UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO– UFOP
ESCOLA DE MINAS – EM
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE
E AUTOMAÇÃO - CECAU
PROJETO DE CONTROLE NUMÉRICO PARA UMA MESA DE COORDENADAS
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
LAMARTINE BATISTA DE PAIVA FILHO
Ouro Preto, 2008.
LAMARTINE BATISTA DE PAIVA FILHO
PROJETO DE CONTROLE NUMÉRICO PARA UMA MESA DE COORDENADAS
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia
de Controle e Automação da Universidade Federal
de Ouro Preto como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Engenheiro de Controle e
Automação.
Orientador: Prof. Dr. Sávio Augusto Lopes da Silva
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Julho de 2008.
i
ii
A meus pais, por terem a educação de seus filhos uma prioridade.
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço muito aos meus pais, aos meus irmãos pelo apoio, amor e carinho. A minha
namorada pelo amor e pela troca de idéias sobre engenharia. À república Boemia pela
convivência e amizade ao longo desses 5 anos. Aos professores pelo ensino e
companheirismo, a UFOP e Escola de Minas pela qualidade do ensino e inúmeras
oportunidades oferecida, e finalmente a Fundação Gorceix por sempre apoiar o ensino e
pesquisa.
iv
Aos grandes amigos e companheiros de Ouro Preto e
aos Moradores e Ex-alunos da republica Boemia.
"...Eu sou a paz, amor e sou amizade...
-- A porta do meu peito é sempre aberta
Estou em toda parte sempre alerta...
Enquanto tu CULTURA ensinas o belo
Aos corações, a fé, amor revelo
Aos errados eu mostro-lhes a verdade
É por isso que sou a FRATERNIDADE."
v
Júlio Pinto de Melo
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... vii
LISTA DE SIGLAS ............................................................................................................. viii
RESUMO .................................................................................................................................ix
ABSTRACT ..............................................................................................................................x
1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................1
2 MOTORES DE PASSO ........................................................................................................1
2.1 Motores de Passo com relutância variável ....................................................................... 3
2.2 Motores de Passo com imã permanente ........................................................................... 4
2.3 Motores de Passo híbridos................................................................................................ 4
2.4 Principio de Funcionamento............................................................................................. 4
3 SERVO MOTORES ..............................................................................................................7
3.1 Princípios de Funcionamento ........................................................................................... 8
4 ENCODER ...........................................................................................................................11
4.1 Princípio de funcionamento............................................................................................ 11
4.2 Tipos de Encoder ............................................................................................................ 12
5 ROBÔS AXIAIS ..................................................................................................................15
5.1 Graus de liberdade .......................................................................................................... 15
5.2 Características das juntas................................................................................................ 17
5.3 Repetibilidade e Precisão ............................................................................................... 18
6 CONTROLE NUMÉRICO.................................................................................................19
6.1 Sistema de Coordenada .................................................................................................. 19
7 APLICAÇÕES .....................................................................................................................21
8 PROJETO ............................................................................................................................25
vi
8.1 Hardwares e Motores...................................................................................................... 25
8.2 Software.......................................................................................................................... 29
9 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS....................................................................30
10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................32
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1
Eixo e Estator
3
Figura 2.2
Motor bipolar com passo inteiro
5
Figura 2.3
Motor unipolar com passo inteiro
5
Figura 2.4
Motor bipolar com meio passo
5
Figura 2.5
Motor unipolar com meio passo
6
Figura 2.6
Tabela do fechamento das bobinas para motor de passo e meio
passo
6
Figura 3.1
Servo Motor
7
Figura 3.2
Diagrama de blocos representando o sistema de um Servomotor
7
Figura 3.3
Motor DC ímã−permanente em corte
8
Figura 3.4
Diagrama de blocos da equação 3-11.
