GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
RODRIGO PIRES BRAGAGNOLO
DESENVOLVIMENTO DE UMA FRESADORA DIDÁTICA DE COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO DE PEQUENO PORTE
Panambi, 2018
DESENVOLVIMENTO DE UMA FRESADORA DIDÁTICA DE COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO DE PEQUENO PORTE
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenheiro Mecânico.
Orientador: Roger Schildt Hoffmann
Panambi 2018
DO SUL – UNIJUÍ
RODRIGO PIRES BRAGAGNOLO
DESENVOLVIMENTO DE UMA FRESADORA DIDÁTICA DE COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO DE PEQUENO PORTE
Panambi, 2018
DEDICATÓRIA
À minha Mãe, pelo amor, carinho e estímulo que ofereceu ao acreditar que eu seria capaz de realizar essa caminhada, dedico-lhe essa conquista com amor.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a meu Mestre Superior – Deus, pela luz que irradia em minha vida na busca da sabedoria.
Ao meu pai Vilson, que sempre me apoiou, me incentivou e ajudou nos momentos que eu precisava de orientação, sendo incansável em exercer a paciência comigo.
Ao meu irmão Diego, sempre disponível, me incentivando e ajudando durante todo o meu percurso.
Ao Roger Schildt Hoffmann, pela atenção, dedicação, amizade e paciência para orientar-me neste trabalho.
Aos meus colegas pela amizade e convívio fraterno em busca do mesmo objetivo.
Aos professores do Curso de Engenharia Mecânica, e das demais áreas do conhecimento, que souberam me encaminhar nos estudos.
E, finalmente a UNIJUÍ, por possibilitar a realização do curso.
O desenvolvimento industrial está ancorado em tecnologias cada vez mais complexas. No entanto, nem todas as empresas de pequeno porte têm acesso à máquinas fresadoras CNC (Comando Numérico Computadorizado) para poderem competir no mercado, devido à falta de capital disponível para investir em maquinários mais desenvolvidos tecnologicamente. Por isso, o presente trabalho foi desenvolvido pensando na viabilidade, no baixo investimento de mercado para automação de pequenas empresas e também no desenvolvimento de um protótipo CNC didático de fácil manuseio para instituições de ensino. Para desenvolver a Fresadora Didática Dotada de Comando Numérico Computadorizado com Foco na Automação de Pequenas Empresas, o trabalho foi elaborado a partir de três projetos, o mecânico, o elétrico e o de softwares. O projeto mecânico viabilizou a escolha do material a ser usado para o desenvolvimento da parte estrutural. O projeto elétrico proporcionou o conhecimento sobre o que escolher em relação à fonte de energia, motores, acionamentos, sensores e por fim o projeto dos softwares escolhidos que possibilitou a interpretação do Código G, do inglês G-Code que é o nome dado a linguagem de programação a ser executado quando é enviado para a máquina. A partir dos projetos mecânico, elétrico e de softwares, foi possível desenvolver uma máquina CNC com software aberto de baixo investimento para ser usada na educação e em produções industriais com qualidade e de fácil acesso as pequenas empresas.
Palavras Chave: Fresadora, Baixo Investimento, Comando Numérico Computadorizado, Código G, Didática, Automação.
The industrial development is anchored in increasingly complex technologies. However, not all small businesses have access to CNC milling machines (Computer Numerical Command) to compete in the market due to the lack of available capital to invest in more technologically developed machinery. That is why the present work was developed considering the feasibility, the low investment of market for automation of small companies and also in the development of a CNC prototype of easy manipulation for educational institutions. In order to develop the Didactic Mill with Computer Numerical Command with Focus on the Automation of Small Companies, this work was elaborated from three projects, the mechanic, the electric and the software ones. The mechanical design enabled the choice of material to be used for the development of the structural part. The electric design provided the knowledge about what to choose in relation to the energy source, motors, drives, sensors, and finally the design of the chosen software that made possible the interpretation of G-Code, English G-Code that is the name given to the language to be executed when it is sent to the machine. From the mechanical, electrical and software projects, it was possible to develop a CNC machine with low investment open software to be used in education and industrial productions with quality and easy access for small companies.
Key words: Milling Machine, Low Investment, Computer Numerical Command, G-Code, Didactic, Automation.
Figura 1 - Máquina de tecer de Jacquard ... 18
Figura 2 - Máquina de cartões perfurados de Herman Hollerith ... 19
Figura 3 - Fresadora por fita perfurada – CN ... 19
Figura 4 - Robô de coordenadas cilíndricas: (a) volume de trabalho (b) robô ... 22
Figura 5 - Robô de coordenadas esféricas: (a) volume de trabalho (b) robô... 22
Figura 6 - Robô Scara: (a) volume de trabalho (b) robô ... 22
Figura 7 - Robô antropomórfico: (a) volume de trabalho (b) robô ... 23
Figura 8 - Robô Paralelo: (a) volume de trabalho (b) robô ... 23
Figura 9 - Robô de coordenadas cartesianas/gantry: (a) volume de trabalho (b) robô ... 23
Figura 10 - Torno ... 25
Figura 11 - Fresadora Industrial ... 26
Figura 12 - Furação... 26
Figura 13 - Sensor de posição eletromecânico. ... 28
Figura 14 - Sensor magnético (a) estrutura interna de um sensor magnético (b) circuito interno de um sensor magnético. ... 28
Figura 15 - Sensor indutivo (a) sensor (b) área de percepção ... 29
Figura 16 - Sensor capacitivo (a) sensor (b) exemplo de aplicação ... 29
Figura 17 - Sensores ópticos (a) sensor retrorreflexivo (b) sensor difuso (c) sensor de barreira direta (d) sensor à fibra óptica ... 30
Figura 18 - Sensor ultrassônico ... 31
Figura 19 - Encoder ... 31
Figura 20 - Motor assíncrono ... 32
Figura 21 - Servomotores ... 33
Figura 24 - Motor de Passo Híbrido ... 35
Figura 25 - Easy driver ... 36
Figura 26 - Easy driver ... 36
Figura 27 - DRV8825 ... 37
Figura 28 - Esquema elétrico de ligação ... 37
Figura 29 - Driver TB6600 ... 38
Figura 30 - Esquema elétrico de ligação ... 38
Figura 31 - Acoplamento fixo ... 39
Figura 32 - Acoplamento flexível ... 40
Figura 33 - Acoplamento móvel ... 40
Figura 34 - Guias e rolamentos lineares ... 41
Figura 35 - Principais partes de um rolamento linear ... 42
Figura 36 - Projeto 3D da CNC. ... 44
Figura 37 - Máquina concluída. ... 44
Figura 37 - Base estrutural de aço (a) base metálica da máquina (b) central/interpretador de código G (c) mesa de sacrifício (d) Tupia (e) ... 45
Figura 38– Eixo retificado (a), rolamentos lineares (b), motor de passo (c), apoio rolamentado (d)... 46
Figura 39 - correia (a), Pinhão(b). ... 47
Figura 40 - Rolamentos ... 47
Figura 41 - Fuso (a), castanha de bronze (b). ... 48
Figura 42 - Mancais rolamentados (a), acoplamento flexível de alumínio (b). ... 48
Figura 43 - Cabos de quatro vias (a), cabos blindados (b), fim de curso (c). ... 49
Figura 46 - Mapeamento das funções do interpretador na Arduino Uno ... 52
Figura 47 - Motor de passo 15Kgf.cm² Nema 23 ... 53
Figura 48 - Método de ligação bipolar série ... 53
Figura 49 - CNC shield ... 54
Figura 50 - Fonte ATX ... 55
Figura 51 - Circuito elétrico sem o uso da CNC Shield... 56
Figura 52 - Circuito elétrico com o uso da CNC Shield ... 57
Figura 53 - Interface gráfica UGS ... 58
Figura 54 - Área de trabalho virtual ... 59
Figura 55 - Criação da malha de pontos ... 60
Figura 56 - Método de aquisição de pontos para criação da malha ... 61
Figura 57 - Exemplo de malha com pontos referenciados a origem da máquina ... 61
Figura 58 - GRBL Controller- Software para Android ... 62
Figura 59 - Geometrias de encaixe para teste. ... 64
Figura 60 - Suporte para telefones móveis ... 64
1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 Objetivos Gerais ... 16 1.2 Objetivos Específicos ... 16 1.3 Justificativa ... 16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 2.1 Histórico CNC ... 18 2.2 Robô Industrial ... 21 2.3 Usinagem ... 24 2.3.1 Torneamento ... 25 2.3.2 Fresamento ... 25 2.3.3 Furação... 26
2.4 Constituição de uma fresadora ... 27
2.4.1 Sensores ... 27
2.4.2 Acionamentos ... 32
2.4.3 Acoplamentos ... 39
2.4.3.1 Acoplamento rígido ou fixo... 39
2.4.3.2 Acoplamentos elásticos ou flexíveis ... 40
2.4.3.3 Acoplamentos móveis ... 40
2.5 Guias ... 41
3 DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA DO PROTÓTIPO ... 43
3.1 Apresentação da Máquina – Metodologia ... 43
3.2 Projeto 3D e Construção da Máquina CNC ... 43
3.3 Simulação... 49
3.4 Partes elétricas e software ... 50
3.5 Testes ... 63
3.6 Problemas... 65
4 INVESTIMENTOS ... 67
1 INTRODUÇÃO
O consumismo desenfreado do ser humano, faz com que o desenvolvimento quantitativo e qualitativo das indústrias vise o desenvolvimento sustentável, preservando os recursos utilizados do meio ambiente sem comprometer as necessidades das futuras gerações. Segundo Jones (1988) “A tarefa da indústria é continuamente, ano após ano, fazer mais e melhores coisas, usando menos dos recursos do mundo”.
