CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS
DE CIRCUITOS IMPRESSOS DE CIRCUITOS IMPRESSOS ITABIRA ITABIRA 2013 2013
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS
DE CIRCUITOS IMPRESSOS DE CIRCUITOS IMPRESSOS
Trabalho Final de Graduação apresentado Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá como à Universidade Federal de Itajubá como parte dos r
parte dos requisitos necessários para a ob-equisitos necessários para a ob-tenção do Grau de Engenheiro da tenção do Grau de Engenheiro da Compu-tação.
tação.
Orientador: Prof. Dr. Eben-ezer Prates da Orientador: Prof. Dr. Eben-ezer Prates da Silveira. Silveira. ITABIRA ITABIRA 2013 2013
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS
DE CIRCUITOS IMPRESSOS DE CIRCUITOS IMPRESSOS
Trabalho Final de Graduação, apresentado à Universidade Federal de Itajubá - Campus Trabalho Final de Graduação, apresentado à Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabi-ra, como requisito parcial
ra, como requisito parcial para aprovação no curso de graduação em Engenharia da para aprovação no curso de graduação em Engenharia da Computa- Computa-ção.
ção.
Professor Orientador Dr. Eben-ezer Prates da Sil Professor Orientador Dr. Eben-ezer Prates da Silveiraveira
Resultado:________________ Resultado:________________ Itabira, Itabira, MG,_________MG,______________________________________________ ___________ BANCA EXAMINADORA BANCA EXAMINADORA ____________ __________________________________________________________________________________ __ Professor Dr. Eben-ezer Prates da Silveira
Professor Dr. Eben-ezer Prates da Silveira
____________
__________________________________________________________________________________ __ Professor Dr. Evandro Daniel Calderaro Cotrim
Professor Dr. Evandro Daniel Calderaro Cotrim
____________
__________________________________________________________________________________ __ Professor Msc. Ivan Lucas Arantes
através de um equipamento micro controlado. Elaborou-se uma estrutura mecânica composta de três eixos cartesianos (X, Y, Z) que são movimentados por motores de passo. O aciona-mento dos motores é comandado por um software que realiza a troca de informações com um microcontrolador através de uma interface USB.
PALAVRAS-CHAVE: Motor de Passo, USB, Circuito Impresso, Fresagem, Microcontrola-dor.
device. We developed a mechanical structure composed by three Cartesian axes (X, Y, Z) which are moved by stepper motors. The triggers of the engines are controlled by software that performs the exchange of information with a microcontroller through a USB interface.
Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router ... 18
Figura 4 - Fresadora IEC 3030 ... 19
Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R. ... 23
Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M. ... 23
Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido. ... 24
Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido ... 24
Figura 9 - Motor de passo unipolar. ... 25
Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar ... 25
Figura 11 - Motor de passo bipolar ... 26
Figura 12 - Esquema circuito Ponte H ... 26
Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase ... 27
Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases ... 28
Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo ... 29
Figura 16 - Drive L/R ... 30
Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor ... 31
Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR ... 32
Figura 19 - Modo de acionamento por comutação ... 32
Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento ... 33
Figura 21 - Topologia USB ... 35
Figura 22 - Modelos de conectores USB ... 38
Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber ... 40
Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo Eagle... 41
Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto ... 43
Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação ... 44
Figura 27 - Imagem CAD eixo X ... 45
Figura 28 - Imagem CAD eixo Y ... 46
Figura 29 - Imagem CAD eixo Z... 47
Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X ... 47
Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem ... 48
Figura 32 - Motor de passo NEMA 23KM-C051-07V ... 49
Figura 33 - Micro retífica ... 49
Figura 34 - Esquema elétrico da Placa Controladora ... 50
Figura 35 - Diagrama pinos de conexão ... 52
Figura 36 - Esquema elétrico Placa Driver ... 53
Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297 ... 55
Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante ... 55
Figura 39 - Estrutura interna do CI L297 ... 56
Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step... 57
Figura 41 - Sequência de passos do tradutor modo two-phase-on full ... 57
Figura 42 - Sequência de passos do tradutor modo one-phase-on full ... 57
Figura 43 - Circuito chopper ... 58
Figura 44 - Disposição dos pinos do L298 ... 59
Figura 45 - Diagrama interno do L298 ... 59
Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor ... 60
Figura 47 - Esquema elétrico Placa Relé ... 62
Figura 53 - Formulário Principal ... 67
Figura 54 - Configuração ... 67
Figura 55 - Fresar Circuito ... 68
Figura 56 - Controle Manual ... 69
Figura 57 - Fluxograma da etapa de conversão do arquivo Gerber ... 70
Figura 58 - Etapas de fresamento do circuito ... 71
Figura 59 - Fluxograma geral do firmware PIC.USB ... 74
Figura 60 - Fluxograma geral do firmware PIC.CPU ... 75
Figura 61 - Reconhecimento automático do firmware... 78
Figura 62 - Novo driver instalado ... 79
Figura 63 - Exemplo de um traçado de reta que compõe um circuito ... 80
Figura 64 - Empeno dos Carros ... 89
Figura 65 - Estrutura mecânica desenvolvida... 89
Figura 66 - Protótipo placa controladora ... 90
Figura 67 - Protótipo placa reguladora ... 90
Figura 68 - Protótipo placa driver ... 91
Figura 69 - Protótipo placa relé ... 91
Figura 70 - Protótipo placa sensor ... 91
Tabela 3 - Especificações IEC 3030 ... 19
Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC ... 34
Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC ... 34
Tabela 6 - Componentes da placa controladora... 51
Tabela 7 - Componentes da placa driver ... 54
Tabela 8 - Componentes da placa sensor... 61
Tabela 9 - Componentes da placa relé ... 62
Tabela 10 - Componentes da placa reguladora ... 65
Tabela 11 - Protocolo de comunicação ... 72
Tabela 12 - Lista dos principais matérias para o sistema mecânico ... 84
Tabela 13 - Lista dos elementos do sistema eletromecânico ... 85
Tabela 14 - Lista dos elementos Placa Controladora ... 85
Tabela 15 - Lista dos elementos Placa Driver ... 86
Tabela 16 - Lista dos elementos Placa Reguladora ... 86
Tabela 17 - Lista dos elementos Placa Sensor ... 87
Tabela 18 - Lista dos elementos Placa Relé ... 87
Tabela 19 - Outros elementos ... 87
CI - Circuito integrado CN - Comando Numérico CAD - Computer-aided design
CAM - Computer-aided manufacturing system CDC - Communications Device Class
CNC - Comando numérico computadorizado FET - Field-effect transistor
FTP - File Transfer Protocol GND - Ground
GNU - General Public License HID - HumanInterface Device
HTTP - HyperText Transfer Protocol Secure IP - Internet Protocol
ISO - International Organization for Standardization LED - Light-emitting diode
MSD - Mass Storage Device Class PCI - Placa de circuito impresso
PIC - Programmable Interface Controller PID - Product ID
PWM - Pulse-width modulation RAM - Random Access Memory ROM - Read Only Memory RPM - Rotações por minuto
TCP - Transmission Control Protocol USB - Universal Serial Bus
USP - Universidade de São Paulo VID - Vendor ID
2.1 Objetivo geral ... 15
2.2 Objetivos específicos ... 15
3 Referencial Teórico ... 16
3.1 Tecnologia CNC ... 16
3.2 Trabalhos relacionados ... 16
3.3 Produtos existentes no mercado ... 17
3.4 Aspectos mecânicos ... 19
