PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG
Universidade Federal de Uberlândia
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
CONSTRUÇÃO E AUTOMATIZAÇÃO DE UMA MESA DE COORDENADA
PARA ESTUDO EM FÍSICA DO ARCO DE SOLDAGEM
Víctor Augusto Nascimento1
UFU, Universidade Federal de Uberlândia, Av. Engenheiro Diniz, 1178 – Cx. Postal: 593 – CEP: 38.400-902 –
Uberlândia – Minas Gerais – Brasil.
[email protected]
Louriel O. Vilarinho2
[email protected]
Resumo: O presente trabalho explica de maneira sucinta os passos para a elaboração de uma
mesa de coordenada de 3 eixos x, y, z, com baixo custo para estudo em Física do Arco de
Soldagem. Preliminarmente, foi elaborado um projeto prévio fazendo-se uso do software
SolidWorks® com o intuito de visualizar, quantificar peças, interferências e dimensões finais do
projeto. Cada grau de liberdade é proporcionado por um carro mecânico dotado de um fuso de
rosca fina, guias lineares ou eixos, e um motor de passo. Os acionamentos dos eixos lineares são
feitos pelos motores de passo, que são dispositivos eletromecânicos que ao serem alimentados
produzem movimentos angulares discretos que podem ser transformados em movimentos lineares
através da aplicação do carro mecânico. O princípio de funcionamento da mesa se exprime pela
comunicação dos dados entre os equipamentos eletrônicos que se dá na seguinte ordem: do
computador para os drivers (acionadores), destes para os amplificadores de sinal, e finalmente,
destes amplificadores para os motores de passo. O computador atua através de uma placa de saída
digital da National Instruments® que é comandada por um programa elaborado através do
software LabView®. O driver possibilita o controle de velocidade, sentido de rotação do motor e
parada com grande precisão. Assim, ao ser acoplado ao fuso do carro mecânico, o movimento
angular discreto do motor de passo é tranferido para um movimento linear discreto, nas direções x,
y e z, permitindo a movimentação da tocha de solda conforme a trajetória desejada.
Palavras-chave: mesa de coordenadas, motor de passo, soldagem automatizada.
1. INTRODUÇÃO
A realização de soldas retilíneas e curvilíneas no plano ou no espaço com certa precisão e
repetibilidade são muito importantes. E esta repetibilidade é difícil de ser alcançada com soldagem
manual, pois o soldador, por mais experiente que seja não consegue manter constante por um longo
período, parâmetros importantes, como velocidade de soldagem, altura de arco, ângulo de ataque e
posicionamento da pistola sobre a trajetória. Mesmo se conseguisse manter estes parâmetros de
soldagem constantes ao longo de um cordão, outra dificuldade que surgiria para o soldador, seria
reproduzir repetidas vezes a mesma tarefa.
Dessa forma, para diminuir a interferência humana na realização de soldas, superando a
escassez de trabalho qualificado, há cada vez mais tendência à automatização dos processos de
soldagem. Este fato faz com que o operário não fique tão exposto aos efeitos nocivos à saúde e
também faz com que se aumente a quantidade de material depositado por hora e conseqüentemente
a produtividade.
É bom destacar que a elaboração de um sistema automatizado como uma mesa de
coordenada para soldagem que reduza erros por fadiga e cansaço do operador, além de proporcionar
1
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Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica.
Orientador.
alta produtividade, aliada a qualidade, é de extremo interesse para a indústria, uma vez que o
mercado se torna cada vez mais competitivo e temas relacionados à qualidade e segurança do
trabalho estão cada vez mais em voga.
2. OBJETIVOS
O presente trabalho propõe desenvolver uma solução de baixo custo para a construção de
uma mesa de coordenadas de três graus de liberdade para o estudo da Física do Arco da Soldagem.
Ao final da pesquisa espera-se tecnologicamente que o equipamento desenvolvido para
realizar a união de chapas metálicas e a geração de geometrias complexas, compostas por
segmentos de retas, arcos, círculos ou linhas de forma irregular, tenha-se aproximado dos resultados
reais esperados e, desta forma, tenha contribuído para facilitar e melhorar a qualidade e
produtividade de soldas.
3. METODOLOGIA
O projeto de automatização proposto aqui, com base nas necessidades expostas acima, visa o
projeto, a construção e o controle de uma mesa de coordenadas com custo relativamente baixo para
estudo da Física do Arco de Soldagem. Para a construção da mesa, foi feito um projeto prévio
fazendo-se uso do software SolidWorks® com o intuito de visualizar, quantificar peças,
interferências e dimensões finais do projeto.