Entretanto, nem sempre foi assim em relação às indústrias; pois, as técnicas e as tecnologias foram se desenvolvendo ao longo dos séculos, superando desafios e ocupando novos espaços. Os seres humanos também foram gradualmente se desenvolvendo. Na busca de sua sobrevivência foram usados elementos da natureza para sua defesa, como por exemplo na Pré-História, quando utilizavam as pedras como ferramentas primitivas e armas para caça. Com o evoluir, passaram a usar metais, e assim, surgiram máquinas simples para auxiliar no dia a dia. No entanto, não eram ainda consideradas máquinas-ferramentas.
Com a Revolução Industrial as máquinas ferramentas passaram a ser fundamentais para o desenvolvimento da indústria. Nascendo assim, a indústria moderna com James Watt. Ao inventar a máquina a vapor, vindo desta forma, a substituir o trabalho artesanal, a manufatura e a energia humana ou animal, pois, segundo a Associação Brasileira de Máquinas e Equipamentos, Abimaq (2006) “a passagem da energia humana, hidráulica e animal para motriz foi apenas o ponto culminante de uma evolução tecnológica, social e econômica que se vinha processando na Europa”.
A ciência progrediu muito e multiplicou os inventores assim como as invenções, tornando-se extremante precisa, versátil e principalmente cara, dificultando o acesso para pequenas empresas, pois, desde a Revolução Técnico-Científica, na qual as indústrias primaram pela automação e robótica, a demanda por máquinas industriais de Comando Numérico Computadorizado (CNC), surgidas no início da década de 70, tornou-se maior, privilegiando as empresas de maior porte.
As empresas de pequeno porte com pouco capital de giro não tinham acesso ao maquinário, devido aos altos investimentos necessários, criando assim, um grave problema e tornando desigual a competitividade de seus produtos no mercado. No Brasil o mercado industrial atualmente prima por maquinários mais eficientes, entretanto o desenvolvimento de máquinas industriais está cada vez mais agregando alta tecnologia e tornando inviável a aquisição por parte de pequenos empresários com baixo capital de giro.
O significativo desempenho e uso dessas máquinas nas indústrias proporcionando alta produção aliada com a alta precisão e retornando com amplo lucro às grandes empresas, torna relevante a criação de um maquinário de baixo investimento e de fácil aquisição pelos pequenos e médios empresários, sendo ao mesmo tempo uma máquina didática para o uso acadêmico. O primeiro contato dos estudantes com esta tecnologia tende a ser intimidador devido à probabilidade dos mesmos cometerem erros e ocasionarem danos ao equipamento, uma vez que existe pouca ou nenhuma experiência por parte dos alunos.
1.1 Objetivos Gerais
Este trabalho de conclusão de curso apresentou como objetivo “a elaboração e construção de uma máquina CNC para fins didáticos acadêmicos com um sistema de baixo investimento e capacidade de implantação em pequenas empresas”.
1.2 Objetivos Específicos
Para desenvolver o presente trabalho foi necessário:
fazer uma pesquisa científica sobre o desenvolvimento e aplicação da Tecnologia CNC na indústria;
rever a bibliografia sobre os robôs industriais, mais especificamente o robô gantry (também conhecido como robô cartesiano que é composto por três juntas prismáticas com movimentos de translações, possuindo um volume de trabalho retangular);
projetar e construir a estrutura da máquina com o menor custo possível; projetar e construir um sistema elétrico para controle da fresadora;
prover softwares para controle e interpretação de código com o menor custo possível.
1.3 Justificativa
Atualmente é notável que o mercado industrial não foca sua atenção no desenvolvimento de maquinário destinado a pequenas e micro empresas, que muitas vezes são forçadas a permanecerem desatualizadas.
Desse modo, a criação de uma disposição construtiva de investimento reduzido e com capacidade de evolução passa a ser a porta de entrada de novas empresas no mercado. Atualmente, com a evolução da tecnologia é possível o desenvolvimento de sistemas complexos utilizando apenas alguns microcontroladores; sendo que no passado eram utilizados equipamentos extremamente caros e de grande porte estrutural para a máquina poder entrar em operação.
Pensando então nas pequenas empresas e no aperfeiçoamento de técnicas mais versáteis e inteligentes, foi proposta a elaboração e a construção de uma máquina fresadora didática, capaz de auxiliar departamentos industriais, tanto na flexibilidade e rapidez, quanto na economia de tempo e de valores.
Portanto, a elaboração e a construção do presente trabalho só foram possíveis através do conhecimento adquirido no curso de engenharia mecânica que ao longo dos semestres proporcionou conhecimentos de robótica. Estes por sua vez, contribuíram para que houvesse o desenvolvimento do protótipo da máquina fresadora didática com comando numérico computadorizado. O foco da referida máquina é a automação das pequenas empresas, de fácil confecção e para uso didático com utilização de componentes eletrônicos modulares adaptados a softwares gratuitos. Este trabalho é um ponto de partida para futuros projetos mais detalhados, aperfeiçoados para uso didático e em pequenas empresas.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Devido ao avanço gradativo, as máquinas ferramentas CNC podem produzir quase qualquer tipo de produto e com valores de aquisição acessíveis. A evolução também fez com que essas máquinas se tornassem um instrumento de estudo e formação em universidades para proporcionar o desenvolvimento científico e tecnológico e capacitar novos profissionais em diversos ramos da engenharia. Então, neste capítulo será explanada brevemente a evolução histórica da CNC (Comando Numérico Computadorizado).
2.1 Histórico CNC
Antes de serem criadas as máquinas CNC, na história, surgiram as NC (Comando Numérico), nos anos 1950. Eram máquinas controladas por fitas ou cartões perfurados, vindo a reduzir os investimentos industriais de fabricação, e permitindo maior versatilidade.