3.4.1 Forças de usinagem ... 19
3.4.2 Estrutura ... 20
3.4.3 Transmissão dos movimentos ... 20
3.4.4 Tipos de motores ... 20
3.4.5 Sistemas de acoplamento ... 21
3.5 Aspectos eletrônicos ... 21
3.5.1 Motor de passo ... 21
3.5.2 Tipos de Motores de Passo ... 22
3.5.3 Controle de corrente ... 30
3.5.4 Microcontroladores ... 33
3.5.5 Universal Serial Bus (USB) ... 34
3.6 Aplicativos de comando numérico ... 39
3.6.1 Programas de comando numérico (CN) ... 39
3.6.2 Padrão Gerber ... 40
4 Metodologia e Desenvolvimento ... 42
4.1 Detalhamento do sistema mecânico ... 43
4.1.1 Estrutura de sustentação ... 44
4.1.2 Eixo X ... 44
4.1.3 Eixo Y ... 45
4.1.4 Eixo Z ... 46
4.1.5 Suporte Micro Retífica; ... 46
4.1.6 Área de trabalho... 47
4.2 Detalhamento do sistema eletromecânico ... 48
4.2.1 Motor de passo ... 48
4.2.2 Micro Retífica ... 49
4.3 Detalhamento do Hardware... 49
4.3.5 Fonte de alimentação ... 63
4.3.6 Placa Reguladora de tensão ... 63
4.3.7 Diagrama de interligação dos módulos eletrônicos ... 65
4.4 Detalhamento do Software... 66 4.4.1 Implementação do sistema... 66 4.4.2 SoftwareControlador ... 67 4.4.3 ArquivoGerber ... 69 4.4.4 Fresamento de circuitos ... 70 4.4.5 Protocolo de Comunicação ... 71 4.5 Detalhamento do Firmware... 72 4.5.1 Considerações importantes ... 73 4.5.2 PIC.USB ... 73 4.5.3 PIC.CPU ... 74 4.5.4 Biblioteca de funções... 75 4.5.5 Descritores USB ... 77 4.5.6 Bits de configuração ... 77
4.5.7 Configuração comunicação serial ... 78
4.5.8 Instalação e Funcionamento ... 78 4.6 Memória de Cálculo ... 79 4.6.1 Resolução de deslocamento ... 79 4.6.2 Velocidades de avanço ... 80 5 Recursos financeiros ... 84 5.1 Sistema mecânico ... 84 5.2 Sistema eletromecânico ... 84 5.3 Circuitos eletrônicos ... 85 6 Cronograma ... 88 7 Resultados e Conclusões ... 88 Referências ... 94 APÊNDICES ... 97
APÊNDICE A. Base da estrutura ... 97
APÊNDICE B. Pórtico ... 97
APÊNDICE C. Carros ... 98
APÊNDICE D. Flanges ... 99
APÊNDICE I. Suporte Retífica Cima ... 102
APÊNDICE J. Buchas de deslizamento ... 103
APÊNDICE K. Buchas Rosca M14-MA ... 103
APÊNDICE L. Layer para confecção da Placa Controladora ... 104
APÊNDICE M. Máscara da Placa Controladora ... 104
APÊNDICE N. Layer Bottompara confecção da Placa Driver ... 105
APÊNDICE O. Layer Top para confecção da Placa Driver ... 105
APÊNDICE P. Máscara da Placa Driver ... 106
APÊNDICE Q. Layer para confecção da Placa Sensor ... 106
APÊNDICE R. Máscara da Placa Sensor ... 106
APÊNDICE S. Layer para confecção da Placa Relé ... 107
APÊNDICE T. Máscara da Placa Relé ... 107
APÊNDICE U. Layer para confecção da Placa Reguladora ... 107
1 INTRODUÇÃO
A utilização de placas de circuito impresso como suporte aos circuitos eletrônicos trouxeram diversas vantagens para a área da eletrônica, como o baixo peso e volume, monta-gem simplificada e organizada, mais robusta e resistente a vibrações, entre outras.
O termo circuito impresso refere-se ao desenho, conhecido como layout , que fica es-tampado na placa de face metalizada colocada sobre um material isolante rígido, geralmente é empregado fibra de vidro ou fenolite, substituindo a fiação de interligação dos componentes eletroeletrônicos do circuito através de trilhas com seus devidos dimensionamentos. O dimen-sionamento das trilhas é realizado pelo projetista do circuito e o desenho por aplicativos espe-cíficos, cita-se alguns como Eagle,OrCAD,Tango, Circuit Maker , etc.
Atualmente a confecção das placas de circuito impresso em ambientes acadêmicos e por hobistas para criação de protótipos é feita de maneira manual utilizando tinta permanente
e um processo de corrosão por Percloreto de Ferro. Seja qual o método de desenho do circuito utilizado, todos demandam alguns passos para sua confecção, salvo pequenas variações, são eles:
• Corte da placa no tamanho específico; • Limpeza da placa;
• Traçagem do circuito desejado; • Corrosão;
• Furação;
• Limpeza final.
Este trabalho manual necessita de inúmeros equipamentos dependendo do método adotado como foto cópia do circuito, carbono, papel especial, caneta para retroprojetor, im- pressora laser, ferro de passar roupa ou pressa térmica, além de requerer certa habilidade do desenvolvedor do projeto, pois repassar o circuito desenvolvido nos aplicativos de desenho específicos com precisão e rapidez é onde se encontram as maiores dificuldades técnicas.
A parte do processo onde certamente poderão ocorrer mais falhas e inconvenientes é a corrosão, pois o processo químico é demorado, perigoso e quase sempre a espessura original da trilha é adulterada, comprometendo o funcionamento do circuito.
Com base nessas dificuldades propõe-se o desenvolvimento de um sistema ( hardwa-re/ software) para a confecção automatizada de protótipos de circuitos impressos.
O sistema consiste em uma máquina baseada no conceito de controle numérico com- putadorizado (CNC). O uso de CNC é uma forma de automação para o problema que traz
vantagens, como a repetibilidade e precisão na confecção dos protótipos, privando o trabalha-dor de atividades desgastantes. Um equipamento para estes fins possui valor de mercado da ordem de mais de U$ 6.000,00.
O presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma fresadora automatizada para a confecção de placas de circuito impresso. A estrutura mecânica será baseada em uma estrutu-ra metálica com movimentação em três eixos (X, Y e Z), a movimentação destes eixos será feita partir de motores de passo. Estes serão controlados por um microcontrolador que recebe-rá de um microcomputador os devidos dados das trilhas a serem desgastadas, via uma interfa-ce de comunicação USB. O controle será realizado através de um software a ser implementa-do especificamente para este fim.
Este tipo de equipamento não é uma novidade e já foi desenvolvido em vários ambien-tes acadêmicos, como exemplo cita-se o Projeto da USP visto na Figura 1.
Figura 1 - Mini Fresa CNC construída por alunos de Engenharia Mecatrônica da USP
Fonte: Bardelli, 2012
Outro fator importante para a escolha do projeto vem do seu caráter multidisciplinar, aplicando conhecimentos adquiridos ao longo da graduação em Engenharia da Computação, consolidando-os, propiciando a oportunidade de desenvolver e aprimorar a capacidade de coletar várias informações, sintetizando-as no desenvolvimento de um produto ou solução para um problema.
2 OBJETIVOS
Para que a proposta deste trabalho seja atendida deve se atentar para os objetivos apre-sentados abaixo.
2.1 Objetivo geral
Desenvolver um sistema automatizado de baixo custo para prototipagem de placas de circuito impresso.
2.2 Objetivos específicos
Pesquisar e desenvolver as ferramentas de hardware e software para o sistema propos-to.
I. Software
• Desenvolver um aplicativo de controle via interface USB do microcomputador;
• Implementar rotinas de tratamento de formato de arquivos padrões para manufatura de
circuitos impressos, exemplo: Gerber ;
• Implementar firmware com funções de posicionamento dos eixos, acionamento dos
motores de passo, leitura dos sensores ópticos e acionamento da micro retífica.
II. Hardware
• Construir a estrutura mecânica do sistema;
• Desenvolver um circuito microcontrolador, circuitos de acionamento dos motores,
cir-cuitos dos sensores e circuito de acionamento da micro retífica;
• Desenvolver os demais circuitos necessários para o funcionamento dos circuitos
3 REFERENCIAL TEÓRICO
Para desenvolver este projeto se faz necessário o estudo de vários assuntos, cada um possuindo diferentes soluções e características para atender as necessidades do projeto. Tais características devem ser ponderadas para se chegar a uma solução final. Os itens seguintes contextualizam o funcionamento básico de uma máquina-ferramenta CNC, na qual se baseia o projeto, bem como alguns conceitos para o entendimento do processo.
