mecanismo é definida pelo número de graus de liberdade (GDL) que ele possui. Norton (2010) define o GDL como o número de parâmetros independentes (medidas) necessários para definir uma única posição no espaço. Para se definir um ponto dentro de um espaço em três dimensões, o que é objeto de uma MMC tridimensional, é exigida a definição das coordenadas dos três eixos correspondentes, comumente designados como X, Y e Z. Isso classifica o sistema ao GDL de número 3, ou seja, é dito que o sistema possui 3 graus de liberdade.
Para isso o mecanismo depende de um sistema de coordenadas. Este sistema determina um ponto de origem e a orientação ortogonal dos três eixos que determinam um espaço tridimensional a partir do qual uma medição pode ser realizada.
O processo de medir através de um sistema de medição disposto de uma MMC consiste em determinar as coordenadas dos pontos de um corpo (objeto) ou espaço com suas relações algébricas, associados à uma unidade de medida. Este conceito abrange todas as relações dimensionais de um mensurando relacionados às distâncias e aos ângulos. Contudo os ângulos não podem ser medidos diretamente
em uma MMC, mas podem ser determinados trigonometricamente a partir dos pontos de referência definidos na medição. A análise é feita considerando um plano cartesiano tomando, portanto, duas dimensões na disposição espacial. Assim a posição de um ponto pode ser definida por meio de um vetor de posição que parte do ponto de origem do sistema de coordenadas. Planos ortogonais, por sua vez, determinam uma posição no espaço tridimensional, em relação à origem (NORTON, 2010).
Norton (2010) ainda explica que os eixos de referência possuem orientação arbitrária, e a partir deles podem ser determinados os pontos de interesse em um espaço de medição nele contido. O vetor de posição pode ser representado na forma cartesiana ou polar. A forma cartesiana fornece os componentes ortogonais do vetor, X e Y, Y e Z ou X e Z. A forma polar fornece o módulo e o ângulo do vetor no plano correspondente.
A conversão de uma forma à outra pode ser feita trigonometricamente, da mesma maneira que a definição dos valores obtidos para a análise de uma medição. A forma polar possui três ângulos associados ao módulo de um vetor, correspondentes aos respectivos eixos ortogonais do sistema de coordenadas a que um sistema de medição está inserido.
Para a execução de um processo de medição uma MMC depende de um mecanismo que permita o deslocamento do dispositivo de leitura das medidas, o atuador, seja ele de qualquer tipo. Norton (2010) explica o conceito de deslocamento através de rotação pura e translação pura. A rotação pura é um deslocamento que possui um ponto central de um corpo que não apresenta movimento enquanto os outros descrevem um arco em torno dele, podendo ser realizado ordenado a apenas um eixo do sistema de coordenadas, dois ou todos os três, simultaneamente. Estes deslocamentos são conhecidos como rolamento, guinada e arfagem. A translação pura é o deslocamento em que todos os pontos de um corpo descrevem um movimento paralelo, que pode ser retilíneo ou curvo. Quando ocorre a combinação dos dois deslocamentos caracteriza-se o deslocamento complexo.
A base de fixação do mensurando na MMC é feita sobre uma mesa rigorosamente plana e nivelada chamada mesa de desempeno, geralmente constituída de granito em uma moldura que impede deformação, para garantir o comportamento do corpo rígido da superfície de referência (HOCKEN; PEREIRA,
2012). Esta mesa é apoiada sobre coxins e amortecedores que visam eliminar vibrações oriundas do piso em que o equipamento está alocado.
Para que um mecanismo de deslocamento tenha efeito em um sistema de medição este precisa ter um meio de registrar e analisar as distâncias do movimento realizado no processo de medir. Isto é feito por uma leitura que processa uma unidade de deslocamento em razão a uma unidade de medida determinada para o sistema em questão, ou seja, uma determinada distância de avanço do mecanismo no espaço em medição é processada e traduzida para uma unidade em uma escala definida, que torna mensurável o referido deslocamento para a sua finalidade.
