projetocnc OTIMA!, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletrônica

Baixe projetocnc OTIMA! e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Eletrônica, somente na Docsity!

Utilizando Tecnologias Livres | Rodrigo Krug

PUCRS PROJETO CNC DE 3 EIXOS

Rodrigo Krug

Projeto CNC de 3 Eixos Utilizando

Tecnologias Livres

Relatório final do projeto desenvolvido no laboratório CIM.

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

Orientador: Isaac Newton Lima da Silva

Porto Alegre Fevereiro 2008

• 1. Introdução.............................................................................................................................
• 2. Objetivos
• 3. Tecnologia CNC (Controle Numérico Computadorizado)
  • 3.1. Histórico.......................................................................................................................
  • 3.2. Exemplo de comandos numéricos...............................................................................
• 4. Detalhamento Técnico do Sistema Elétrico
  • 4.1. Introdução
  • 4.2. Motores
    • 4.2.1. Motor de Passo......................................................................................................
    • 4.2.2. Motores de passo unipolares
    • 4.2.3. Motores de passo bipolares
  • 4.3. Eletrônica
    • 4.3.1. Circuito Integrado L297
    • 4.3.2. Circuito Integrado L298
  • 4.4. Hardware elétrico desenvolvido................................................................................
    • 4.4.1. Placa Mãe
    • 4.4.2. Placa Buffer............................................................................................................
    • 4.4.3. Placa Driver............................................................................................................
    • 4.4.4. Placa Relé...............................................................................................................
    • 4.4.5. Montagem e testes................................................................................................
• 5. Controle...............................................................................................................................
  • 5.1. Softwares de Controle CNC
    • 5.1.1. Software MACH3
    • 5.1.2. Software EMC2
• 6. Detalhamento Técnico do Sistema Mecânico.....................................................................
  • 6.1. Características............................................................................................................
  • 6.2. Detalhamento das principais peças utilizadas...........................................................
    • 6.2.1. Mesa de Fixação
    • 6.2.2. Barras de aço para os guias lineares
    • 6.2.3. Mancais de Fixação................................................................................................
    • 6.2.4. Buchas de deslizamento........................................................................................
    • 6.2.5. Castanha e Fuso Trapezoidal.................................................................................
    • 6.2.6. Base de Sustentação do Suporte...........................................................................
    • 6.2.7. Suporte de Fixação
    • 6.2.8. Capa de Proteção
  • 6.3. Eixos Lineares de Movimentação
  • 6.4. Montagem da Máquina
    • 6.4.1. Alinhamento dos Mecanismos
  • 6.5. Retifica para a usinagem............................................................................................
• 7. Restrições e Cuidados
• 8. Usinagens Possíveis.............................................................................................................
• 9. Conclusão
• 10. Bibliografia
• 11. Anexos............................................................................................................................
  • 11.1. Anexo 1: Esquema elétrico Placa Mãe:......................................................................
  • 11.2. Anexo 2: Layers para a confecção da placa Mãe
  • 11.3. Anexo 3: Máscara da placa Mãe................................................................................
  • 11.4. Anexo 4: Esquema elétrico placa Buffer....................................................................
  • 11.5. Anexo 5: Layers para a confecção da placa Buffer
  • 11.6. Anexo 6: Máscara da placa Buffer
  • 11.7. Anexo 7: Esquema elétrico placa Driver....................................................................
  • 11.8. Anexo 8: Layers para a confecção da placa Driver
  • 11.9. Anexo 9: Máscara da placa Driver
  • 11.10. Anexo 10: Esquema elétrico placa Relé
  • 11.11. Anexo 11: Layers para a confecção da placa Relé.................................................
  • 11.12. Anexo 12: Máscara da placa Relé..........................................................................
  • 11.13. Anexo13: Drawing da mesa de fixação
  • 11.14. Anexo 14: Drawing do mancal de fixação lado do motor
  • 11.15. Anexo 15: Drawing do mancal de fixação lado do rolamento
  • 11.16. Anexo 16: Drawing da bucha de deslizamento
  • 11.17. Anexo 17: Drawing da base de sustentação..........................................................
  • 11.18. Anexo 18: Drawing do suporte de fixação
  • 11.19. Anexo 19: Drawing da capa de proteção
  • 11.20. Anexo 20: Imagem do sistema elétrico desenvolvido...........................................
  • 11.21. Anexo 21: Imagem do sistema elétrico desenvolvido...........................................
  • 11.22. Anexo 22: Imagem da máquina finalizada

1. Introdução

Hoje em dia as máquinas CNC são encontradas em quase todas as indústrias, desde pequenas oficinas de usinagem, às grandiosas companhias de manufatura. Na realidade quase não existem produtos fabris que não estejam de alguma forma relacionados à tecnologia destas máquinas ferramentas inovadoras.