3.1 Tecnologia CNC
Computer Numeric Control (CNC), que em português significa Controle Numérico Computadorizado, surgiu em uma pequena empresa chamada " Parsons Corporation" que produzia hélices e rotores de helicóptero. Em 1947 desenvolveu uma forma simples de
reali-zar o controle de uma maquina de usinagem através de números, ligando-a a um microcompu-tador onde eram inseridas instruções através de cartões perfurados.
Com a divulgação do projeto a força aérea americana visualizou que a fabricação de materiais bélicos poderia ter grande avanço utilizando tal tecnologia e contratou a Parsons, patrocinando estudos e adaptações de controle numérico para máquina-ferramenta
convencio-nal. Assim foi criado o primeiro protótipo de uma máquina que utilizava tecnologia CNC a- presentado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1953 (Henry Dan Falk, 2003).
A fresadora CNC possui as mesmas características de uma convencional, porém ela possui um controlador numérico que realiza o controle da máquina. O controle é realizado
simultaneamente entre os eixos da máquina por códigos específicos escritos em um arquivo de computador. Na estrutura desses arquivos encontramos um sistema de coordenadas cartesi-anas para elaboração de qualquer perfil geométrico (Silva, 2005).
Graças à tecnologia CNC, foi possível produzir peças de extrema complexidade e grande precisão, principalmente quando associados a aplicativos específicos para o projeto do layout de peças (Silva, 2005).
3.2 Trabalhos relacionados
Trento e Pilato (2010) apresentam o desenvolvimento de uma fresadora de baixo cus-to, comparadas a soluções de mercado, com a finalidade de Prototipagem de placas de circuito impresso. No projeto proposto foi desenvolvida uma interface microcontrolada que recebe informações de um arquivo G-Code diretamente de um pen drive.
Filho (2008) realiz conceitos fundamentais so motores de passo, servo m controle para uma mesa d pressos, polimerização a la Cristo (2009) desen so via porta paralela de u O projeto desenvolvido ob de dos motores, capacidad capacidade de armazenar gem.
3.3 Produtos existentes
Existem diversos ti alguns exemplos destes eq vam de analise ao projeto a
• Fresadora LPKF P AG e criada para a mostra o produto: A Tabela 1 apresen Área de trabalho (X Interface de comu Resolução Velocidade de fres
ou um estudo sobre Controle Numérico, o bre o Comando Numérico bem como carac
otores e encoders. Em seu projeto foi desen coordenadas para aplicações como a conf er e corte de chapas a água.
volveu uma metodologia que realiza o contr microcomputador para ser utilizada em pr eve resultados importantes como precisão n e de armazenagem para configurações diver comandos manuais, possibilitando a progra
no mercado
pos de máquina-ferramenta CNC, os itens ipamentos bem como suas características p ser desenvolvido.
otoMat S103 - produzida pela empresa PK produção de protótipos de placas de circuit
Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103
Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012 a as principais especificações do produto: Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103
/ Y / Z) (229 x 305 x
icação US
0.5
amento 150
de são abordados os terísticas técnicas dos olvido um sistema de cção de circuitos
im-le de motores de pas-cessos de automação. controle da velocida-sas dos equipamentos, mação por
aprendiza-ubsequentes mostram ara que mais tarde
sir-Laser & Electronics impresso, a Figura 2
38)
Velocidade do motor 0-100000
Potência do motor 450
Diâmetro da broca 1/8”
Alimentação 90/240
Preço US$25.000,00
Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012
• Fresadora SHG0404 CNC Router - produzida pela empresa chinesa Exciteche criada
para corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 3 mostra o produto: Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router
Fonte: Excitech, 2012
A Tabela 2 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 2 - Especificações SHG0404 CNC Router
Área de trabalho (X / Y / Z) (400 x 400 x 100)
Interface de comunicação USB
Resolução < 0.01 Velocidade de fresamento 300/ Velocidade do motor 6000-24000 Potência do motor 800 Peso 150 Alimentação 220 Preço US$12.000,00 Fonte: Excitech, 2012
• Fresadora IEC 3030 - produzida pela empresa IEHK Laser and CNC Systems Co. Ltd.
criada para o roteamento e perfuração de placas de circuito impresso e também para usinagem de materiais macios corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 4 mostra o pro-duto:
Figura 4 - Fresadora IEC 3030
Fonte: ICHK, 2012
A Tabela 3 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 3 - Especificações IEC 3030
Área de trabalho (X / Y / Z) (300 x 300 x 100)
Interface de comunicação Porta paralela (LTP)
Resolução 0.01 Velocidade de fresamento 1000/ Velocidade do motor 0-20000 Potência do motor 800 Alimentação 220 Preço US$6.200,00 Fonte: ICHK, 2012 3.4 Aspectos mecânicos
Assim como é importante definirmos os objetivos da nossa fresadora também é preci-so estar atento aos aspectos mecânicos envolvidos na concepção projeto. Este capítulo aborda alguns dos aspectos mais importantes para o desenvolvimento do projeto.
3.4.1 Forças de usinagem
Primeiramente deve-se estimar as forces de usinagem, feito isso é possível estimar qual será a velocidade de avanço, rotação da ferramenta, tipo de corte e a rigidez da estrutura a ser usada, estruturas pouco rígidas tendem a se deformar e consequentemente afetam a pre-cisão da máquina (Bardelli, 2005).
É com base nos parâmetros de corte que serão ajustados os parâmetros que definem a rigidez que a estrutura necessita, são eles (Santos, 2003):
• Rotação da ferramenta; • Diâmetro da ferramenta; • Velocidade de avanço;
• Velocidade de corte; • Tipo de corte.
3.4.2 Estrutura
A escolha da estrutura da máquina deve ser realizada de maneira a ser o mais rígida possível e com o menor peso, sendo capaz de suportar os esforços exigidos durante o processo de fresagem. Outro fator importante a se considerar refere-se à geometria da máquina que deve privilegiar o movimento de menores massas garantindo maiores velocidades de deslo-camento e menores vibrações (Bardelli, 2005).
Idealmente uma máquina precisa ser projetada de forma que a estrutura atenda no mí-nimo os seguintes critérios (Santos, 2003):
• Rigidez da estrutura deve ser elevada, se possível em sistema estrutural monobloco; • Elevada precisão nos deslocamentos;
• Peso reduzido;
• Partes móveis com menos peso; • Alta capacidade de amortecimento; • Estabilidade térmica da estrutura.
3.4.3 Transmissão dos movimentos
Os elementos desta categoria influenciam diretamente na precisão dos movimentos do conjunto do equipamento. Quanto aos tipos de elementos, encontram-se máquinas que possu-em transmissão através de fuso de esfera de alta precisão, máquinas com elpossu-ementos de trans-missão por correias planas ou dentadas que ficam acopladas ao eixo do motor e também exis-tem outras que utilizam barras roscadas padrão M ou cremalheiras de medição (Bardelli, 2005).
3.4.4 Tipos de motores
Atualmente uma máquina-ferramenta CNC pode ser movimentada por diferentes tipos de motores como os motores lineares, motores de corrente contínua com um sensor óptico encoder , servo motores e motores de passo (Bardelli, 2005).
Os motores de passo são transdutores que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos denominados passos estes motores oferecem vantagens em relação aos outros tipos quando se deseja construir uma máquina de baixo custo, facilidade para implementar o
con-trole, além de serem mais baratos. Porém, nessa categoria de motores, existem algumas des-vantagens como velocidade limitada e a indução de vibrações (Stoeterau, 2004).
3.4.5 Sistemas de acoplamento
A função do sistema de acoplamento é garantir que a força o sentido e a velocidade de rotação entregue pelo motor ao eixo seja transmitido ao sistema de transmissão de um eixo da máquina-ferramenta sem que haja perda ou garantir um mínimo de perda admissível (Bardelli, 2005).
A transmissão mecânica do movimento pode ser realizada entre eixos coaxiais (em- breagens, articulações) e não coaxiais (polias e correias ou correntes, rodas de fricção e
en-grenagens) (Stoeterau, 2004).
Para uma máquina ferramenta CNC que utiliza sistemas de eixos coaxiais, o mais in-dicado é utilizar sistemas de acoplamento elásticos, pois eles permitem uma compensação dos erros de alinhamento dos eixos através de deslocamentos relativos. Já para sistemas não coa-xiais, o mais indicado é a utilização de acoplamentos por correias dentadas e polias (Bardelli, 2005).