A leitura do deslocamento pode ser realizada através de instrumentos de medição de deslocamento, como encoders ou réguas lineares digitais (OGATA, 2010). A Figura 5 mostra a foto de réguas lineares digitais. Este equipamento atua de modo a informar a um sistema de controle a distância percorrida por um mecanismo de deslocamento linear.
Figura 5 – Réguas Lineares Digitais Fonte: Logismarket (2018).
O encoder, por sua vez, monitora a rotação de um eixo a ele acoplado. O deslocamento linear relacionado à transmissão acoplada ao motor é processado pelos sinais fornecidos pelo encoder, tratando esses dados com a devida conversão visto que o motor possui deslocamento rotativo. Ambos, régua digital e encoder, são designados por Hocken e Pereira (2012) como transdutores de deslocamento.
Outro item fundamental da MMC é o sensor de medição. Ele pode ser tátil ou ótico, efetuando as medições com ou sem contato, respectivamente. De acordo com sua forma, atua de maneira contínua ou discreta (HOCKEN; PEREIRA, 2012). O sensor tátil consiste de uma ponta de contato, que pode ser singular ou de múltiplos contatos. Pode ser acionada eletricamente, mecanicamente ou pneumaticamente, além de outras formas mais incomuns (ALBERTASS; SOUZA, 2008).
A Figura 6 mostra um apalpador tátil com uma ponteira simples acoplada.
Figura 6 – Apalpador Tátil Fonte: Renishaw (2018).
Arenhart (2007) apresenta os conceitos construtivos dominantes de apalpadores táteis (ou por toque), diferenciando os comutadores e os medidores. Os comutadores funcionam através de chaves de contato ou por cristais piezelétricos, acionados quando a ponta do sensor toca o mensurando. Quando se trata de cristais piezelétricos o sinal de contato ocorre pela diferença de potencial elétrica (tensão) gerada pelo cristal quando submetido à uma compressão mecânica.
Silva et al. (2014) explicam o funcionamento dos comutadores por chaves de contato. Consiste em três pinos cilíndricos dispostos no entorno do halo da haste do
apalpador que está apoiado em esferas. Quando a ponta da haste promove o deslocamento do conjunto, um dos pinos abrirá o contato com as esferas, fazendo com que a corrente conduzida por ele seja interrompida, assim o sensor detecta que ocorreu o toque com a superfície do mensurando.
A Figura 7 ilustra o funcionamento do comutador de um apalpador por chave de contato.
Figura 7 – Apalpador por Chave de Contato Fonte: Silva et al., 2014 (adaptado).
Segundo Arenhart (2007) o apalpador deve conter uma haste rígida que previna a deflexão em função da força de contato. Explica também a necessidade de se conhecer e considerar o deslocamento sobressalente que ocorre entre o momento do toque e o processamento do sinal pelo sistema de controle que registra a coordenada e comanda a parada ou o retorno do apalpador. Além disso menciona considerar o raio de atuação da ponta do contato do apalpador ao configurar o processamento da coordenada.
O contato da esfera da ponteira deve ser o mais normal possível em relação à superfície sendo avaliada para evitar ou minimizar o erro causado pela variação do valor de raio compensado na ponteira do apalpador (ARENHART, 2007).
As pontas de contato são constituídas de esferas de rubi, aço temperado ou metal duro (VAS, 2017). Os referidos materiais têm por finalidade a dureza e respectiva resistência a compressão e deformação, assim como ao desgaste.
A Figura 8 apresenta uma ponteira de cinco pontas com esferas de rubis. Esta configuração favorece a solicitação de contato normal à superfície do mensurando.
Figura 8 – Ponteira de Apalpador de MMC Fonte: Apisensor (2018).