A humanidade teve um grande avanço a partir da Revolução Industrial, quando começaram a desenvolver máquinas que passaram a substituir o trabalho braçal dos homens. Foi com a criação principalmente da máquina a vapor de James Watt, em 1769; que a produção de mercadorias aumentou muito. As fábricas se espalharam rapidamente provocando mudanças no modo de vida das pessoas e a partir daí outras invenções surgiram como as máquinas automatizadas.
Esse desenvolvimento, no entanto, levou alguns anos até a criação de máquinas ferramentas, as quais tornariam as empresas mais produtivas e competitivas. Um exemplo desse desenvolvimento industrial foi a invenção do francês Joseph Marie Jacquard, no início de 1800, de um tear mecânico com uma leitora automática de cartões de acordo com a Figura 1, ou seja, uma máquina de Comando Numérico (CN); o tear iria funcionar com instruções em números sendo controlado automaticamente.
Figura 1 - Máquina de tecer de Jacquard
Mais tarde, em 1900 Herman Hollerith desenvolveu para o departamento de recenseamento dos Estados Unidos um sistema de armazenamento de dados para os cartões perfurados conforme a Figura 2, e fundou a empresa que viria a ser hoje a Internacional Business Machines (IBM).
Figura 2 - Máquina de cartões perfurados de Herman Hollerith
Fonte: Azevedo, 2008.
Nesse tempo, a evolução da técnica favoreceu a criação de novos objetos, estes permitiram que o esforço físico para desenvolver o processo industrial fosse reduzido, uma vez que os computadores armazenam, acumulam e processam os dados facilmente, aliviando assim, a memória dos homens nesse exercício.
No contexto da Segunda Guerra Mundial a Força Aérea Norte Americana, a empresa Parson Corporation e o MIT se uniram, mais precisamente em 1949, e através de pesquisas modificaram uma fresadora de três eixos conforme a Figura 3, quando retiraram os comandos convencionais e colocaram comandos numéricos controlados por fita perfurada, além de unidades de servomecanismos nos eixos e unidade de processamento de dados (CASSANIGA, 2005.)
Figura 3 - Fresadora por fita perfurada – CN
Essas máquinas tornaram-se viáveis de serem produzidas, eram complexas e precisas e para operar bastava: “receber informações por meio de entrada própria, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz, de modo que esta, sem a intervenção do operador, realize as operações na sequência programada”. (MACHADO, 1986, p.21)
A partir desse experimento que deu certo, surgiram outros como o trocador automático de ferramentas em 1956 e também em 1958 equipamentos que passaram a utilizar controle de posicionamento de ponto a ponto.
Para aperfeiçoar o processo industrial no ano de 1957, Patrick Hanratty construiu o primeiro sistema de programação de controle numérico comercial. Em 1960, Ivan Sutherland foi o primeiro a usar uma interface de usuário totalmente gráfica e no ano de 1971, Patrick Hanratty criou um sistema para trabalhar virtualmente em todas as máquinas.
Esse sistema, segundo Cadenas, foi um sucesso e passou a ser atualizado para trabalhar em máquinas de computador com 16 e 32 bits, sendo que nos dias atuais os softwares CAD (do Inglês, Computer Aided Design, desenho assistido por computador) podem ser rastreados até as raízes do software ADAM (Automated Drafting and Machinery).
Nesse período a indústria nos Estados Unidos estava em franco desenvolvimento, mas havia a necessidade de padronização no sistema, o que levava ao dispêndio de altos investimentos com equipes técnicas especializadas em diferentes linguagens de programação dentro da mesma empresa devido a maquinários de diferentes fabricantes, os quais desenvolviam suas próprias linguagens de programação.
Então, para chegar a uma linguagem comum, neste caso a padronização, a Eletronic Industries Association (EIA) realizou pesquisas junto com trabalhadores no setor das máquinas ferramentas, e usuários industriais. Isso possibilitou o inicio ao trabalho de padronização deste tipo de maquinário, definindo assim, um conjunto de códigos e caracteres aplicados na perfuração de fitas, para que os fabricantes de máquinas pudessem unificar a entrada de dados no maquinário, inclusive reduzindo o tamanho físico dos comandos e aumentando a capacidade de armazenamento de dados.
A padronização universal veio a ser criada nos anos 1958 no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) para ser usado em laboratórios de servomecanismos e foi chamado de código-G (G-Code).
Mais precisamente, segundo o CNC Tecnologia, “em 1967 surgia no Brasil as primeiras máquinas controladas numericamente, vinda dos Estados Unidos”, e durante a década de 70 o Brasil passou a fabricar as primeiras máquinas nacionais a utilizar CN,
iniciando ao mesmo tempo a importação dos Estados Unidos de máquinas capazes de utilizar o comando numérico computadorizado, (CNC), que veio contribuir para o desenvolvimento industrial brasileiro.
CNC: é o computador responsável pelo funcionamento da máquina. Dentro do CNC está o programa correspondente ao formato da peça a ser usinada. Ele se comunica com todos os sensores através do módulo I/O e com os acionamentos (inversores) dos eixos pelos sinais analógicos de comando. O “feed-back” do movimento é feito pelo encoder. (CAPELLI, 2008, p.192).
Desta forma, a máquina irá funcionar por meio de um programa, que ao fazer a primeira leitura memoriza e executa de acordo com a necessidade sem precisar fazer nova leitura, tornando possível a fabricação de peças em diversos materiais utilizando o mínimo de mão de obra humana, assim, contribuindo para o desenvolvimento das indústrias e possibilitando uma margem excelente de lucro.
2.2 Robô Industrial
Com o passar dos anos e o desenvolvimento da tecnologia, as indústrias buscam reduzir seus custos e adotam diversos modelos de produção; entre eles o robô industrial que é “uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial” (ISO 10218, 1992), e dessa forma, dependendo da tarefa a ser executada pode ser selecionado o uso de garras ou ferramentas, pois, as máquinas são reprogramáveis e podem realizar diversos movimentos.
Na história, George Devol e Joe Engelberger – “pai da robótica” (ROMANO, 2002) - nos anos 50 desenvolveram o primeiro robô industrial moderno chamado de Unimate que através de sua empresa Unimation Inc. instalou-o no chão-de-fábrica de uma empresa. A partir daí muitas indústrias vem utilizando essas máquinas devido à confiança nos componentes dos robôs e também pelo baixo investimento de aquisição.
Atualmente existem diversas configurações de robôs industriais, podendo ser classificados pela sua estrutura mecânica, sua geração tecnológica e a participação humana no funcionamento conforme Romano (2002).
A classificação quanto à estrutura mecânica básica dos principais robôs pode ser descrita da seguinte forma (ROMANO, 2002):
Robô de coordenadas cilíndricas, formado por uma junta rotativa e duas juntas prismáticas visto na Figura 4b, compreendendo em sua movimentação duas translações e uma rotação gerando um volume de trabalho cilíndrico, conforme visto na Figura 4a .
Figura 4 - Robô de coordenadas cilíndricas: (a) volume de trabalho (b) robô
Fonte: Romano, 2002.
Na Figura 5b, é possível ver um robô de coordenadas esféricas que possui um sistema de coordenadas de referência polar, constituído de duas juntas rotativas e uma junta prismática, e na Figura 5a a geração de um volume de trabalho similar a uma esfera.
Figura 5 - Robô de coordenadas esféricas: (a) volume de trabalho (b) robô
Fonte: Romano, 2002
O robô Scara é constituído por duas juntas rotativas montadas em paralelo e uma junta perpendicular ao plano apresentando duas rotações e uma translação conforme Figura 6b, gerando um volume de trabalho próximo de um cilindro, conforme Figura 6a.