Este projeto tem como objetivo a construção de uma máquina-ferramenta (fresadora) com Controle Numérico Computadorizado (CNC) de três eixos, de baixo custo e didática para utilização em universidades, escolas e demais interessados na tecnologia CNC. Pois, o valor de mercado de uma máquina industrial, dependendo de sua aplicação, pode variar de sessenta mil até alguns milhões de reais. O projeto em desenvolvimento visa um custo máximo de cinco mil reais, além de uma manutenção barata. Após os testes com a fresadora, o próximo passo será a implementação de um eixo adicional (quarto eixo angular) para a usinagem de formas mais complexas.

3. Tecnologia CNC (Controle

Numérico Computadorizado)

3.1. Histórico

CNC são as iniciais de Computer Numeric Control, ou em português Controle Numérico Computadorizado. Essa tecnologia teve seu surgimento na experiência de uma pequena empresa fabricante hélices e rotores de helicópteros "Parsons Corporation", que em 1947 havia experimentado colocar uma forma rudimentar de controle por números em uma máquina de usinagem convencional, ligando esta máquina a um computador que era alimentado por informações via cartões perfurados. A Força Aérea Americana ao reconhecer um possível grande avanço na fabricação de aviões e material bélico contratou a Parsons e patrocinou estudos e desenvolvimento do controle numérico, e assim planejaram e executaram as adaptações de controle numérico para uma máquina ferramenta convencional da Cincinnati (fabricante na época de máquinas ferramenta convencionais e atualmente um dos maiores fabricantes de Máquinas CNC), e deste modo criaram o protótipo de uma máquina CN que foi demonstrado em 1953 no Instituto de Tecnologia de Massachusetts ('MIT').

Década de 60, início da utilização de máquinas CNC, os programas eram passados à máquina através de cartões perfurados (sistemas de transmissões de dados deste tipo eram encontrados até a década de 80), após utilizou-se fitas magnéticas gravadas eletronicamente e hoje utiliza-se disquetes, cartões de memória flash, ou uma rede local. Cada dia percebemos mais possibilidades generalizadas de sistemas alimentados com informações CNC, embora grande parcela das máquinas CNC estejam nas máquinas ferramentas (ou de usinagem). Porem, existem outros diversos tipos de máquinas que utilizam a tecnologia CNC como forma de controle, são elas: prensas, máquinas de rebitagem, máquinas de corte a laser ou a maçarico, dobradeiras de tubos, máquinas de testes de circuitos, máquinas de inspeções, máquinas de montagens eletrônicas, máquinas de traçagens, sistemas industriais em fábricas de papel, tecidos, controles diversos em diversos tipos de indústrias químicas. Ou seja, um campo tão grande como a vastidão do uso do computador que a cada dia se descobre uma nova possibilidade de uso.

Graças à tecnologia CNC hoje é possível produzir produtos de extrema complexidade. Atualmente a ISO (International Organization for Standardization), entidade de padronização de maior aceitação mundial, regulariza o maior e mais aceito conjunto de normas para se usar na tecnologia CN (Código Numérico).

3.2. Exemplo de comandos numéricos

Dentre os diferentes padrões de código CN a máquina construída por esse projeto utiliza o padrão=’standard’. No caso desse projeto, o padrão do código pode variar dependendo do software a ser utilizado. Abaixo segue um exemplo do Código G utilizado pelo CNC desenvolvido.

N1 G43 H N2 M X0 Y0 Z N3 T1 M N4 S2000 M N5 G0 X125. Y33. 872 N6 Z2. N7 Z-38. N8 G1 Z-40.419 F1000. N9 X114. N10 X113.897 Z-39. N11 X113.315 Z-38. N12 X112.666 Z-36. N13 X112.43 Z-36. N14 Z-24. N15 X112.407 Z-24.

Dependendo do programa utilizado para controlar a máquina cnc, esse padrão de código pode mudar, exigindo a necessidade de um pós-processador para formatar o código de acordo com a norma do programa.

uma placa mãe que recebe a alimentação, chaves fim de curso, os sinais de controle, saídas à rele e outros. Esta placa tem cinco slots, onde neles são conectados, um buffer de proteção, três “driver’s “de acionamento e uma placa relé.