Albertass e Souza (2008) explicam que uma unidade de tratamento de sinais é responsável pela amplificação, filtragem, processamento e integração dos sinais para que torne possível a comunicação entre os dispositivos de controle e o de supervisão, onde estão os mostradores e registradores. Neste tratamento são empregados decodificadores para a transmissão de dados e controle do sistema de acionamento.
Atualmente o desenvolvimento das tecnologias, especialmente na área de computação, permite o emprego de uma gama muito grande de recursos para otimizar o desempenho das MMC. Existem programas desenvolvidos para o controle e processamento de dados obtidos nos processos de medição dos equipamentos tridimensionais. São também a interface para o operador.
Outros sistemas utilizam tecnologia de visão de máquina para realizar medições tridimensionais sem contato. Equipamentos eletrônicos de captura de imagem são empregados para uma medição precisa e rápida de peças complexas, podendo operar em 2D ou em 3D. Podem ainda ser integrados com sistemas CAD e CAM, aplicados a comparações de medidas de um modelo virtual com uma peça real (VAS, 2017).
2.3 MOTORES DE PASSO
Motores de passo são máquinas elétricas constituídas de estatores bobinados e um rotor composto por ímãs permanentes ou de relutância variável acoplados a um eixo (ALCIATORE; HISTAND, 2014). Funcionam baseados nos princípios do eletromagnetismo, pela atuação de forças sobre polos magnéticos norte e sul. Sua função é transformar energia elétrica em energia mecânica.
O rotor consiste de um cilindro com saliências, que dispensa enrolamentos bobinados, como ocorre em outros tipos de motores por indução, como os motores CC (Corrente Contínua) paralelo e shunt, por exemplo. O acionamento é realizado pela tendência do rotor a se alinhar com a onda de fluxo produzida pelo estator (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006).
Alciatore e Histand (2014) explicam que esses motores se movem por incrementos angulares precisos, em ambos os sentidos, controlados por circuitos digitais conhecidos como módulos de controle de motores de passo. Estes processam comutações nos enrolamentos do estator.
Os módulos de controle recebem pulsos gerados por um sistema de controle que, em função da quantidade e frequência solicitados, definem ângulo, velocidade e sentido da rotação do motor. As comutações são realizadas de maneira ordenada em relação à disposição dos enrolamentos bobinados presentes no estator do motor de passo.
Esse princípio de funcionamento está relacionado ao número de saliências no rotor e no estator de um motor de passo, o que determina a resolução angular. O alinhamento das saliências do estator e rotor tendem à posição de menor relutância magnética, buscando um fluxo ordenado para definir sua posição de equilíbrio (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006).
Os motores que são constituídos de rotores com ímãs permanentes, mesmo não estando energizados, apresentam um torque estático, isto é, quando parado o motor possui uma força de retenção, podendo atuar como freio.
Os enrolamentos bobinados caracterizam os polos e o rotor magnético é o elemento responsável pela geração de torque e movimento do motor, a uma determinada força chamada de conjugado.
A Figura 9 mostra o conceito construtivo de um motor de passo de duzentos passos.
Figura 9 – Conceito Construtivo de um Motor de Passo Bipolar de 200 Passos Fonte: Multilógica Shop (2017).
Os motores de passo constituídos por ímãs permanentes podem ser unipolares ou bipolares. O motor unipolar possui dois enrolamentos por fase sendo um para cada sentido. O motor bipolar tem um único enrolamento por fase, assim a corrente precisa ser invertida a fim de inverter um polo magnético (BRITES; SANTOS, 2008).
Segundo Alciatore e Histand (2014), motores de passo podem ser alimentados por duas fontes ou uma fonte de polaridade comutável, sempre em corrente contínua. Por possuírem seu movimento controlado por pulsos que podem ser programados em um método de contagem, dispensam realimentação, podendo operar em sistema de malha aberta.