Figura 6 - Robô Scara: (a) volume de trabalho (b) robô
O robô antropomórfico visto na Figura 7b é composto por três juntas rotativas, sendo o movimento de rotação da base ortogonal ao movimento das outras duas juntas de rotação, as quais são simétricas entre si, onde, na Figura 7a é gerado um volume de trabalho mais complexo em relação aos demais robôs.
Figura 7 - Robô antropomórfico: (a) volume de trabalho (b) robô
Fonte: Romano, 2002
O robô Paralelo na Figura 8b é semelhante a uma plataforma composto por mecanismos de cadeia cinemática fechada, gerando na Figura 8a um volume de trabalho semi-esférico.
Figura 8 - Robô Paralelo: (a) volume de trabalho (b) robô
Fonte: Romano, 2002
O robô de coordenadas cartesianas/gantry é composto por três juntas prismáticas, sendo seus movimentos resultados por translações conforme Figura 9b, gerando um volume de trabalho retangular, visto na Figura 9a.
Figura 9 - Robô de coordenadas cartesianas/gantry: (a) volume de trabalho (b) robô
No que se refere à geração tecnológica, na primeira se enquadram os robôs de sequência fixa, incapazes de desviar da programação e para que novas tarefas possam ser efetuadas novas programações devem ser feitas. Esses robôs necessitam de um ambiente de trabalho muito bem estruturado. (ROMANO, 2002).
A segunda geração conta com recursos computacionais que possibilitam a operação dos mesmos em ambientes parcialmente estruturados, sendo possível manipular peças que estão fora da posição ideal de trabalho e ainda reconhecer peças em meio a um conjunto de outras peças. (ROMANO, 2002).
Na terceira geração os robôs possuem a capacidade de se conectar com outras máquinas, inclusive armazenando dados computacionais. Devido à inteligência aplicada a este maquinário é possível a estes robôs tomar decisões, selecionar e até mesmo rejeitar peças.
A participação do operador humano será definida pela complexidade da interação e dos recursos a disposição para o processamento de dados segundo a tarefa que ele irá executar.
Todavia, ao rever os principais robôs industriais, é evidente o fato de que uma máquina ferramenta CNC não se limita a uma configuração estrutural única, podendo ser desenvolvida a partir de qualquer disposição construtiva mostrada acima, dependendo apenas da tarefa destinada à máquina. (ROMANO, 2002).
2.3 Usinagem
A história relata que na busca incessante para a sua sobrevivência, o homem começou a usinar materiais maleáveis como o ouro e o cobre no final da pré-história. Esse processo rústico de usinagem prosseguiu sendo aprimorado e sempre buscando materiais que fossem fáceis de trabalhar.
Entretanto, foi nos anos 700 a.C. que passaram a utilizar o ferro, porém não havia tratamento térmico para ele. Esse tratamento que consistia na remoção das impurezas e, na regulação da quantidade de carbono, surgiu no século XVII quando o ferro foi transformado em aço. Nesta mesma época surgiram as máquinas a vapor que contribuíram de forma sistemática para o desenvolvimento industrial, aperfeiçoando a técnica e concomitantemente produzindo diversos materiais como bens de consumo, por exemplo, facilitando e dando qualidade à vida do ser humano.
Desta forma, o processo de usinagem é de suma importância para as indústrias mecânicas, não só pela fabricação de peças, mas também pelo valor agregado nas peças e equipamentos.
Em relação ao conceito, de acordo com a norma DIN 8580, a usinagem é o processo de fabricação que resultará na formação de cavaco devido à remoção do material usinado, dando origem a uma peça de geometria e dimensões definidas. Já o cavaco é o material removido da peça usinada devido à ação da ferramenta e o mesmo não possui forma definida.
A usinagem abrange uma grande variedade de processos industriais. Entretanto os processos mais frequentemente observados em máquinas ferramentas são: o torneamento, o fresamento e a furação, os quais utilizam ferramentas de geometria definida.
2.3.1 Torneamento
Quanto ao processo de torneamento, nada mais é do que a peça executar o movimento de corte rotativo ao redor do eixo do Torno, e uma ferramenta fazer o movimento de avanço, para cortar e retirar o material, para isso, serão usadas ferramentas de geometria definida, conforme a Figura 10, que se desloca ao mesmo tempo numa trajetória coplanar com o referido eixo. Segundo Ferraresi (1970) é o “processo mecânico de usinagem destinado a obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes”.
Figura 10 - Torno
Fonte: Dispofix
2.3.2 Fresamento
O fresamento é o “processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas geralmente multicortantes”, (FERRARESI, 1970), e é um procedimento no qual ocorre à remoção do material usinado
através do movimento de corte circular pela ferramenta e o movimento de avanço é realizado pela peça obedecendo uma trajetória qualquer conforme Figura 11.
Através desse processo é possível usinar superfícies com diferentes orientações no espaço, sendo que a peça e a ferramenta podem mudar sua posição em mais de uma direção.
Figura 11 - Fresadora Industrial
Fonte: Jaraguá CNC
2.3.3 Furação
A furação é o “processo mecânico de usinagem destinado a obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortante” (FERRARESI, 1970), sendo assim, na Figura 12, pode-se observar a maneira em que o furo consiste na remoção de material em trajetória retilínea, podendo ser feito por qualquer ferramenta com capacidade para isto, como por exemplo, o processo de estampagem, torneamento ou até mesmo pelo processo de fresamento, embora na maioria das vezes seja cilíndrico, isto não é uma regra.
Figura 12 - Furação
Portanto, tendo o entendimento destes principais processos é compreensível que não passam de conceitos que descrevem uma operação fabril. Para tanto, não são restritos a uma ferramenta específica podendo ser realizados por inúmeras máquinas de diferentes configurações, desde que não haja discordância quanto ao conceito da operação. Assim, uma máquina fresadora não se limita unicamente ao fresamento podendo realizar diversas operações como, por exemplo, o rebaixamento, o roscamento, o alargamento, o aplainamento, entre outros.
2.4 Constituição de uma fresadora
Para que uma fresadora CNC possa entrar em operação, são necessários vários componentes em sua estrutura. Neste capítulo será dada ênfase aos conceitos teóricos dos elementos constituintes da máquina-ferramenta CNC.
2.4.1 Sensores
Toda fresadora possui um sistema de sensores os quais visam dar o feedback necessário para a orientação da máquina, monitorando erros de precisão ou mesmo falhas criticas, utilizados ainda para a detecção de invasões no perímetro de trabalho. Sendo possível a aplicação de inúmeros conceitos para a realização destas tarefas.
De acordo com Rosário (2005), “um sensor pode ser definido como um transdutor que altera sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo”, isto é, sensores são capazes de fornecer informações úteis a sistemas de automação, podendo ser aplicados na medição de variáveis lógicas, booleanas ou analógicas, através da aplicação de fenômenos elétricos, químicos e físicos já estudados.
É muito comum o uso de sensores na indústria devido à necessidade de monitoramento intenso com a intenção de prevenir possíveis quebras de equipamentos, perda de precisão e acidentes de qualquer tipo, devido a isso nesse contexto entre os principais tipos de sensores que frequentemente são utilizados na indústria e em outras áreas estão os sensores de posição eletromecânicos, sensores magnéticos, sensores de proximidade, sensores capacitivos, sensores ópticos, sensores ultra-sônicos e encoders (CAPELLI, 2008).
Os sensores de posição eletromecânicos observados na Figura 13, são geralmente robustos no meio físico e elétrico devido a sua simplicidade estrutural. O funcionamento deste sensor consiste em, quando pressionado, deslocar os contatos em seu interior de modo a
alterar sua configuração de trabalho. É comum estes sensores possuírem pelo menos um contato normalmente fechado e um contato normalmente aberto, geralmente são usados para determinar o “fim de curso” de um mecanismo.
Figura 13 - Sensor de posição eletromecânico.
Fonte: Adaptado Capelli, 2008.