3.5 Aspectos eletrônicos
Nesta secção é apresentada uma breve abordagem sobre os componentes eletrônicos que realizam a interface entre o aplicativo de controle e o equipamento.
3.5.1 Motor de passo
Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que tem como função converter impulsos elétricos em movimentos mecânicos discretos. O eixo de um motor de passo gira em incrementos discretos quando são aplicados comandos de impulsos elétricos na sequência correta de acionamento das suas bobinas. O modo como é feito a aplicação dos impulsos elé-tricos influencia diretamente na rotação dos motores de passo. A sequência dos impulsos de-termina a direção de rotação do eixo do motor. A velocidade de rotação está diretamente rela-cionada com a frequência dos impulsos de entrada e o comprimento da rotação está direta-mente relacionado com o número de impulsos aplicados (Kuo, 1974). As principais vantagens do uso de motores de passo são:
• O ângulo de rotação do motor é proporcional ao impulso de entrada.
• Possuem um posicionamento preciso e boa repetibilidade dos movimentos, uma vez
que bons motores de passo têm um erro de precisão de 3 a 5% de um passo para outro e este erro não é acumulativo.
• Excelente tempo de resposta para iniciar, parar e reverter.
• Vida útil longa, pois não existem escovas de contato no motor. Por conseguinte, a vida
útil do motor depende apenas da vida útil do rolamento.
• Uma das vantagens mais importantes de um motor de passo é a sua capacidade em ser
controlado com precisão por um sistema em malha aberta. Isso significa que nenhuma informação de feedback sobre a sua posição é necessária. Eliminando assim a necessi-dade de dispositivos de detecção e retorno que são caros, como codificadores ópticos. Sua posição é conhecida simplesmente por manter o controle dos impulsos de entrada.
• É possível atingir uma velocidade muito baixa de rotação síncrona com uma carga
a-coplada diretamente ao eixo do motor.
• Uma vasta gama de velocidades de rotação pode ser realizada, pois ela é proporcional
à frequência dos impulsos de entrada.
Dentre as principais desvantagens dos motores de passo cita-se:
• Ressonâncias se não forem devidamente controladas poderão ocorrer.
• Não é fácil operar motores de passo em velocidades muito altas (Kenjo, 1986).
3.5.2 Tipos de Motores de Passo
Os motores de passo podem ser classificados quanto a sua estrutura de funcionamento por três formas que serão descritas nas subseções a seguir.
3.5.2.1 Relutância variável (V.R.)
É o tipo de motor de passo mais antigo. Do ponto de vista estrutural é provavelmente o mais fácil de entender. Este tipo de motor é composto por um rotor de ferro multi dentado e um estator bobinado. Ao energizar as bobinas com corrente contínua os pólos se magnetizam e assim a rotação ocorre pela atração dos dentes do rotor pelos pólos do estator que está ener-gizado (Souza, 2007). A Figura 5 apresenta a seção transversal de um típico motor de relutân-cia variável.
Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R.
Fonte: Stepper Motor Basics, 2012
3.5.2.2 Ímã permanente (P.M.)
Como o nome sugere motores deste tipo possuem ímãs permanentes adicionados a sua estrutura e são conhecidos por serem de baixo custo e por possuírem ângulos de rotação bai-xos, que estão tipicamente na faixa de 7.5º até 15º. O seu rotor não possui vários dentes como os motores de relutância variável, em vez disso o rotor é magnetizado com a alternância de pólos norte e sul situado numa linha reta paralela ao eixo do rotor. Os pólos magnetizados do
rotor proporcionam uma intensidade do fluxo magnético maior e por isso os motores de ímã permanente possuem melhores características de torque quando comparados a motores de relutância variável. Ao energizar as bobinas do motor o rotor irá tentar superar o seu torque de retenção, fazendo com que ele gire até que fique alinhado com o campo magnético no estator.
Para que o motor gire, é necessário que as bobinas sejam alimentadas em uma sequên-cia correta e também é possível obter o controle de velocidade e rotação (Cunha, 1983). A Figura 6 apresenta o princípio de funcionamento da estrutura de um motor de passo ímã per-manente.
Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M.
3.5.2.3 Motores Híbridos
Este tipo de motor de passo, Figura 7, possui um custo mais elevado quando compara-dos aos outros dois tipos já descritos, porém, oferece desempenho superior com relação ao torque, velocidade e resolução (ângulos de rotação na faixa entre 0.9º a 3.6º) é de longe o mais utilizado em aplicações industriais. O termo híbrido é proveniente do fato de que o mo-tor combina as melhores características operacionais de ambos os tipos de momo-tores de passo já descritos anteriormente. O rotor é multi dentado como o motor de relutância variável e con-tém um ímã magnetizado axialmente concêntrico em torno do seu eixo (Cunha, 1983). A for-ma como é construída a estrutura do estator de um motor hibrido é essencialmente a mesfor-ma que a de um motor V.R., porém, a diferença entre eles é que no motor híbrido existem duas fases por bobina no mesmo pólo, conhecida como conexão bifilar, enquanto em um motor V.R. há somente uma fase por bobina em um pólo (Kenjo, 1986).
Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido.
Fonte: Stepper Motor Basics, 2012
A principal característica deste motor são as duas peças de pólo multi dentadas presen-tes na estrutura de seu rotor. Entre elas há um ímã permanentemente magnetizado em paralelo com o eixo do rotor, criando em uma das extremidades do rotor um pólo norte e na outra ex-tremidade um pólo sul. Existe uma defasagem nas exex-tremidades sul e norte entre os dentes presentes no rotor como mostra a Figura 8 (Souza, 2007).
Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido
Fonte: Kenjo, 1986
3.5.2.4 Modos de Operação dos Enrolamentos
O modo como é realizada a operação de alimentação das bobinas em um motor de passo pode ser feita de duas formas, que serão discutidas nas subseções a seguir.
3.5.2.4.1 Alimentação Unipolar
Facilmente de serem identificados pelo fato de possuírem uma derivação central em cada uma das bobinas, assim, o número de fases será sempre o dobro do número de bobinas, pois cada bobina encontra-se dividida em duas. A Figura 9 apresenta a estrutura de um motor
de passo com acionamento unipolar de quatro fases.
Figura 9 - Motor de passo unipolar.
Fonte: Laboratório de garagem, 2012
Geralmente, a derivação no centro de cada enrolamento é ligada ao positivo da fonte de alimentação, já os extremos de cada enrolamento encontram-se ligados alternadamente à conexão de terra do circuito para que ocorra a inversão da direção do campo magnético gera-do por cada um gera-dos enrolamentos.
É mais comum de se encontrar este tipo de acionamento para motores de relutância va-riável, pois o conjugado não depende da direção da corrente nas suas fases.
A única vantagem mais relevante em se optar pela utilização da alimentação unipolar é o fato da necessidade de um circuito de chaveamento simplificado (Figura 10), podendo ser implementado facilmente utilizando componentes discretos. Porém a desvantagem mais evi-dente é devida ao fato da presença do enrolamento bifilar duplo. Isto significa que em alguns tipos de bobinas o diâmetro da espira pode ser muito fino tornando a resistência muito alta, podendo haver assim elevadas perdas de energia em motores maiores (Hopkins, 2012).
Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar
3.5.2.4.2 Alimentação Bipolar
Desvantagem em utilizar o acionamento unipolar é o devido fato de não ser possível utilizar todas as bobinas do motor. O fluxo de corrente sempre ocorrera em apenas metade de cada enrolamento. Se ao invés disso, ambas as partes do enrolamento forem utilizadas, deduz-se então que irá ocorrer um aumento da corrente que percorre a bobina gerando a mesma dis-sipação de energia produzida pelo modo unipolar, tais características iram elevar o conjugado produzido pelo motor. Este tipo de acionamento que possibilita tal feito é chamado de acio-namento bipolar. O termo advém do fato em que a corrente que percorre as bobinas pode ser revertida através da alternância da polaridade em seus terminais (Hopkins, 2012).