A polaridade do rotor é definida em função do ímã permanente nele presente. A polaridade do estator é gerada em função da corrente que alimenta a bobina, pois é uma magnetização induzida. Existem várias formas de ligação para os motores de passo, que correspondem a maior ou menor torque, maior ou menor potência. Os motores unipolares possuem polarização de corrente elétrica em um único sentido para cada enrolamento da bobina, sendo necessárias fontes diferenciadas para realizar a inversão. O motor bipolar possui sentido bidirecional de corrente que proporciona maior torque por haver fluxo de corrente pela extensão completa da bobina, enquanto no motor unipolar apenas o sentido em regime de trabalho apresenta fluxo, partindo da derivação central da bobina (MICROCHIP, 2004).
A Figura 10 mostra a configuração esquemática das bobinas de um motor de passo unipolar. O fluxo partindo da fonte 1 em direção ao terminal a induz a
magnetização de apenas parte da bobina, criando apenas um polo. A alteração do fluxo para o terminal b causa a inversão da polaridade do eletroímã induzido na bobina. Entretanto o sentido da corrente na fonte permanece o mesmo.
Figura 10 – Motor de Passo Unipolar Fonte: Electronica-pt (2018).
A Figura 11 mostra a configuração esquemática das bobinas de um motor de passo bipolar. O fluxo partindo da fonte 1b em direção ao terminal 1a cria ambos os polos no estator. A inversão da polaridade somente pode ocorrer com a inversão do fluxo de corrente na fonte.
Figura 11 – Motor de Passo Bipolar Fonte: Electronica-pt (2018).
Pelo princípio da atração entre polos opostos o rotor tende a alinhar seus polos aos opostos correspondentes induzidos no estator. Um circuito de controle de corrente é necessário para induzir a geração dos polos de modo que o motor produza o movimento desejado
Os circuitos de controle são montados de maneira a gerar os polos induzidos no estator para produzir o movimento ou posicionamento solicitado no rotor. O polo do rotor, seja ele norte ou sul, é atraído pelo seu oposto induzido no estator, assumindo uma posição definida. Mesmo sem corrente o motor possui um torque em
regime parado em função do campo magnético do ímã permanente do rotor. Quando a bobina do estator é energizada o polo gerado promove a atração magnética e o motor atua em regime de freio ou trava. As comutações das bobinas reposicionam o rotor de forma que produz movimento e torque. Alciatore e Histand (2014) explicam que as ligações dos motores de passo são definidas pelos fabricantes por cores para diferenciar as ligações das bobinas. Assim é possível estabelecer o método de controle.
A Figura 12 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor de passo em um modo de acionamento chamado passo completo, onde uma bobina é polarizada de cada vez, ocasionando um passo integral ao rotor.
Figura 12 – Acionamento Passo Completo Fonte: Unesp (2018).
A Figura 13 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor de passo em modo de acionamento chamado passo alto torque, onde duas bobinas
são polarizadas de cada vez, ocasionando um passo integral de alto torque ao rotor, em função da atração magnética maior.
Figura 13 – Acionamento Alto Torque Fonte: Unesp (2018).
O método de acionamento mais comum é o acionamento meio passo. Com este método a resolução dos passos executados pelo motor é maior, proporcionando a realização de movimentos mais definidos e o posicionamento de parada mais preciso.
As bobinas são polarizadas de maneira alternada entre passo pleno e alto torque, ocasionando um passo intermediário ao rotor. Com isso se duplica a quantidade de posições que o rotor pode assumir, ou seja, o número de passos.
Em todos estes acionamentos a indução magnética é realizada por corrente integral fornecida pelos módulos de controle de motores de passo, executando ele somente as comutações necessárias à movimentação do motor.
A Figura 14 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor de passo em modo de acionamento chamado meio passo.
Figura 14 – Acionamento Meio Passo Fonte: Unesp (2018).
O modo de acionamento mais preciso é realizado por meio de micropassos. O controle do avanço da rotação do motor ocorre através da transferência gradual de corrente de uma bobina para outra (MICROCHIP, 2004). Essa transferência de corrente gera uma corrente média que caracterizaria o modo halfdrive, contudo o módulo responsável pelo controle do acionamento do motor regula a corrente em cada par de bobinas adjacentes de forma que o rotor assume múltiplas posições, ou passos, de acordo com a intensidade de fluxo magnético gerado em cada combinação.