Como se pode ver, o esquema proposto tem inicialmente três graus de liberdade,
movimentando-se em x, y, z. O projeto pode ser estendido a seis graus de liberdade (duplo x, duplo
y, e duplo z) ou até mesmo 7, se considerar um eixo central que proporcione uma rotação do
conjunto.
Cada grau de liberdade é proporcionado por um carro mecânico dotado de um fuso de rosca
fina, guias lineares ou eixos, e um motor de passo.
Os acionamentos dos eixos lineares são feitos pelos motores de passo, que são dispositivos
eletromecânicos que ao serem alimentados produzem movimentos angulares discretos que podem
ser transformados em movimentos lineares através da aplicação do carro mecânico. Na figura 1, em
laranja, está esquematizado o suporte do 3° eixo aonde será acoplada a tocha da solda, cujo arco
será estudado.
A proposta inicial é de que se tenha um curso de em torno de 400 mm para cada um dos 3
eixos, para que se torne a mesa o mais flexível, podendo receber peças de maiores dimensões.
O princípio de funcionamento da mesa se exprime pela comunicação dos dados entre os
equipamentos eletrônicos que se dá na seguinte ordem: do computador para os drivers
(acionadores), destes para os amplificadores de sinal, e finalmente, destes amplificadores para os
motores de passo.
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Figura 1 – Esquema do projeto inicialmente proposto em vista trimétrica.
O computador atua através de uma placa de saída digital da National Instruments® que é
comandada por um programa elaborado através do software LabView®.
Os drivers são dispositivos projetados para comandar motores de passo. Sua característica
principal é converter sinais elétricos de saídas rápidas de CLP’s, PC’s, etc. em sinais sincronizados
e amplificados para motores de passo. O driver possibilita o controle de velocidade, sentido de
rotação do motor e parada com grande precisão.
Os amplificadores de sinal são dispositivos necessários para suprir a demanda de energia do
motor elevando a tensão ou a corrente fornecida pelos acionadores para níveis compatíveis com a
placa de especificação do motor de passo.
Já o motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica em movimento controlado
através de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde passo é o menor deslocamento
angular. Dessa forma, ao ser acoplado ao fuso do carro mecânico, o movimento angular discreto é
tranferido para um movimento linear discreto, nas direções x, y e z, permitindo a movimentação da
tocha de solda conforme a trajetória desejada.
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Figura 2 – Detalhe do 3° eixo.
O princípio de funcionamento da mesa se baseia na transferência de movimentos. O
movimento rotativo do motor do 1° eixo gira o fuso que está acoplado a uma chapa metálica através
de uma porca. Dessa forma, a cada passo do motor, esse 1° eixo se desloca em movimentos dicretos
e lineares através das guias prismáticas lineares. A composição das mais variadas trajetórias se dá
pelo fato do segundo carro mecânico estar acoplado ao primeiro, e o terceiro acoplado ao segundo
(ver figura 2).
A metodologia do plano de trabalho foi baseada pelas seguintes diretivas:
•
Todo o sistema apresentado é controlado por uma unidade central
desenvolvida em LabView® e que utiliza hardware da National Instruments®.
•
Estudo e seleção de componentes para a confecção da mesa, respeitando
sempre uma relação de compromisso entre custo x necessidade x precisão. No presente
trabalho, a mesa foi construída a partir de sucata de scanners.
•
Aprimoramento do projeto através de ferramenta CAD (SolidWorks®).
•
Construção de uma mesa de coordenadas com 3 graus de liberdade dotada de
3 carros mecânicos.
•
Projeto e construção de 3 acionadores (drivers) para os motores de passo.
•
Projeto e construção de 3 amplificadores de sinal, para serem acoplados após
a saída dos drivers.
•
Montagem da mesa de coordenadas, acoplada aos drivers e amplificadores de
sinal.
•
Implementação de uma interface utilizando o programa LabView® que
fizesse o
monitoramento e controle dos motores, alterando variáveis como velocidade e
torque, para que se tornasse possível, a composição das mais variadas geometrias.
•
Calibração da mesa e adequação a normas de funcionamento de máquinasferramenta.
Desta forma, a estratégia de ação geral foi utilizando-se placas de aquisição (National
Instruments®), softwares (LabView®, SolidWorks®) e motores de passo comerciais advindos de
scanners, projetar, construir e controlar uma mesa de coordenada, cujo corpo foi mostrado na Figura
1, para uso no Estudo da Física do Arco de Solda.
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Figura 3 – Diagrama de fluxo do equipamento desenvolvido.