Os sensores magnéticos são amplamente usados em várias áreas podendo ser utilizados para medir velocidades de rotação, posições de objetos no espaço, detecção de movimentos, entre outras tarefas. Seu funcionamento consiste em um contato normalmente aberto conforme a Figura 14b, que quando exposto a um campo magnético permite o acionamento do sensor conforme visto na Figura 14a. É importante ter controle dos campos magnéticos presentes no local de aplicação para evitar problemas de funcionamento (CAPELLI, 2008).
Figura 14 - Sensor magnético (a) estrutura interna de um sensor magnético (b) circuito interno de um sensor magnético.
Os sensores de proximidade ou indutivos visto na Figura 15a, têm como princípio de funcionamento a geração de um campo eletromagnético de alta frequência em sua área de percepção conforme mostra a Figura 15b, quando um objeto metálico adentra nesta área acaba absorvendo parte da energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado pelo sensor e assim acionando o mesmo. Não é necessário contato físico e devido a isso a vida útil da peça tende a ser maior em comparação a outros sensores, uma das aplicações mais comuns deste sensor é na substituição de chaves fim de curso onde normalmente se encontram sensores eletromecânicos (CAPELLI, 2008).
Figura 15 - Sensor indutivo (a) sensor (b) área de percepção
Fonte: Adaptado Capelli, 2008.
Já os sensores capacitivos observados na Figura 16a, atuam gerando um campo elétrico de alta frequência, sua área de percepção é constituída por dois eletrodos que atuam semelhantes a um capacitor sendo assim quando um objeto qualquer entra em sua área de atuação a capacitância do sistema se altera causando uma variação na amplitude do sinal gerado de forma a acionar o sensor. Diferente dos sensores indutivos os sensores capacitivos podem detectar materiais não condutores, sendo sua aplicação destinada na maioria das vezes à detecção destes materiais conforme mostra a Figura 16b (CAPELLI, 2008).
Figura 16 - Sensor capacitivo (a) sensor (b) exemplo de aplicação
Os sensores ópticos por sua vez existem em diversos tipos, contudo sua lógica de funcionamento é sempre a mesma, variando apenas o método de operação. Sendo assim os sensores ópticos tem como método de funcionamento a emissão de um feixe de luz através de um emissor de forma que um receptor possa captar esse feixe, no momento em que um corpo de qualquer tipo bloqueia o feixe de luz fazendo com que o receptor não seja atingido, o sensor é acionado. Um uso comum para estes sensores é a proteção de maquinários gerando uma “cortina de luz” que quando interrompida cessa o funcionamento em questão.
Quanto ao método de operação, se destacam os sensores de barreira direta, sensores retrorreflexivos, sensores difusos e sensores a fibra ótica, os quais serão abordados a seguir.
Os sensores ópticos de barreira direta conforme mostra a Figura 17c, possuem separadamente duas peças físicas que desenvolvem a função de emissor e receptor, bastando apenas posicioná-las conforme desejado no ambiente de trabalho. Os sensores retrorreflexivos vistos na Figura 17a, possuem o emissor e o receptor em um mesmo invólucro, de modo que o feixe de luz é emitido em direção a um refletor e então retorna para o sensor. Com um princípio parecido tem-se o sensor difuso conforme a Figura 17b, que diferente do retrorreflexivo não utiliza uma peça para refletir a luz, sendo o objeto em foco responsável por esta função, e ainda têm-se os sensores à fibra óptica vistos na Figura 17d, no qual o emissor e receptor também fazem parte do mesmo corpo e, para que seu funcionamento seja possível suas partes, emissora e receptora, necessitam serem vinculadas a cabos de fibra ótica de modo que um sensor deste tipo não precisa estar posicionado próximo ao objetivo, bastando que as fibras óticas estejam posicionadas corretamente no objetivo (CAPELLI, 2008).
Figura 17 - Sensores ópticos (a) sensor retrorreflexivo (b) sensor difuso (c) sensor de barreira direta (d) sensor à fibra óptica
O sensor ultrassônico conforme mostra a Figura 18, atua de forma que ao emitir um pulso sonoro em direção a um objeto qualquer passa a aguardar o retorno deste pulso e calcula o tempo gasto a partir da emissão até a recepção para, com base na velocidade do som determinar a distância do objeto. Pode ser usado para medir distâncias ou simplesmente para detectar a presença de objetos (CAPELLI, 2008).
Figura 18 - Sensor ultrassônico
Fonte: Multilógica Shop,
Neste meio ainda tem-se o encoder conforme a Figura 19, utilizado para mensurar a mudança de posição em um eixo, sendo este acionado mecanicamente pelo próprio eixo a ser medido. Sua construção consiste na marcação de segmentos em um disco, intercalando em seu entorno segmentos claros e escuros, assim, receptores de luz e diodos emissores são posicionados em cada lado desse disco de modo que, ao girar, os receptores serão expostos a regiões claras e escuras podendo dessa forma gerar um sinal elétrico capaz de medir o deslocamento no eixo (CAPELLI, 2008).
Figura 19 - Encoder
Fonte: Capelli, 2008.
Entretanto cada sensor por sua vez tem uma variável de medida conforme a necessidade de aplicação desejada, por exemplo, o sinal analógico tem uma capacidade mais
ampla e pode assumir qualquer variável de medida dentro de uma escala definida. Já o sinal digital difere do analógico e pode assumir um número limitado de valores dentro de uma mesma escala, e ainda os sinais lógicos também conhecidos por binários e booleanos, possuem a capacidade de assumir unicamente dois valores na escala, 0 ou 1. (ROSÁRIO, 2005).
2.4.2 Acionamentos
Para possibilitar a movimentação da máquina em seus respectivos eixos é necessário determinar quais tipos de acionamentos deverão ser utilizados em sua construção. Atualmente existem vários tipos diferentes de acionamentos rotativos e lineares capazes de atender a necessidade do projeto.
É predominante o uso de acionamentos rotativos durante o projeto de uma máquina CNC, devido à grande variedade de oferta e facilidade de seleção dos mesmos, sendo frequente a utilização de três tipos básicos de acionamentos rotativos que são: motores assíncronos, servomotores de corrente continua, servomotores de corrente alternada e motores de passo.
Os motores assíncronos como pode ser observado na Figura 20, podem ser aplicados em áreas em que não é exigida alta precisão, não são muito indicados para sistemas de malha fechada, seu controle é feito por variadores de frequência, de forma que possam ser executadas variações continuas de velocidades sem a necessidade de caixas de redução (STOETERAU, 2014).
Figura 20 - Motor assíncrono
Para os servomotores conforme a Figura 21, existe duas categorias, os servomotores de corrente contínua e os de corrente alternada. De uma forma geral servomotores são motores de alta qualidade ligados a um mecanismo de feedback que compara o resultado desejado enviado ao servomotor com o posicionamento final do equipamento medido por um encoder e, dessa forma, o sistema corrige a diferença de posição, são utilizados quando são necessárias condições de partidas e paradas de forma rápida e precisa. Neste tipo de acionamento o torque é controlado pela corrente e a velocidade pela tensão elétrica. Quanto aos servomotores de corrente alternada, são motores de indução com possibilidade de reversão, os quais possuem fases modificadas para servo-operação, podendo ser síncronos ou assíncronos.
Figura 21 - Servomotores
Fonte: Acelab, 2018.
Os motores de passo são amplamente utilizados quando é necessário precisão em alguma operação pois, os mesmos, através de sinais elétricos nas bobinas geram força e velocidade, ou seja, “um motor de passo é um transdutor de características eletromecânicas que permite a conversão de energia e de informação em movimento. Sua alimentação é elétrica digital, ou impulsional, e seu movimento rotacional é incremental” (BETIOL, 1989).
Os motores de passo podem ser classificados em três categorias: os motores de imã permanentes, os motores de relutância variável e os motores híbridos.