Os motores bipolares (Figura 11) são formados por dois enrolamentos separados, estes devem ser alimentados com o fluxo de corrente em direções opostas para permitir o avanço do passo. Para que seja feito, os motores que possuem este modo de operação devem possuir um controlador capaz de inverter a polaridade da tensão nos enrolamentos seguindo uma sequên-cia própria de alimentação dos seus terminais para cada tipo de motor, procedimento que é obtido através de um circuito Ponte H, como mostra a Figura 12. Neste circuito, a inversão da corrente se dá pelo fechamento e abertura dos transistores, que funcionam como chaves, de forma apropriada. Para realizar o acionamento das duas bobinas presentes no motor, é preciso que haja dois deste circuito (Hopkins, 2012).
Figura 11 - Motor de passo bipolar
Fonte: Laboratório de garagem, 2012 Figura 12 - Esquema circuito Ponte H
Conclui-se que a vantagem do circuito bipolar é que há apenas um enrolamento, com Conclui-se que a vantagem do circuito bipolar é que há apenas um enrolamento, com baixo
baixo valor valor da da resistência resistência do do enrolamento. enrolamento. A A principal principal desvantagem é desvantagem é o o circuito circuito de de aciona- aciona-mento mais complexo, este necessita de dois comutadores para cada fase. Isto é conseguido mento mais complexo, este necessita de dois comutadores para cada fase. Isto é conseguido através de um circuito conhecido como ponte-H completo para cada fase, necessariamente através de um circuito conhecido como ponte-H completo para cada fase, necessariamente requerendo mais transistores que a configuração unipolar.
requerendo mais transistores que a configuração unipolar.
O circuito unipolar necessita apenas de um comutador, implementado com dois O circuito unipolar necessita apenas de um comutador, implementado com dois tran-sistores para o GND, para cada fase. Sua maior desvantagem, contudo, que um enrolamento sistores para o GND, para cada fase. Sua maior desvantagem, contudo, que um enrolamento bifilar
bifilar duplo duplo é é necessário. Isto necessário. Isto significa significa que, que, área área da da secção é secção é menor menor e e a a resistência é resistência é muitomuito maior. As dificuldades vão ser discutidas neste t
maior. As dificuldades vão ser discutidas neste trabalho.rabalho.
Motores unipolares ainda hoje são populares para aplicações de baixo desempenho, Motores unipolares ainda hoje são populares para aplicações de baixo desempenho, pois
pois o o circuito circuito de de acionamenacionamento to é é mais mais simples simples podendo podendo facilmente facilmente ser ser implementado implementado comcom dispositivos discretos. No entanto, com os circuitos integrados disponíveis hoje em dia, é dispositivos discretos. No entanto, com os circuitos integrados disponíveis hoje em dia, é pos-sível desenvolver controladores de motores bipolares com poucos componentes, assim como sível desenvolver controladores de motores bipolares com poucos componentes, assim como os motores unipolares.
os motores unipolares.
3.5.2.5
3.5.2.5 Modos de AcionamentoModos de Acionamento
Seja qual for o tipo de alimentação a ser utilizado, o acionamento das bobinas de um Seja qual for o tipo de alimentação a ser utilizado, o acionamento das bobinas de um motor de passo pode ser
motor de passo pode ser realizado por quatro tipos distintos, realizado por quatro tipos distintos, que serão apresentados a seguir.que serão apresentados a seguir.
3.5.2.5.1
3.5.2.5.1 Passo completo de única excitação por fasePasso completo de única excitação por fase Neste modo de operaç
Neste modo de operação apenas uma fase do moão apenas uma fase do motor é energizada por vez, fazendo ctor é energizada por vez, fazendo comom que a posição de equilíbrio de cada fase seja comum à posição de equilíbrio dos ímãs. Para que a posição de equilíbrio de cada fase seja comum à posição de equilíbrio dos ímãs. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada Figura 13. Nota-se que para esta sequência o rotor gira fases na forma sequencial apresentada Figura 13. Nota-se que para esta sequência o rotor gira no sentido anti-horário, para a reversão basta apenas inverter a sequência, esta informação no sentido anti-horário, para a reversão basta apenas inverter a sequência, esta informação também é valida para os
também é valida para os todos os modos que serão descritos a todos os modos que serão descritos a seguir. (Hopkins, 2012).seguir. (Hopkins, 2012). Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase
Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase
Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo. Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo.
Sua principal vantagem é o fato deste modo de acionamento consumir menos energia Sua principal vantagem é o fato deste modo de acionamento consumir menos energia que os outros tipos, porém, sua desvantagem é que para motores unipolares apenas 25% do que os outros tipos, porém, sua desvantagem é que para motores unipolares apenas 25% do total de enrolamentos são utilizados em um dado instante de tempo e para motores bipolares total de enrolamentos são utilizados em um dado instante de tempo e para motores bipolares apenas 50%, o que resulta em uma menor produção de torque. Outro problema grave é a apenas 50%, o que resulta em uma menor produção de torque. Outro problema grave é a pos-sibilidade da existência de ressonância quando o motor estiver
sibilidade da existência de ressonância quando o motor estiver em baixas velocidades.em baixas velocidades.
3.5.2.5.2
3.5.2.5.2 Passo completo com excitação de duas fasesPasso completo com excitação de duas fases
Este tipo de acionamento ocorrerá quando duas fases forem alimentadas em um Este tipo de acionamento ocorrerá quando duas fases forem alimentadas em um mes-mo instante. Para que o mes-motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de mo instante. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a Figura 14.
alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a Figura 14.
. O tamanho do deslocamento do passo é o mesmo que no modo descrito . O tamanho do deslocamento do passo é o mesmo que no modo descrito anteriormen-te, porém, a posição mecânica não é
te, porém, a posição mecânica não é a mesma. Esta posição é deslocada de a mesma. Esta posição é deslocada de metade de um pas-metade de um pas-so completo, conforme a Figura 14
so completo, conforme a Figura 14 (Kenjo, 1986).(Kenjo, 1986).
Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases
Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo
A principal vantagem deste modo de acionamento está relacionada ao bom torque A principal vantagem deste modo de acionamento está relacionada ao bom torque pro-duzido e apresenta baixa ressonância quando o motor estiver em baixa velocidade. O torque duzido e apresenta baixa ressonância quando o motor estiver em baixa velocidade. O torque prove aproximadamente 30 a 40% mais que a excitação única, em contrapartida, será prove aproximadamente 30 a 40% mais que a excitação única, em contrapartida, será
requeri-do o requeri-dobro de potência da fonte (Kenjo, 1986). do o dobro de potência da fonte (Kenjo, 1986).
3.5.2.5.3
3.5.2.5.3 Meio passoMeio passo
Pode ser obtido através de uma combinação dos modos descritos anteriormente Pode ser obtido através de uma combinação dos modos descritos anteriormente ope-rando-os de forma alternada, como resultados tem-se o deslocamento do passo reduzido a rando-os de forma alternada, como resultados tem-se o deslocamento do passo reduzido a metade de um passo completo. A resolução do total de
metade de um passo completo. A resolução do total de passos do motor dobra, porém o torquepassos do motor dobra, porém o torque deixa de ser uniforme para cada passo. Devido à operação de forma alternada dos modos de deixa de ser uniforme para cada passo. Devido à operação de forma alternada dos modos de única excitação e dupla excitação. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja única excitação e dupla excitação. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a
Figura 15, que agora passa a possuir oito
Figura 15, que agora passa a possuir oito passos, e não quatro como nos modos descritos ante-passos, e não quatro como nos modos descritos ante-riormente.
riormente.
Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo
Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo
Uma observação importante a se fazer sobre os diagramas dos modos de acionamento Uma observação importante a se fazer sobre os diagramas dos modos de acionamento apresentados é que o termo
apresentados é que o termo ON ON ee OFF OFF se referem a motores de passo unipolares, e os símbo-se referem a motores de passo unipolares, e os símbo-los + e -
los + e - se referem a motores de passo bipolares.se referem a motores de passo bipolares.