4. RESULTADOS
O objetivo principal que era a elaboração da mesa de coordenadas foi alcançado. Dentre as
maiores dificuldades encontradas, pode-se dizer que foi a calibração da mesa juntamente aos drivers
e ao software.
Apesar do processo de montagem ser laborioso e demandar muito tempo e paciência, este
foi auxiliado bastante pelo projeto CAD, mostrando a eficiência da ferramenta de desenho. A
comunicação do computador com a mesa foi realizada sem maiores dificuldades por intermédio da
placa de aquisição da National Instruments®. Sem dúvidas, o excesso de cuidado demandado à
montagem da mesa, de forma a se evitar folgas e preocupando-se com o paralelismo e correto
esquadrejamento das peças foi a parte mais difícil. Sem mais, o funcionamento da mesa se mostrou
satisfatório.
5. CONCLUSÃO
Embora dificuldades tenham sido encontradas, o funcionamento da mesa se mostrou
bastante satisfatório, correspondendo a proposta do projeto de uma Mesa de Coordenadas de Baixo
Custo para Estudo em Física do Arco de Solda.
A comunicação da mesa com o software se deu sem maiores dificuldades. A maleabilidade
do software Labview® permite que parâmetros como velocidade e sentido de rotação dos motores
sejam controlados em tempo real, dando maior flexibilidade ao projeto que devido a sua robustez
pode perfeitamente ser adaptada para o uso como uma mini-CNC para a confecção de placas de
circuito impresso, por exemplo.
6. AGRADECIMENTOS
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O autor deste artigo agradece a todas as pessoas que colaboraram para a realização deste
projeto, aos membros e colaboradores do Laprosolda/UFU (Laboratório para o Desenvolvimento de
Processos de Soldagem), a FEMEC/UFU pela infra-estrutura oferecida e ao seu orientador Louriel
O. Vilarinho pela oportunidade e completo apoio ao desenvolvimento do projeto estando sempre
empenhado e disposto a ajudar.
7. REFERÊNCIAS
ABREU, B.A.;DUTRA, J.C.; BROERING, C.E.; Aplicação de um equipamento na mecanização da
soldagem
em
superfícies
de
tanques,
2004.
Disponível
em:
<http://www.labsolda.ufsc.br/noticias/2005/P&D_sold_tanque.pdf>. Texto acessado em: 15 de
julho de 2009.
LACERDA , H.B.;RODRIGUES, R. S. A.; Projeto e construção de uma mesa de coordenadas xy
de
baixo
custo
para
corte
e
solda,
2003.
Disponível
em:
<www.propp.ufu.br/revistaeletronica/exatas2003/projeto.pdf>. Texto acessado em: 10 de julho de
2009.
Universidade
de
Brasília,
Automação
na
Soldagem.
Disponível
em:
<www.unb.br/ft/enm/vortex/ftp/TecMec2/Automacao.pdf>. Texto acessado em: 04 de junho de
2009.
CONSTRUCTION AND AUTOMATION OF A TABLE OF COORDINATED
TO STUDY OF PHYSICS AND ARC WELDING
Víctor Augusto Nascimento3
UFU, Universidade Federal de Uberlândia, Av. Engenheiro Diniz, 1178 – Cx. Postal: 593 – CEP: 38.400-902 –
Uberlândia – Minas Gerais – Brasil.
[email protected]
Louriel O. Vilarinho4
[email protected]
Abstract: This paper explains briefly the steps for developing a coordinated table 3 axis x, y, z, with
a low cost to study physics in the Arc Welding. Preliminarily, a project was drafted prior to making
use of the SolidWorks ® software in order to view, measure parts, interference and final dimensions
of the project. Each degree of freedom is provided by a car mechanic equipped with a screw thread
thin, linear or axes, and a stepper motor. The linear axis drives are made by stepper motors, which
are electromechanical devices that are fed to produce discrete angular movements that can be
transformed into linear motion by use of the car mechanic. The operating principle of the table is
expressed by an exchange of data between the electronic equipment that results in the following
order: the computer for the drivers (drives), these to signal amplifiers, and finally, these amplifiers
for the stepper motors. The computer acts through a digital output card from National Instruments
®, which is controlled by a program developed by LabView ® software. The driver allows control
of speed, direction of rotation of the engine and stop with great precision. Thus, when coupled to
the spindle of the car mechanic, the discrete angular movement of the stepper motor is moved into a
discrete linear motion in the directions x, y and z, allowing the movement of the welding torch
according to the desired trajectory.
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4
Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica.
Orientador.
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Keywords: cross table, stepper motor, automated welding.
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