Os motores de imã permanentes conforme a Figura 22, tem um rotor magnetizado em um eixo liso fazendo com que a mecânica seja menos complexa e mais acessível. Possui a
vantagem que ao somar o campo magnético das bobinas com o campo magnético permanente gera maior potência na partida; porém em relação a outros motores possui um passo maior comprometendo a precisão.
Figura 22 - Motor de passo de imã permanente
Fonte: UNESP
Os motores de relutância variável têm de três a cinco bobinas que estão conectadas a um terminal comum conforme visto na Figura 23. O rotor não contém um imã e é feito de ferro; a energização das bobinas forma o campo magnético para alinhar o eixo e esse campo não será permanente, consequentemente o torque será menor na saída (UNESP, 2013).
Figura 23 - Motor de Passo de Relutância Variável
Fonte: UNESP
Para (BETIOL, 1989) “os motores de passo híbrido combinam as características dos motores de passo de imã permanente (rotor permanentemente magnetizado) e de relutância
variável (rotor e estator providos de polos salientes)” isto é, a combinação dos motores descritos anteriormente, conforme a Figura 24, que permite um torque maior com maior precisão nos passos.
Figura 24 - Motor de Passo Híbrido
Fonte: UNESP
O controle destes motores é feito através de drivers eletrônicos que possuem todos os sistemas necessários para o funcionamento do motor em um só lugar, desta forma torna-se dispensável o conhecimento amplo a respeito das configurações físicas do motor. De uma forma mais simples o controle dos motores de passo com a utilização de drivers se resume a definir qual ligação elétrica foi selecionada, qual o micropasso selecionado, o sentido de rotação, e enviar pulsos elétricos ao driver para que o motor incremente passos ao seu deslocamento angular.
Atualmente devido ao avanço tecnológico e a popularização deste tipo de motor em projetos diversos, aliado a produção em massa, tornou-se possível encontrar várias opções de drivers para motores de passo com um bom custo benefício. Dentre essas várias opções serão descritos alguns controles possíveis de se encontrar atualmente.
O Easy driver visto na Figura 25, é simples e muito usado para controlar motores de passo podendo ser utilizado em componentes eletrônicos que possuam uma saída digital com pulso de 0 a 5V, a alimentação do driver pode ser definida em qualquer valor entre 7 e 30 V e conta na sua estrutura com um regulador de tensão para interface digital. O driver pode
controlar motores de passo bipolares de 4, 6 ou 8 vias. Sua corrente elétrica é ajustável entre 150 a 750mA por via.
Figura 25 - Easy driver
Fonte: Filipeflop
Abaixo na Figura 26, pode ser observado um esquemático, mostrando de forma simplificada a ligação do driver ao motor.
Figura 26 - Easy driver
Fonte: Filipeflop
Caso necessário mais que 750mA por via, é necessário a substituição do Easy driver por um driver mais potente como por exemplo o modelo DRV8825 conforme Figura 27, da fabricante Pololu. Este driver apresenta limitação de corrente ajustável, podendo fornecer
1,5A por fase sem resfriamento ou 2,2A por fase com resfriamento adicional além de possuir proteções contra superaquecimento e sobrecorrente, possui seis resoluções de microsteps (chegando em até 1/32-step), sua tensão de operação pode variar em qualquer valor entre 8,2 e 45V. Entretanto assim como o Easy driver o DRV8825 suporta apenas ligação bipolar.
Figura 27 - DRV8825
Fonte: Pololu
A ligação deste driver ao motor é de certa forma simples, no geral apenas dois fios se fazem necessário para controlar o motor de passo, como pode ser visto na Figura 28.
Figura 28 - Esquema elétrico de ligação
Fonte: Pololu
O driver TB6600 conforme a Figura 29, é uma solução ainda mais robusta para controle de motores de passo, podendo operar numa faixa de tensão de 9 a 42V e em uma
faixa de corrente de 0,5 a 3,5A suportando picos de 4A possuindo ainda 7 resoluções de microsteps (chegando em até 1/32-step), conta com sistemas de superaquecimento, sobrecorrente e curto-circuito.
Figura 29 - Driver TB6600
Fonte: DFRobot
A ligação deste driver assim como a dos outros apresentados não demonstra alta complexidade, como pode ser visto na Figura 30.
Figura 30 - Esquema elétrico de ligação
2.4.3 Acoplamentos
Acoplamento é um conjunto mecânico, formado por elementos de máquina, utilizados na transmissão de movimento de rotação entre eixos, ou o componente responsável por realizar as ligações dos eixos de uma máquina, eles podem ser fixos ou rígidos, elásticos ou flexíveis e móveis.
O acoplamento será usado quando for necessário transmitir um momento de rotação de um eixo motor a outro elemento de máquina.
2.4.3.1 Acoplamento rígido ou fixo
São rígidos quanto à torção, porém tem grande capacidade de torque, de fácil instalação, e são compactos podendo ser observados na Figura 31. Os desalinhamentos, os choques ou vibrações a partir do movimento da máquina ou da partida do motor não são absorvidos pelos acoplamentos. O funcionamento do acoplamento pode ocorrer dos dois sentidos de giro e não precisam ser lubrificados. Na maioria das vezes são empregados quando há necessidade de sincronismo torcional ou com constantes reversões de carga (TECMACÂNICO, 2013).
Figura 31 - Acoplamento fixo
2.4.3.2 Acoplamentos elásticos ou flexíveis
Quando a transmissão do movimento em árvores é mais brusca, utiliza-se o acoplamento flexível ou elástico conforme mostra a Figura 32, que irá transmitir para a máquina a energia de acionamento produzida pela unidade geradora, com o mínimo de vibrações, tornando mais suave a comunicação do movimento.
Figura 32 - Acoplamento flexível
Fonte: NEI.
2.4.3.3 Acoplamentos móveis
São usados para permitir o jogo longitudinal das árvores, conforme visto na Figura 33, ou seja, permite a conexão e a desconexão das árvores sem precisar desmontar o acoplamento. São controlados por um comando e somente será transmitida a força e o movimento quando forem acionados (TECMACÂNICO, 2013).
Figura 33 - Acoplamento móvel
2.5 Guias
As máquinas-ferramentas são compostas de vários elementos, entre eles as guias que segundo Stoeterau (2014), “são elementos estruturais que permitem a um componente deslizar ao longo de outro em um padrão dado”, isto é, as guias têm a função de guiar a ferramenta para a região onde será realizado o corte, para isso, é necessário que seja de uma construção rígida, contribuindo dessa forma para a exatidão geométrica e dimensional.
Entre as muitas classificações, as guias podem ser cilíndricas ou prismáticas conforme mostra a Figura 34; as cilíndricas são as guias lineares usadas em mecânica de precisão, como em impressoras, em unidades de disco flexível e também em máquinas-ferramentas. Foram criadas para solucionar o problema de definição e reprodução do padrão polegada de dimensão pois, no final do século XX os fabricantes nos Estados Unidos não tinham um padrão para construí-las.
Figura 34 - Guias e rolamentos lineares
Fonte: Eixos e rolamentos lineares, 2010.
Já as guias lineares de seção transversal prismática ou angular são também usadas nas máquinas-ferramentas e as formas variam conforme o fabricante; porém Stoeterau (1992), diz que “quase sempre se utilizavam de guias prismáticas para absorção de forças, independente da posição, plana ou inclinada” das máquinas ferramentas.
Outro elemento fundamental que compõe a máquina-ferramenta é o rolamento linear, que pode ser prismático ou cilíndrico, podendo ser observados alguns modelos na Figura 34 e 35.