3.5.2.5.4
3.5.2.5.4 MicropassoMicropasso
Outra forma de realizar o acionamento dos motores de passo é pelo modo de Outra forma de realizar o acionamento dos motores de passo é pelo modo de micro- passo.
passo. Como Como visto visto anteriormente, anteriormente, ao ao energizar energizar as as duas duas fases fases de de um um motor motor com com correntes correntes i- i-guais são obtidas posições intermediárias localizadas exatamente na metade das posições guais são obtidas posições intermediárias localizadas exatamente na metade das posições quando há uma única fase acionada, obtendo o deslocamento de meio p
quando há uma única fase acionada, obtendo o deslocamento de meio passo. Caso sejam apli-asso. Caso sejam apli-cadas correntes diferentes nas duas fases, é de se esperar que a posição do rotor desloque em cadas correntes diferentes nas duas fases, é de se esperar que a posição do rotor desloque em direção ao pólo mais forte. Tal feito é utilizado no modo de acionamento denominado direção ao pólo mais forte. Tal feito é utilizado no modo de acionamento denominado
micro- passo, que basicamente subdivide o passo completo do motor em uma escala proporcional à corrente presente nas duas bobinas. Desta forma, o deslocamento do passo será menor e quando o motor estiver em baixas velocidades à suavidade dos movimentos será melhorada.
Tal técnica é recente e requer cuidados no projeto. Um micropasso preciso aumenta a exigência de precisão de controle da corrente no motor, particularmente com baixos níveis de corrente. Um pequeno desequilíbrio de fase, que geralmente não produz grandes influências quando o motor está operando no modo de meio passo, poderá produzir graves erros de posi-cionamento quando utilizado o modo de micropasso (Tecnologia eletromecânica, 2006).
3.5.3 Controle de corrente
Em um motor de passo, a corrente do motor é determinada principalmente pela tensão de acionamento e a impedância do motor (resistência e indutância). Uma topologia de acio-namento simples e popular é feita através do fornecimento de tensão necessária, utilizando a resistência interna (RL) do enrolamento para limitar a corrente. Para simplificar, o único FET na Figura 16, Figura 18 e Figura 19 representam tanto o FET quanto um diodo para motores unipolares ou uma combinação de duas chaves diagonais de uma Ponte H completa para o acionamento de motor de passo bipolar. Em um motor típico com 5V e 1A sobre cada uma de suas bobinas significa que, com um acionamento de 5V a corrente resultante será de 1A, o que corresponde a ter uma resistência da bobina 5Ω (Hopkins, 2012).
Figura 16 - DriveL/R
Fonte: Hopkins, 2012
Como já foi discutido anteriormente, o torque do motor é, dentre outros fatores, pro- porcional à corrente nos enrolamentos. Na sequência de passo full-step, o motor altera a
pola-ridade da corrente no enrolamento no mesmo enrolamento do estator de dois em dois passos. A taxa em que ocorrem as mudanças de direção da corrente, sob a forma de uma função
ex- ponencial, dependem da indutância do enrolamento, da resistência da bobina e da tensão de acionamento. A Figura 17(A) mostra que a uma baixa taxa de passo a corrente no enrolamen-to IL atinge o seu valor nominal VL/RL antes da direção ser alterada para o passo seguinte. No entanto, em velocidades mais elevadas, a polaridade da corrente no estator é alterada a uma maior frequência e a corrente já não atinge o seu valor de saturação por causa do tempo de mudança limitado. Claramente, o pico e a área sob a forma de onda da corrente diminuem com o aumento da taxa de passo, reduzindo assim o torque e a potência. Como pode ser visto na Figura 17(B) (Hopkins, 2012).
Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor
Fonte: Hopkins, 2012
A única maneira de fazer a corrente subir mais rapidamente é ter uma tensão de acio-namento mais elevada ou ter uma menor indutância. Um método utilizado para obter o melhor desempenho é aumentar a tensão de excitação e utilizar uma resistência externa para limitar a corrente para o valor nominal do motor de passo, como mostrado na Figura 18.
. A constante de tempo exponencial é L/R de modo que aumentando a resistência di-minui-se o tempo de subida da corrente. Uma vez que a corrente assintótica é definida pela resistência interna das bobinas, a constante de tempo e a corrente podem ser ajustadas através da seleção da tensão de acionamento e da resistência externa. Esta topologia é referenciada como acionamento L/nR, e foi comummente utilizada nas primeiras impressoras. A sua des-vantagem é a dissipação de energia na resistência externa. Por exemplo, para um motor de corrente nominal de 1A a dissipação na resistência externa é de cerca de 20W (Hopkins, 2012).
Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR
Fonte: Hopkins, 2012
Necessariamente precisamos de um circuito de acionamento com baixa dissipação que proporcione rápidos tempos de subida com uma tensão de acionamento mais elevada e que limite a corrente para o valor desejado, sem a dissipação elevada associada com a resistência externa como na configuração de acionamento L/nR. Tal acionamento pode ser implementado utilizando técnicas de comutação como mostrado na Figura 19.
Figura 19 - Modo de acionamento por comutação
Fonte: Hopkins, 2012
Nesta topologia, a corrente de pico é definida pela tensão de referência e o valor da re-sistência de detecção, de modo que a cada vez que a corrente atinja o valor de pico definido, a chave é desativada para o restante do período. As perdas nesta técnica são somente a perda pela saturação do comutador, na resistência de detecção da corrente e na resistência da
bobi-na, proporcionando um rendimento total bastante elevado.
A corrente média recebida da fonte de alimentação é menor que a corrente no enrola-mento, devido ao corte. Quando o transistor está ligado, a corrente é fornecida pela fonte de alimentação, no entanto, quando o transistor está desligado a corrente recirculante é local e não há corrente fornecida pela fonte de alimentação.
Este tipo de controle de corrente de fase deve ser feito separadamente para cada fase do motor, levando a melhor relação entre a energia elétrica fornecida e a energia mecânica emitida pelos motores.
A Figura 20 compara, para um motor híbrido, o tempo de subida da corrente para as três topologias de acionamento. O acionamento L/R utiliza a tensão nominal do motor, o a-cionamento L/nR utiliza uma tensão cinco vezes a tensão nominal do motor e um resistor ex-terno igual a quatro vezes a resistência do enrolamento e para o modo de acionamento por comutação foi utilizada uma tensão de alimentação cinco vezes a tensão nominal do motor com a corrente de pico definida para a tensão nominal do motor dividido pela resistência do enrolamento, resultando em 1A. Em todos os casos, a corrente final atinge 1A, porém, a Figu-ra 20 mostFigu-ra claFigu-ramente que o tempo de subida é mais rápido nos modos de acionamento com tensão mais elevada. Este aumento mais rápido melhora significativamente o torque em taxas de passo mais elevadas.
Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento
Fonte: Hopkins, 2012 3.5.4 Microcontroladores
Microcontroladores são circuitos integrados que podem ser programados para executar tarefas específicas, são constituídos de um microprocessador, memórias e uma variedade de periféricos, dependendo do modelo escolhido. Entre os vários fabricantes de microcontrolado-res existentes, os mais conhecidos são, Atmel, Freescale, Intel, Microchip e Texas Instru-ments.
Dentre os diversos fabricantes citados acima, no mercado nacional os microcontrola-dores PIC ( Programmable Interface Controller ), fabricados pela Microchip Technology, estão disponíveis com facilidade e baixo custo em uma ampla gama de modelos que se diferenciam
pela sua arquitetura, número de portas, tamanho de memória, tanto memória de dados (RAM) quanto memória de programa (ROM), periféricos, entre outros, à Tabela 4 mostra uma peque-na comparação entre PICs com arquitetura de 8, 16 e 32 bits (PREDKO, 1998).
Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC
Arquitetura Linhas Memória de
programa Frequência de clock Desempenho (frequência máxi-ma) 8 bits
Baseline (instruções de 12 bits) 3 kB 20 MHz 5 MIPS MidRange (instruções de 14 bits) 14 kB 20 MHz 5 MIPS High Performance (PIC18F) 128 kB 64 MHz 16 MIPS
16 bits PIC24F/PIC24H 256 kB 80 MHz 40 MIPS
dsPIC30F/dsPIC33F 256 kB 160 MHz 40 MIPS
32 bits PIC32MX 512 kB 72 MHz 1,5 DMIPS/MHz
Fonte: Saber Eletrônica, 2008
Os microcontroladores PIC suportam programas que utilizem tanto linguagem de má-quina ( Assembly), ou também linguagens de alto nível, como C, C++ através do uso de com- piladores. (Pereira, 2010).