A Figura 15 apresenta gráficos representando o comportamento das correntes nas bobinas do motor de passo em modos fulldrive, halfdrive e micropasso, respectivamente.
Figura 15 – Gráficos dos Comportamentos das Correntes Fonte: Fernandok (2018).
As bobinas adjacentes geram uma combinação de campos magnéticos que possibilitam diversas posições angulares do rotor em função da relutância magnética. A quantidade de posições é proporcional à quantidade de níveis de intensidade de correntes que o módulo de controle consegue produzir.
2.3.1 Módulo de Controle para Motor de Passo
O acionamento do motor de passo é executado por um circuito de processamento de sinal chamado Módulo de Controle. Este dispositivo é responsável pelo controle do chaveamento das correntes que alimentam as bobinas do estator de
um motor de passo. Esse chaveamento determina o sentido e a intensidade de corrente por meio de circuitos digitais (AKIYAMA, 2009).
Os módulos de controle operam de diversas maneiras, conforme o tipo de motor, assumindo um circuito apropriado para cada aplicação. A Figura 16 mostra a configuração de um módulo para acionamento unipolar, aplicados em motores de passo unipolares.
Figura 16 – Módulo de Controle para Motor de Passo Unipolar Fonte: Akiyama (2009).
Esta configuração realiza a passagem de corrente pela metade das bobinas do motor a cada pulso elétrico nas chaves C1 e C2. Desta forma o sentido da corrente é constante. A corrente altera sentido quando as chaves opostas comutam, invertendo o sentido do fluxo magnético e, consequentemente, a rotação do motor visto que os polos são invertidos também (AKIYAMA, 2009).
O módulo de acionamento bipolar comuta um conjunto de quatro chaves em uma configuração conhecida como Ponte H. Esta configuração possibilita a passagem de corrente por toda a bobina do motor, produzindo maior torque. A corrente inverte o sentido a cada comutação nas chaves C1, C4 e C2, C3, alternadamente (AKIYAMA, 2009).
A Figura 17 mostra a configuração de um módulo para acionamento bipolar, aplicados em motores de passo bipolares.
Figura 17 – Módulo de Controle para Motor de Passo Bipolar Fonte: Akiyama (2009).
O sinal de passo é digital do tipo trem de pulsos, que deverá ter amplitude e frequência limitadas conforme modelo do módulo de controle. Conforme se varia a frequência do trem de pulsos a velocidade de rotação do motor de passo é alterada (AKIYAMA, 2009).
A maioria dos módulos de controle de motores de passo possuem uma terceira entrada de habilitação digital onde um sinal de nível baixo faz a interrupção imediata do movimento, que pode ser usada como parada de emergência ou entrada para uma chave fim de curso (AKIYAMA, 2009).
A disposição das bobinas em um motor de passo configura duas fases, por onde circulam as correntes em sentidos opostos e que, portanto, geram os polos opostos. Essas fases são geralmente designadas como A e B. Os terminais dos enrolamentos destas bobinas são designados como A-A’ e B-B’, respectivamente. Outras derivações são possíveis de acordo com o tipo de ligação adotado. Podem ser derivações em aberto ou, como os terminais C. Os motores de passo possuem arquiteturas construtivas que apresentam 4, 6 ou 8 terminais de ligação. De acordo com esta arquitetura é possível fazer a ligação dos motores em modo unipolar, série ou paralelo (AKIYAMA, 2009).
Uma conexão série promove um alto valor de indutância e com isto um melhor torque em baixas velocidades, ao passo que uma conexão paralela produzirá um perceptível aumento do torque em velocidades maiores (AKIYAMA, 2009).