Os “driver’s” utilizam para o acionamento dos motores a técnica chopper, este tipo de acionamento possibilita o uso de qualquer tipo de motor de passo de quatro bobinas e possibilita o uso de uma voltagem de alimentação variando de 6 a 48 Volts, onde apenas é ajustado o controle de corrente consumida pelos motores. O sistema de proteção foi feito com 18 opto-acopladores, que podem ser substituídos um a um caso um deles queime.

4.2. Motores

O acionamento dos movimentos fica por conta de quatro motores de passo de 200 passos por revolução e 5kgf de torque. Dois motores foram acoplados a estrutura de movimento linear do eixo X, um no Y e um no Z. Os motores são acoplados em fusos de rosca trapezoidal para a transmissão do movimento angular para linear.

Figura 2 - Motor de Passo utilizado

4.2.1. Motor de Passo

O motor de passo consiste em um motor DC de magnetos permanentes ou de relutância variável que apresenta as seguintes características de desempenho: Rotação em ambas as direções, variações incrementais de precisão angular, repetição de movimentos bastante exatos, um torque de sustentação à velocidade zero e possibilidade de controle digital.

Um motor de passo pode mover-se em incrementos angulares bastante exatos, conhecidos como passos, em resposta a pulsos digitais aplicados a um “driver” a partir de um controlador digital, (circuito integrado L297). O número de pulsos e a cadência com que estes pulsos são aplicados controlam a posição e a velocidade do motor, respectivamente. Geralmente os motores de passo podem ser fabricados com 12, 24, 72, 144 e 200 passos por revolução, que resultam em incrementos de 30, 15, 5, 2.5, 2 e 1.8 graus respectivamente. Os motores de passo podem ser bipolares, requerem fontes de alimentação simétrica, ou unipolares, requerem apenas uma fonte de alimentação.

Em ambos os casos as fontes utilizadas são de tensão contínua e requerem um circuito digital que produza as seqüências para produzir a rotação do motor. No controle de um motor de passo nem sempre é necessária a implementação de uma estratégia de realimentação, mas a utilização de um encoder, ou de outro sensor de posição poderá assegurar uma melhor exatidão sempre que for essencial. A vantagem de operar sem realimentação é que deixa de ser necessário um sistema de controle em malha fechada.

4.2.2. Motores de passo unipolares

Os motores de passo unipolares são facilmente reconhecidos pela derivação ao centro em cada um dos enrolamentos. O número de fases é duas vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. Na figura abaixo, temos a representação de um motor de passo unipolar de 4 fases. Normalmente, a derivação central dos enrolamentos está ligada ao terminal positivo da fonte de alimentação e os extremos de cada enrolamento são ligados alternadamente ao terra para assim inverter a direção do campo gerado por cada um dos enrolamentos.

A B C D

1 1 0 0 0 2 0 1 0 0

3 0 0 1 0

4 0 0 0 1

Tabela 1 - Atuação de um motor de passo unipolar (Acionamento normal)

Este tipo de acionamento é denominado padrão. Para além desta atuação dita padrão, é ainda possível utilizar outra estratégia de acionamento em que o torque produzido é 2 vezes maior. Neste tipo de acionamento são acionadas 2 bobinas em simultâneo para cada passo. O preço a pagar é um consumo duas vezes superior ao do acionamento anterior. Esta estratégia de comando encontra-se exemplificada na Tabela 2 onde, mais uma vez, o rotor é deslocado 120º. É importante notar que em ambas as seqüências, as duas metades dos enrolamentos não são alimentadas em simultâneo.

A B C D

1 1 1 0 0 2 0 1 1 0

3 0 0 1 1 4 1 0 0 1

Tabela 2 - Atuação de um motor de passo unipolar (full-step)

Outro tipo de acionamento possível consiste em alimentar, alternadamente, um e dois enrolamentos, permitindo deste modo avançar meio passo de cada vez. Este tipo de atuação é denominado de meio-passo, ou half-step. Neste tipo de atuação, como facilmente se pode verificar, é duplica o número de “passos” para completar uma revolução. Na realidade passamos a deslocar o rotor em apenas meios passos, ou seja, e seguindo ainda o caso exemplificado, o rotor desloca-se 15º por cada atuação.

Na tabela abaixo é apresentada uma atuação do tipo half-step para os mesmos 120º de deslocação do rotor.

A B C D 1 1 0 0 0

2 1 1 0 0

3 0 1 0 0 4 0 1 1 0

5 0 0 1 0 6 0 0 1 1

7 0 0 0 1

8 1 0 0 1

Tabela 3 - Atuação de um motor de passo unipolar (half-step)

4.2.3. Motores de passo bipolares

Ao contrário dos motores de passo unipolares, os motores bipolares requerem um circuito de atuação bem mais complexo. Os motores de passo bipolares são conhecidos pelo seu excelente tamanho/torque. Pois, proporcionam um maior torque comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho.