O microcontrolador será empregado para realizar o controle dos motores de passo, a-nálise dos sensores e entrada de dados via USB, assim, o modelo adotado deverá possuir um número mínimo de portas, reconhecimento de interrupções, modo de entrada de dados USB além de uma boa capacidade de processamento. Atendendo a todas estas especificações al-guns modelos de microcontrolador da família PIC podem ser adotados: PIC18F2550 e PIC18F4550, a Tabela 5 apresenta uma comparação entre as características destes dois micro-controladores.
Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC
Característica PIC18F2550 PIC18F4550
Número de pinos 28 40
Memória de programa 32 kB 32 kB
Memória RAM 2048 B 2048 B
Velocidade CPU 12 MIPS 12 MIPS
Preço de mercado R$18,98 R$20,89
Fonte: Microchip Technology Inc., 2013 3.5.5 Universal Serial Bus (USB)
Idealizado em 1995 por empresas de tecnologia, o padrão USB permite que existam até 127 equipamentos ligados a um computador através de hubs.
Atualmente a maioria dos equipamentos possui integrados a si um módulo de comuni-cação USB que se caracteriza pela facilidade de sua utilização, confiabilidade na transmissão de dados, ótima velocidade de comunicação, versatilidade que a interface proporciona, padrão de conexão Plug and Play (PnP), ou seja, é possível que um dispositivo se conecte a um com- putador sem que haja uma fonte de alimentação externa. Tais vantagens fazem com que a instalação de periféricos que utilizem o padrão USB possa ser realizada por profissionais ou leigos. Porém esta simplicidade existente para os usuários destes equipamentos não é a mes-ma para o seu desenvolvedor, como é visto a seguir, onde são apresentadas as características técnicas mais relevantes para a utilização do padrão USB (USB - Universal Serial Bus, 2007). Três módulos fazem parte de um sistema de comunicação USB: interconexão, disposi-tivo e o host .
O barramento USB é o responsável por conectar os dispositivos que suportam este pa-drão. Internamente a interconexão entre os periféricos é realizada por uma topologia estrela, disposta em níveis por camada.
Um conector, chamado de hub, é o centro de cada estrela. Para cada sistema USB e-xiste apenas um host . A implementação de seu controlador é realizada utilizando uma combi-nação entre hardwaree software.
Existem dispositivos USB do tipo Hub, utilizado como distribuidor extra para pontos de acesso à rede USB, e o tipo Funções, que disponibilizam novos recursos ao sistema, como exemplo, games, impressoras, máquinas fotográficas, etc. (Universal Serial Bus Specification, 1998). A Figura 21 apresenta a topologia USB.
Figura 21 - Topologia USB
Existem duas maneiras de se alimentar eletricamente um periférico USB, que são:
• Bus-powered , o barramento USB é quem alimenta o periférico; • Self-powered , o periférico possui alimentação externa.
O Host é o responsável pelo início e o controle das transações no barramento USB. As transações realizadas possuem até três pacotes, sendo que, a transação só irá iniciar quando o host enviar um pacote que descreva o tipo e a direção da transação, o devido endereço do pe-riférico e o número de ponto final (do inglês, endpoint ) (Universal Serial Bus Specification, 1998).
Não existe uma única forma de transferência, a especificação USB permite quatro ti- pos de transferências, que são:
• Controle (do inglês, Control ) - usado para configurar e enviar comandos, por exemplo,
da enumeração do dispositivo, adiante vamos ver o que é isso.
• Bloco (do inglês, Bulk ) - utilizado quando se é necessário uma grande transferência de
dados, é o tipo mais rápido de transferência, no entanto, não existe garantia de que os dados serão transmitidos em um determinado tempo, possui latência insegura. Este ti- po de transferência é utilizado por dispositivos como discos rígidos, pen drivers,
scan-ners, impressoras, etc.
• Assíncrona (do inglês, Isochronous) - utilizada quando é necessário haver uma
trans-ferência de dados em tempo real como na transtrans-ferência de dados que envolvam voz.
• Interrupção (do inglês, Interrupt ) - realiza a comunicação entre o periférico e o host
em um determinado tempo síncrono.
Os dispositivos USB podem utilizar mais de um modo de transferência, porém o modo Control é utilizado sempre por todos os dispositivos no processo de enumeração.
Ao se conectar um periférico ao barramento USB o host imediatamente o detectará, ao ser detectado é necessário fornecer ao host algumas informações sobre o dispositivo, a este processo se da o nome de enumeração. Tais informações estão contidas nos chamados
descri-tores do dispositivo, onde ficam armazenados dados em sua memória não volátil que incluem a seguintes informações: a identificação do fornecedor (VID) e do produto (PID), o consumo de corrente do dispositivo, o tipo de transferência utilizado, endpoint utilizado, USB versão suportada, classe usada, etc. O VID (Vendor ID) e PID ( Product ID) são dois valores de 16 bits hexadecimais.
O protocolo USB provê algumas classes que descrevem o estado ou comportamento de seus objetos, elas proveem propriedades e métodos que são reutilizados pelos objetos pre-sentes nas classes e que podem ser utilizadas por dispositivos que tenham características se-melhantes. Informações mais precisas sobre as classes podem ser encontradas no site oficial do protocolo (http://www.usb.org/developers/defined_class). A seguir será feita uma breve explicação sobre as classes mais utilizadas, são elas:
• HID ( Human Interface Device) - exemplos de dispositivos que usam essa classe são:
teclado, mouse, tela sensível ao toque, joystick, etc. Sua velocidade máxima é relati-vamente baixa, os tipos de transferência suportados por esta classe são: controle e in-terrupção. Uma característica interessante ao utilizar esta classe é que o desenvolvedor não precisa instalar um driver específico para o sistema operacional, pois se pode uti-lizar um padrão que já está incluído no sistema.
• MSD ( Mass Storage Device Class) - como o próprio nome sugere, é geralmente
utili-zada para dispositivos de armazenamento de dados, como discos rígidos, pen drives, câmeras digitais, gravadores de CD e DVD, etc. Esta classe pode ser usada apenas em dispositivos que suportam alta velocidade. Os tipos de transferência em bloco, por in-terrupção e de controle podem ser utilizados em conjunto. Assim como a classe HID, ela também não necessita que se instale um driver específico, podendo ser utilizados drivers genéricos já instalados nos sistemas operacionais.
• CDC (Communications Device Class) - facilmente encontrada em dispositivos de
co-municação de dados, como modems. As transferências suportadas são: de controle, in-terrupção e em bloco. Também possui um driver padrão incluído nos sistemas opera-cionais. Ao utilizar esta classe para desenvolver softwares que controlam dispositivos, será criada uma porta serial virtual e a comunicação entre software e firmware é reali-zada como se estivesse trabalhando com uma porta serial propriamente dita. Esta é a principal vantagem em utilizar esta classe, pois as linguagens de programação mais u-tilizadas certamente possuem pelo menos uma biblioteca de componentes que permi-tem o fácil acesso à porta serial.
• Custom Class - Utilizado quando o dispositivo não se assemelha às características de
qualquer uma das classes padrões. Neste caso será preciso projetar um driver especifi-co para o dispositivo, se não, o dispositivo não será reespecifi-conhecido pelo microespecifi-computa- microcomputa-dor. Projetar um driver partido do zero não é uma tarefa simples, pois exige conheci-mentos tanto da arquitetura do computador quanto do sistema operacional utilizado.
Como qualquer tecnologia existente, o padrão USB também possui seus prós e contras como é apresentado a seguir (USB - Universal Serial Bus, 2007):
As suas principais vantagens são:
• Dispositivos de fácil conexão e configuração; • Rápida interface;
• Taxas de erro de transferência de dados reduzidas; • Versatilidade;
• Baixo custo;
• Pode ser alimentado pela própria arquitetura, excluído a necessidade de uma fonte de
alimentação externa;
• Suportado pelos sistemas operacionais mais utilizados atualmente.