2.4 MICROCONTROLADOR
Um microcontrolador corresponde a um microprocessador e seus periféricos típicos, todos juntos em um único chip. Um microcomputador processa dados a partir de um microprocessador com o auxílio de outros circuitos como memórias, timers e controladores. Um microcontrolador possui integrados estes recursos em um único circuito.
Segundo Alciatore e Histand (2014), microcontrolador é um circuito integrado simples, contendo circuitos especialistas e funções aplicadas no desenvolvimento de sistemas mecatrônicos. É dotado de um núcleo processador, onde se processam cálculos lógicos e aritméticos, gerenciam-se memória e periféricos de entrada e saída programáveis.
Fundamentalmente se trata de um componente eletrônico programável capaz de executar programas desenvolvidos para controle de uma infinidade de propósitos. Alciatore e Histand (2014) citam o microcontrolador como um dispositivo versátil, de baixo custo, com tamanho reduzido e de fácil programação. É largamente utilizado em aplicações domésticas, entretenimento, telecomunicações, assim como na indústria automotiva, aviação, robótica e controle de processos.
Os microcontroladores são classificados em famílias, de acordo com a arquitetura e tecnologia neles embutidos. São ainda categorizados conforme a quantidade e capacidade dos recursos que apresentam (ATMEL, 2016).
A Figura 18 mostra uma placa Arduino Mega 2560 contendo um microcontrolador AVR ATmega 2560, construído com a arquitetura Harvard modificada, desenvolvida pela Atmel Corporation, que foi adquirida pela Microchip Tecnology em 2016. Este é o sistema de processamento utilizado no projeto, pois todos os membros da equipe possuem este modelo disponível, e o mesmo atende às necessidades do projeto.
Figura 18 – Placa Arduino Mega 2560 Fonte: Arduino (2018).
A placa fornece circuitos apropriados para regulação de tensão, comunicação via porta USB (Universal Serial Bus), proteção e comunicação entre dispositivos.
A estrutura do microcontrolador conta com pinos para a recepção e transmissão de sinais. Estes pinos compõem conjuntos de portas, que podem ser de entrada ou saída, em grupos digitais e analógicos. A maneira como estas portas irão se comportar são definidas pela configuração de registros.
Existem pinos específicos para alimentação, interrupções, reset,
comunicação serial e modulação PWM (Pulse Widht Modulation). A diferença básica entre um modelo de microcontrolador e outro é a quantidade de pinos disponíveis, bem como a capacidade de hardware e software a eles disponíveis (ATMEL, 2016).
A arquitetura do microcontrolador é designada como RISC (Reduced
Instruction Set Computer), a qual é definida como dispositivo que tem a característica
de operar com um conjunto de instruções simples. O acesso a dados e instruções é realizado via registradores ao invés de memórias (TANENBAUM; WETHERALL, 2011).
Diversos tipos de memória são responsáveis pelo armazenamento de dados, instruções e processamento de informações em um programa rodando no microcontrolador. Algumas das memórias mais comumente disponíveis são: EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory), SRAM (Static Random Access Memory) e Flash.
Os microcontroladores mais sofisticados contam ainda com módulos conversores A/D (Analógico/Digital), comparadores analógicos e portas de comunicação USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)
para transmissão bidirecional de dados em forma serial.
O núcleo de processamento (CPU) é responsável pelas operações aritméticas e lógicas das instruções programadas que resultam no sistema de monitoramento e controle em que o microcontrolador atua.
Na robótica os microcontroladores são amplamente empregados devido à sua capacidade para controle de sistemas digitais, especificamente para o acionamento de servomotores e motores de passo.
O Arduíno Mega 2560 possui 54 pinos de entrada e/ou saída digitais (dos quais 15 podem ser usados como saídas PWM), 16 entradas analógicas, 4 portas USART (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão USB, conector de alimentação, um conector ICSP, e um botão de reset.
A Figura 19 apresenta o diagrama esquemático da arquitetura do microcontrolador ATmega 2560, mostrando a disposição dos recursos em seu barramento.