O rolamento prismático ou cilíndrico possui o mesmo princípio de funcionamento, tendo sua geometria adaptada para o formato da guia a qual foram designados. Basicamente, estes rolamentos possuem uma gaiola polimérica contendo pistas para que as esferas de aço rolamento existentes no interior dos mesmos possam recircular de forma continua conforme
exposto na Figura 35, e quando é preciso uma máquina-ferramenta avançar e retornar linearmente esses rolamentos são usados.
Figura 35 - Principais partes de um rolamento linear
Fonte: RAC
Esses rolamentos têm um sistema de fácil instalação, simples, utilizando estrutura com menor dimensão e peso.
3 DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA DO PROTÓTIPO
Neste capítulo será explicada a metodologia utilizada para a construção de uma máquina CNC fresadora. O capítulo será dividido em apresentação da máquina, projeto 3D, simulação estrutural, processo de construção da máquina, problemas encontrados e a execução de testes para avaliação de funcionalidade da mesma.
3.1 Apresentação da Máquina – Metodologia
O protótipo de uma máquina CNC foi construído com material acessível para torná-la de baixo investimento propiciando uma possibilidade de automação para pequenas empresas e, ao mesmo tempo, servindo de modelo para uso didático às instituições de ensino, para formação acadêmica de Engenharia.
Primeiramente foram realizadas leituras bibliográficas, pesquisa científica sobre o desenvolvimento e aplicação da CNC na indústria, também foi necessário rever a bibliografia sobre os robôs industriais, mais especificamente o robô gantry (também conhecido como robô cartesiano que é composto por três juntas prismáticas com movimentos de translações, possuindo um volume de trabalho retangular), assim como, rever a bibliografia sobre os tipos de acionamento de máquinas existentes e pesquisar sobre os sensores utilizados na indústria, buscando alternativas de menor investimento com eficiência similar; a partir destas etapas foram selecionados materiais para iniciar a construção do protótipo.
3.2 Projeto 3D e Construção da Máquina CNC
A representação tridimensional ou em 3D na Engenharia Mecânica é relevante pois, através da evolução dos softwares CAD é possível ver, analisar, representar fielmente com aspectos detalhados e mudar um projeto antes de construí-lo fisicamente.
Foi através dos softwares que o protótipo da máquina CNC começou a ser desenvolvido, lentamente, passo por passo até ser concluído e começar a produzir produtos úteis à vida cotidiana dos seres humanos. Com o uso do softwares CAD Solidworks, pode ser visualizada a maquete 3D da máquina na Figura 36, e sua versão construída e finalizada, na Figura 37.
Figura 36 - Projeto 3D da CNC.
Fonte: O Autor, 2018.
Figura 377 - Máquina concluída.
Para elaborar a montagem da máquina foram definidos materiais que apresentam leveza, baixo investimento, alta resistência e facilidade de acesso que serão descritos a seguir.
Inicialmente foi feito uma base estrutural de perfis de aço tubular de 40 mm x 20 mm para acoplar a máquina, visto na Figura 37a. Em seguida foi construída a base metálica da máquina responsável por sustentar o eixo Y e fornecer rigidez ao sistema quando em funcionamento. A base da máquina é encaixada na base estrutural Figura 37b de modo que, caso haja a necessidade de transportá-la para outro lugar e não for possível deixá-la na base estrutural de aço, a mesma pode ser facilmente removida.
Figura 38 - Base estrutural de aço (a) base metálica da máquina (b) central/interpretador de código G (c) mesa de sacrifício (d) Tupia (e)
Fonte: O autor, 2018.
Foi também realizada a instalação de uma segunda placa de MDF (Medium-Density Fiberboard, Placa de fibra de média densidade) acima da base, que tem a finalidade de ser
uma mesa de sacrifício, conforme Figura 37d, ou seja, para que no momento em que a fresa utilizada venha ultrapassar a espessura do material a ser trabalhado, não atinja a base do maquinário danificando-o desta forma.
O MDF também serviu para acoplar os fixadores de alumínio da Tupia mostrada na Figura 37e, ferramenta utilizada para realizar os cortes e acabamentos dos projetos a serem realizados nesta máquina.
O uso de placas de MDF foi escolhido para a fabricação das laterais do eixo X, a base da máquina e a mesa de sacrifício, e a estrutura do eixo Z devido ao baixo peso e à facilidade de encontrar este material no mercado, ainda pode ser observado na Figura 37c, uma central para interpretação do código G.
O uso dos eixos referentes às coordenadas X, Y, Z, são fabricados em aço retificado SAE 1045 sem têmpera com diâmetro de 20 mm e tolerância dimensional H7 conforme Figura 38a, e para possibilitar o movimento nos eixos foram utilizados rolamentos lineares de 20 mm modelo sc20uu, conforme Figura 38b, com exceção do eixo Z no qual foram utilizados eixos de mesmo material mas com diâmetro de 16 mm e rolamentos correspondentes modelo scs16.
Figura 39– Eixo retificado (a), rolamentos lineares (b), motor de passo (c), apoio rolamentado (d).
Os elementos de acionamento usados foram motores de passo, conforme Figura 38c, e o método de acoplagem destes ao maquinário se deu através de pinhões padrão gt2 20 dentes, mostrado na Figura 39a, e correias modelos gt2, mostrado na Figura 39b.
Figura 40 - correia (a), Pinhão(b).
Fonte: O autor, 2018.
Devido à posição dos motores foi necessário criar dois apoios rolamentados, visto na Figura 40 e 38d, para tornar possível a instalação do sistema pinhão e correia na máquina.
Figura 41 - Rolamentos
Fonte: O autor, 2018.
Os rolamentos utilizados foram os de modelo 608RS da marca SK8 com diâmetro externo de 22 mm e interno de 8 mm, visto na Figura 40, a única exceção foi o eixo Z, no qual
foi utilizado um fuso de 8 mm de diâmetro com passo de 8 mm visto na Figura 41a, e uma castanha de bronze conforme Figura 41b.
Figura 42 - Fuso (a), castanha de bronze (b).
Fonte: O autor,2018.
Também relacionado ao eixo Z, foram usados mancais rolamentados, Figura 42a, e um acoplamento flexível de alumínio, conforme Figura 42b, devido ao espaço reduzido nesta área da máquina.
Figura 43 - Mancais rolamentados (a), acoplamento flexível de alumínio (b).
Após a montagem destes componentes, deu-se início ao cabeamento elétrico da máquina. Para tal, foi utilizado cabos de quatro vias, conforme Figura 43a, com a finalidade de conectar os motores a central de comando, e cabos blindados, conforme Figura 43b, para os terminais de “fim de curso” conforme Figura 43c, que servem para que a máquina, não ultrapasse os limites físicos de sua área de trabalho.
Figura 44 - Cabos de quatro vias (a), cabos blindados (b), fim de curso (c).
Fonte: O autor, 2018.
3.3 Simulação
Foi previsto a ocorrência de deformações nos eixos da máquina devido aos materiais utilizados na construção desta, uma vez que a escolha dos materiais foi direcionada a acessibilidade e ao investimento reduzido dos mesmos. Na Figura 44 pode ser observada uma simulação de deformação efetuada no Solidworks sobre o modelo 3D simplificado. Para este estudo foi aplicado um módulo de elasticidade aos eixos de 205GPa correspondente ao aço SAE 1045, os demais componentes da estrutura foram definidos como rígidos, ou seja, permaneceram sem deformar independente das forças de simulação, em seguida foi aplicada uma carga estática referente ao peso estimado da estrutura do eixo Z (a estrutura responsável por fixar a ferramenta de corte) sobre os rolamentos lineares que sustentam o mesmo com isto foi possível estimar um deslocamento na direção do eixo Z de 2,042 mm referente ao peso
estático da estrutura do eixo Z quando esta se encontra posicionada sobre o ponto de deformação máxima dos eixos.
Figura 45 - Simulação de deformação por peso
Fonte: O autor, 2018.