As suas principais desvantagens são:
• Os cabos de interconexão não podem ultrapassar cinco metros de comprimento;
• Broadcasting, os dados são enviados pelo host a cada dispositivo de forma
individu-almente e não simultaneamente;
• A complexidade para desenvolver dispositivos USB é bem maior quando comparados
com dispositivos com padrão de comunicação serial.
A interconexão de um sistema USB é realizada através de portas padronizadas, que são apresentadas na Figura 22.
Figura 22 - Modelos de conectores USB
3.6 Aplicativos de comando numérico
Para que uma máquina-ferramenta CNC se movimente corretamente é necessário que ela seja instruída. São os aplicativos de controle os responsáveis por tais ações a serem toma-das pelo equipamento, indicando como e o que a máquina precisa fazer para realizar o proces-so de usinagem como, por exemplo, qual velocidade deve possuir em determinado instante, qual direção do movimento entre outras ações.
Serão apresentados neste item o que vem a ser um programa de comandos numéricos utilizados por máquina-ferramenta CNC bem como alguns exemplos encontrados no mercado, no qual serão baseados os conceitos para o desenvolvimento de um aplicativo próprio.
3.6.1 Programas de comando numérico (CN)
A comunicação entre o microcomputador e a máquina ocorre através de códigos, onde é necessário transformar um desenho, ou layout , do projeto em números e letras.
A estrutura de um programa CN pode ser definida da seguinte forma (Silva, 2005):
• Bloco de sentenças, composto por caracteres de endereçamento e que juntos informam
a central de controle as operações a serem executadas;
• Caracteres, qualquer símbolo computacional que signifique algo para a central de
con-trole, por exemplo, letras, números, símbolos, etc.;
• Caracteres de endereçamento, instruções alfabéticas enviadas a central de controle
on-de cada uma possui um significado sobre a ação a ser tomada, por exemplo, executar um tipo de movimento;
• Palavra, composta por uma letra junto a um valor numérico.
Para programas CN comerciais existe um padrão definido pelo sistema ISO a adotado pelos fabricantes de comandos no desenvolvimento de seus aplicativos, chamado linguagem
G, ou G-Code.
A linguagem G possui algumas normas a serem seguidas de forma rígida onde podem ser desenvolvidos recursos próprios a cada aplicativo, porém devem ser mantidas as funções básicas que jamais poderão ser definidas de maneira diferente da especificada pela ISO (Silva,
2005).
Para se utilizar uma máquina CNC, não é necessário que o usuário seja um especialista em G-Code. Existem ferramentas que realizam a conversão de um layout do elemento a ser usinado para a linguagem G, um exemplo típico para este fim seria o Ace Converter que reali-za a conversão de arquivos dxf em G-Code (Silva, 2005).
Atualmente existem diversos softwares que realizam o controle de uma máquina-ferramenta CNC, dentre os mais comuns cita-se o KCAM, MACH 2 e 3, todos estes softwares são pagos, já o EMC2 e o TURBOCNC são disponibilizados gratuitamente.
3.6.2 Padrão Gerber
O padrão Gerber é um formato padrão de arquivo utilizado para a manufatura de pla-cas de circuito impresso, na sua estrutura existem informações que descrevem característipla-cas de como as trilhas do circuito devem ser gravadas na superfície metálica da placa. A versão atualmente utilizada é o Gerber estendido (RS-274X) desenvolvida pela Gerber Systems Corp (Seidle, 2010).
O arquivo pode ser gerado através de qualquer software utilizado na criação de layout de placas de circuito impresso através de um processador CAM ( Computer-aided manufactu-ring system) normalmente incluso em programas do tipo CAD voltados à PCI, estes softwares têm a função de converter um determinado tipo de arquivo, como um layout gerado em um software CAD como o Eagle da CADSoft , em um conjunto de instruções, gerando programas
do tipo CN (Comando numérico) que poderão ser executados por uma máquina. Estes arqui-vos consistem de uma definição de abertura ou cabeçalho, seguido das instruções para traçar cada linha do circuito impresso (Silva, 2005).
A geração do arquivo Gerber é simples, utilizando a versão gratuita do Eagle, é possí-vel gerar arquivos Gerber de alguns layouts de placa de circuito impresso em segundos. A Figura 24 mostra um exemplo de arquivo Gerber gerado a partir do layout mostrado na Figu-ra 23.
Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber
Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo Eagle
4 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO
Para realização deste projeto onde o equipamento a ser desenvolvido atuará automati-camente em um processo de prototipagem para placas de circuito impresso, é necessário que a implementação e a avaliação do mesmo seja feita de forma cuidadosa, a fim de garantir que seu funcionamento atenda às necessidades dos usuários.
O equipamento é composto por quatro partes distintas, que juntas formam o conjunto responsável pela realização das operações necessárias, mas que podem ser implementadas de forma independente.
• A estrutura mecânica corresponde às mesas de deslocamento dos eixos X, Y e Z, o
su- porte para as mesas, mandril para fixação da placa de circuito impresso a ser fresada e suporte à micro retífica que ficará acoplada a estrutura.
• Os circuitos eletrônicos, que interfaceiam o sistema de processamento de dados com
os motores. Os circuitos estão distribuídos em módulos, são eles, circuito controlador, circuito de acionamento dos motores, circuito de acionamento da micro retífica, circui-to de sensores de fim de curso e circuicircui-to regulador de tensão. A alimentação dos cir-cuitos é feita através de uma fonte chaveada de 24 V e 14,6 A.
• O software que realiza o tratamento de dados presentes em um arquivo GERBER, de
forma que sejam processados, decodificados e transmitidos ao firmware que realiza o acionamento dos motores para o deslocamento dos eixos.
• O firmware realiza o acionamento dos motores de passo, conforme solicitado pelo
software, processa o estado dos sensores e realiza o acionamento da micro retífica. O sistema está representado pela Figura 25. As partes integrantes do projeto são des-critas detalhadamente nos subitens a seguir.
4.1 Detalhamento do si
O sistema mecânic dos em grupos de desenvo (http://www.guiacnc.com.b
Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto
Fonte: Própria do autor
tema mecânico
foi projetado e baseado em dados empírico lvimento relacionados ao tema deste trabal r) e o Clube CNC Brasil (http://www.club
de projetos encontra-o, como o Guia CNC ecncbrasil.com.br)
le-vando sempre em consideração os conceitos e sugestões apresentadas nas referências utiliza-das que abrangem os aspectos mecânicos do projeto.
A estrutura mecânica foi desenvolvida em partes, onde cada uma possui uma função específica. Para projeto do sistema mecânico foi utilizada à versão de demonstração, válido por 30 dias, do software Autodesk® Inventor® Professional desenvolvido pela Autodesk e
disponibilizado para download em seu site (http://usa.autodesk.com).
Na seção Apêndices encontram-se os desenhos com as respectivas medidas das peças deste trabalho.
4.1.1 Estrutura de sustentação
A função da estrutura de sustentação é dar apoio a toda estrutura mecânica, possuindo quatro pés de apoio para nivelamento do equipamento. Para garantir uma área de trabalho de 200 mm de comprimento por 15 mm de largura e uma altura de 5 mm, a estrutura ficou com as dimensões totais de 550 mm de comprimento por 400 mm de largura e 400 mm de altura. As partes que compõem a estrutura de sustentação (Figura 26) são:
a) Base; b) Árvore.
Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação
Fonte: Própria do autor 4.1.2 Eixo X
O eixo X possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido X. As partes que compõem o eixo X (Figura 27) são:
b
a) Mancal; b) Rolamento;
c) Carro; d) Mesa;
e) Guia Barra Inox 16 mm;
f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor;
h) Flange; i) Bucha; j) Porca;
k) Acoplamento.
Figura 27 - Imagem CAD eixo X
Fonte: Própria do autor 4.1.3 Eixo Y
O eixo Y possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Y. As partes que compõem o eixo Y (Figura 28) são:
a) Mancal; b) Rolamento;
c) Carro; d) Mesa;
e) Guia Barra Inox 16 mm;
f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor; b a d c e f h g