Figura 4 - Motor de passo Bipolar

Figura 5 - CI L

Este CI trabalha enviando a seqüência de pulsos para um circuito amplificador ou simplesmente transistores, mas o recomendado pelo fabricante é utilizá-lo junto com o CI L298, abaixo segue a figura 6 mostrando o esquema elétrico recomendado pelo datasheet do fabricante.

Figura 6 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante.

Associado a um CI L298, produz um ótimo rendimento tendo varias possibilidades de implementação do circuito. A junção dos dois ci’s possibilita a utilização de uma ampla faixa de voltagem, desde alguns miliVolts até 45 Volts, que é o

maximo de voltagem de trabalho do L298. Com a associação destes dois ci’s, não importando a voltagem nominal do motor de passo e sim a corrente que cada bobina do motor consome, esta regulagem pode ser feita através de um potenciômetro instalado entre o pino 15 e o GND, ou pode-se controlar e monitorar essa corrente através de um microcontrolador, assim possibilitando informar a corrente consumida em uma IHM. A corrente máxima de trabalho do L298 é de 2,5 Ampères.

O pino ENABLE (pino 10), avisa o circuito de potência (L298) de que o motor está sendo requisitado, podendo assim poupar o motor de ficar com suas bobinas energizadas sem necessidade, evitando assim aquecimento ou até a queima do motor.

No pino CLOCK (pino 18), recebe o trem de pulsos da porta paralela para a rotação do motor, variando freqüência do trem de pulsos o motor varia sua velocidade.

O pino CW \ CCW (pino 17), muda a direção do sentido de rotação. Por exemplo, nível alto motor gira para a esquerda, nível baixo, motor gira para direita.

O diferencial desse circuito integrado é que ele possui um oscilador interno, terminal OSC, que atua diretamente sobre a alimentação do motor em associação com o terminal MODE. Se este terminal estiver em nível baixo, o corte atua nos terminais de saída INHA e INHB, como apresentado na figura 7. Se lhe for aplicado um nível lógico alto, então o corte atuará nas saídas ABCD. Nesse caso, obter-se-á um funcionamento representado pelo diagrama da figura 8. A diferença de funcionamento entre os dois modos é visível na última curva das figuras 7 e 8. A figura 8 mostra nitidamente que a corrente decresce mais lentamente na bobina do motor do que na curva da figura 7, na qual a corrente decresce tão rapidamente como sobe. O interessante dessa possibilidade de escolha entre os dois sistemas reside no fato de existirem diferença entre os motores. O modo 1(Jumper Mode na posição 1-2) deve ser escolhido quando o motor utilizado possuir uma bobina com uma fraca auto- indução. Nesse caso, se o modo 2 ( Jumper Mode na posição 2-3 )for utilizado, a corrente decresce rapidamente, pela média da corrente aplicada no motor não será suficiente e ele apresentará perda em seu torque. Se este último modo for utilizável com o motor ligado, obter-se-á uma velocidade e torque elevados.

Figura 9 - Sincronização de um ou mais L

4.3.1.2. Modos HALF STEP

Em modo HALF STEP (meio passo) o motor de passo passa a ter o dobro de precisão. Por exemplo, um motor que precisa receber 200 passos para completar uma volta, ele terá de dar 400 passos para completar a volta. Para este modo entrar em ação é preciso que o pino 19 (HALF/FULL) receba nível lógico alto. Abaixo segue a figura 10 que mostra os sinais gerados.

Figura 10 - Modo HALF STEP

4.3.1.3. Modo FULL STEP

Em modo FULL STEP o motor passa a atuar com o dobro de potencia, pois passa a estar com duas fases acionadas ao mesmo tempo, o que proporciona também um consumo dobrado. Para este modo entrar em ação é preciso que o pino 19 (HALF/FULL) receba nível lógico baixo. Neste modo os pinos INHA1 e INHA permanecem em nível lógico alto. Abaixo segue a figura 11 que mostra os sinais gerados.

Figura 11 - Modo FULL STEP

4.3.2. Circuito Integrado L

O circuito integrado L298 é composto de duas pontes “H” que podem acionar dois motores DC ou um motor de passo bipolar ou unipolar. Pode acionar motores que consumam 2.5 Ampères e pico de 4 Ampères, sua voltagem de acionamento do motor pode varia de alguns mili-Volts até 45 Volts.