3.4 Partes elétricas e software
Para colocar em operação a máquina, foi necessária além da construção de uma central de comando, a utilização de softwares para gerar coordenadas de trabalho e para interpretá-las.
É relevante a criação do software para interpretar o código G, pois ele possibilita a execução do código a ser enviado para a máquina CNC, na produção desta, foi adotado o software GRBL por ser livre, de código aberto, e tem alto desempenho no controle do movimento de máquinas executado em Arduino. O GRBL foi criado por Simen Svale Skogsrudo e colocado a disposição para a comunidade de código aberto, desde 2011, está avançando com projeto de fonte aberta sob o comando de Sungeun "Sonny" JeonPh.D. (@chamnit), dentro da plataforma GitHub.
A plataforma GitHub foi desenvolvida de uma maneira que torna possível o gerenciamento da mesma pelo usuário, seja para hospedar ou revisar código, para administrar projetos e ainda é possível construir software ao lado de milhões de outros desenvolvedores.
O GRBL é livre para a comunidade de software, no entanto está protegido pela licença GPLv3.
A GPL também é conhecida em português por GNU licença de uso geral, GNU GPL, e é um dos principais modelos de licenciamento de software de código aberto do mercado, sendo considerada uma garantia para o usuário final em relação aos direitos de executar o sistema, quanto a:
Estudar seu código-fonte; Modificar o código-fonte;
Compartilhar livremente o programa com a comunidade.
Nos dias atuais a GNU GPL é mantida pela Free Software Foundation e está em sua terceira versão, ou seja, a GNU GPLv3. De suma importância pois, todo o trabalho desenvolvido a partir de um código originalmente distribuído em GNU GPL pode ser redistribuído, garantindo o livre direito de cópia (copyleft).
Entretanto nas licenças GPL há uma cláusula de uso opcional que garante ao sistema a atualização automática para a última versão, podendo dessa forma, o usuário optar em manter o modelo da licença original ou se achar necessário migrar para a nova versão.
Tendo entendido o funcionamento e a origem do software escolhido deu-se início no processo de gravação deste em um microcontrolador Atmega328p, popularmente encontrado na placa Arduino Uno conforme Figura 45.
Figura 46 - Arduio Uno
O processo de gravação consistiu basicamente em efetuar o download da biblioteca disponibilizada pelo projeto na plataforma GitHub e através da IDE (Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado, é um programa de computador que reúne características e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de software com o objetivo de agilizar este processo), fornecida no site oficial do Arduino, esta biblioteca foi enviada a placa tornando-a em um interpretador de código funcional, na Figura 46, abaixo é possível observar as funções de software distribuídas na placa.
Figura 47 - Mapeamento das funções do interpretador na Arduino Uno
Fonte: GitHub
Após possuir o interpretador pronto para uso foi necessário efetuar a seleção dos acionamentos e dos dispositivos responsáveis por converter os sinais do interpretador no movimento dos eixos da máquina, esta seleção foi baseada nas opções de hardware disponíveis no mercado, levando em conta o investimento e a facilidade de utilização dos componentes.
O acionamento escolhido para o projeto foram os motores de passo Marca Akiyama modelo P/N: AK23/15F6FN1.8, conforme Figura 47, devido à compatibilidade com o GRBL, o qual em sua configuração nativa pressupõe a utilização destes motores.
Figura 48 - Motor de passo 15Kgf.cm² Nema 23
Fonte: Baú da Eletrônica
Estes motores possuem, de acordo com o fabricante, torque de 15Kgf.cm² e quando utilizados em ligação bipolar série consomem 2,1 Amperes. Abaixo na Figura 48 é mostrado o sistema de ligação dos mesmos em modo bipolar série de acordo com o fabricante.
Figura 49 - Método de ligação bipolar série
Fonte: Baú da Eletrônica
Para controlar esses motores é necessária a utilização de um driver que converta os sinais do interpretador na sequência correta de acionamento das bobinas do motor, fazendo
com que este desloque a máquina na distância desejada e com a velocidade e aceleração desejada.
Para realizar esta função foram selecionados os drivers DRV8825 mostrados nas Figuras 27 e 28, por atenderem a corrente nominal requisitada pelos motores fazendo uso da ligação bipolar série e de resfriamento adicional, conforme indica o fabricante.
Entretanto, estes drivers também possuem compatibilidade com a placa CNC shield, conforme Figura49, a qual é uma placa que pode ser acoplada diretamente sobre a Arduino Uno, fornecendo o encaixe perfeito dos drivers e fornecendo ainda saídas identificadas para cada função do interpretador na placa.
Figura 50 - CNC shield
Fonte: Hperobótica
Entretanto o uso da placa CNC shield não é algo obrigatório para a construção da parte elétrica, sendo esta apenas um facilitador do processo de modo a organizar conexões de forma compacta. Mais adiante serão mostradas as ligações elétricas da máquina com a utilização e sem a utilização da placa CNC shield.
Dentre as funções fornecidas pelo GRBL, além da interpretação de código G, foi inserida na máquina a comunicação via Bluetooth com dispositivos móveis para streaming de código G, ferramenta de probe para calibração, chaves fim de curso para evitar colisões e ainda chaves de acesso rápido com funções de parada de emergência, pausa e retomada de função.
Para alimentar esse aparato eletrônico foi utilizada uma fonte ATX, comumente encontrada em computadores conforme Figura 50, a qual além de ser facilmente encontrada no mercado é muito versátil neste tipo de projeto pois, disponibiliza de várias saídas com voltagens e amperagens diferentes.
Figura 51 - Fonte ATX
Fonte: JMJG, 2016.
Para a ligação do sistema de resfriamento foi utilizada uma saída de 12v e 18A, para a ligação do sistema de medição de temperatura foi utilizada uma saída de 5v e para os motores foi utilizada uma saída de 12v 18A que foi amplificada para 25v por um conversor dc-dc.
A alimentação da placa Arduino Uno é feita via cabo USB (Universal Serial Bus) quando conectada ao computador ou através de um transformador 12v externo quando opera por Bluetooth; a antena Bluetooth por sua vez, é alimentada diretamente pela placa Arduino Uno, contudo sua comunicação necessita de um divisor de tensão, fazendo com que os sinais de 5v enviados pela Arduino cheguem com 3v na entrada de sinal da antena tornando possível a comunicação.
Na Figura 51 observa-se a disposição construtiva do circuito elétrico da máquina contendo as características descritas até agora, salientando que o mesmo, não utiliza a CNC shield.
Figura 52 - Circuito elétrico sem o uso da CNC Shield
As ligações com o uso da CNC shield é possível ver na Figura 52.
Figura 53 - Circuito elétrico com o uso da CNC Shield
Fonte: O autor, 2018.
Após concluir a estrutura mecânica e a parte elétrica da máquina foi o momento de estabelecer um método capaz de enviar o código G para o interpretador, o qual irá converter este código em movimentos. Para isto, foram selecionados alguns softwares específicos para esta comunicação. Mantendo o foco no baixo investimento foram pesquisados alguns
softwares livres destinados a comunicação e envio de código, os quais serão descritos a seguir.
O primeiro software testado é conhecido como UGS (Universal Gcode Sender), que possui uma interface simplificada e de fácil entendimento, sendo que é um software baseado em Java e não necessita instalação, bastando ser executado, na Figura 53, é possível observar a interface gráfica do mesmo.
Figura 54 - Interface gráfica UGS
Fonte: O autor, 2018.
O segundo software selecionado é conhecido como BCNC, este por si só é um software multiplataforma (Windows, Linux, Mac) robusto e rápido capaz de ser executado adequadamente em hardwares lentos ou obsoletos disponibilizado na plataforma GitHub. Diferente do UGS este software apresenta funções mais interessantes, como por exemplo, a edição de código, o autonivelamento da superfície da mesa, a capacidade de importar e