10
Figura 4.1
Exemplo de Disco de Encoder Absoluto
11
Figura 4.2
Exemplo de Disco de Encoder Regular
12
Figura 4.3
Exemplo de Disco de Encoder Regular Defasado
13
Figura 4.4
Regulador de Vazão
13
Figura 5.1
Os cinco tipos de juntas robóticas e suas características
16
Figura 5.2
Ilustra a configuração do manipulador cartesiano
17
Figura 5.3
Volume de trabalho do robô cartesiano
17
Figura 6.1
Sistema de Coordenada
20
Figura 6.2
Sistema de coordenadas na peça
20
Figura 7.1
Equipamento de corte e meio corte modelo RXY-F
22
Figura 7.2
Esquema construtivo dos bocais para água pura e com abrasivos
22
Figura 7.3
Esquema construtivo da Mesa XY
23
Figura 7.4
Laser Engineered Net Shaping
24
Figura 8.1
Foto da Mesa de Coordenadas
25
Figura 8.2
Plug para Porta paralela
25
Figura 8.3
Motores de 5 e 6 fios
26
Figura 8.4
Teste para encontrar o fio comum
26
Figura 8.5
Esquema típico para controle de motor de passo
27
viii
Figura 8.6
Esquema do Projeto N5-i
28
Figura 8.7
Placa pronta para acionamento de 3 motores de passo,
28
LISTA DE SIGLAS
CN
Controle Numérico
ix
CNC
Controle Numérico Computadorizado
ix
CAM
Computer Aided Manufacturing
ix
CAQ
Qualidade Auxiliada por Computador
ix
CAE
Engenharia Auxiliada por Computador
ix
CAP
Produção Auxiliado por Computador
ix
CAD
Desenho Auxiliado por Computador
ix
CIM
Integrated Computer Manufacturing
ix
DEMET
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
1
RIA
Robot Institute of América
15
DXF
Drawing Exchange Format
29
ASCII
American Standard Code for Information Interchange
29
ix
Resumo
Neste trabalho realizou-se um estudo sobre Controle Numérico (CN), buscando
conhecer suas características e aplicações. Foi desenvolvido também um projeto de controle
para uma mesa de coordenadas, a fim de utilizá-lo em aplicações de pesquisa, ensino e
extensão. As principais aplicações pretendidas de imediato são: confecção de circuitos
impressos, polimerização a laser, corte de chapas à água. São abordados os conceitos
fundamentais sobre o Comando Numérico, são estudadas as características técnicas dos
motores de passo, servomotores, encoders, interpretação das mesas xy como robô axial, bem
como o funcionamento do controle. O resultado deste trabalho colabora com projetos
didáticos, de pesquisas e desenvolvimentos de protótipos baseados nos conceitos de
manufatura e da própria tecnologia de Controle Numérico de Equipamentos.
x
Palavras-chaves: Manufatura, Controle Numérico, Manufatura Integrada por Computador.
ABSTRACT
In this work a study on Numerical Control (NC) was carried out, seeking the
knowledge of its characteristics and applications. It was also developed a project to control a
table of coordinates in order to use it in applications for research, education and extension.
The main imadiate applications are: manufacture of printed circuits, laser polymerization,
cutting plates by water. Fundamental concepts on Numerical Command are clarified; the
technical characteristics of step motors, servomotors, encoders, xy tables interpretated as axial
robot, as well as its control operation are studied. The result of this work collaborates to
educational projects, researches and prototypes development based on the concepts of
manufacturing and on the Numerical Control technology of equipment itself.
xi
Key - words: Manufacturing, Numerical Control, Computer Aided Manufacturing.
1
1 INTRODUÇÃO
O presente trabalho trata do projeto de um Controlador Numérico para uma mesa de
coordenadas de dois graus de liberdade composta de duas bases. As bases deslocam-se num
plano horizontal e são acionadas por dois motores. As posições das bases são medidas por
dois sensores de posição. Como estas mesas são utilizadas em aplicações onde se exige alto
grau de exatidão, o Controle Numérico Computadorizado é o ideal.
O Controle Numérico de Equipamentos é uma forma de automação que traz muitas
vantagens, tais como a repetibilidade e a homogeneidade da produção, assim privando o
trabalhador de atividades insalubres e desgastantes.
Este projeto visa efetuar o Controle Numérico de uma Mesa XY, a fim de possibilitar a
fabricação de placas de circuito impresso para auxiliar a outras linhas de pesquisas na
Universidade Federal de Ouro Preto. Com a automação desta Mesa XY, no Departamento de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET) pretende-se implementar aplicações, entre
elas a polimerização a laser. Assim a interdisciplinaridade é uma característica desse projeto,
que busca automatizar um sistema mecânico para suprir diversas áreas.
Automação é um sistema de controle pelo qual mecanismos verificam e atuam em seu
próprio funcionamento, efetuando medições e introduzindo correções, sem a necessidade
direta da inteferência humana. Atualmente, está presente em diferentes níveis de atividades do
homem, desde a medicina até a astronomia, ampliando a capacidade de interação com a
natureza e os processos.
O conceito de automação pode ser aplicado em diversos níveis das operações de
fábrica, tais como: dispositivo (sensores e atuadores); máquina (máquinas individuais e
esteiras); célula ou sistema (células de manufaturas); planta (sistemas de produção);
corporação (Dados corporativos) entre outros. Este trabalho trata do nível de máquina
incorporando equipamentos e estações de trabalho bem como o Controle Numérico
Computadorizado.
Computer-Aided Design (CAD), Projeto Auxiliado por Computador, é o nome
genérico de sistemas computacionais utilizados pela engenharia, para facilitar o projeto e
desenho técnicos.
Computer-Aided Manufacturing (CAM), Manufatura Auxiliada por Computador é um
sistema baseado em máquinas de controle numérico, comandadas por computador, que utiliza
um monitoramento das funções de produção, manipulação, transporte e armazenagem.
2
O Controle Numérico Computadorizado é uma forma de automação computadorizada
em que as ações de uma máquina-ferramenta são controladas por um programa alfa-numérico.
Tais ações possibilitam uma maior repetibilidade das atividades, tornando mais uniformes os
tempos. Assim possibilita a redução do start-up, diminuição dos índices de refugos e de
retrabalho.
Uma Mesa XY é composta de duas bases que se deslocam num plano horizontal e são
acionadas por dois motores. Assim por meio de geração de movimentos coordenados nos dois
eixos de movimento da mesa, é possível deslocar o plano de trabalho pela trajetória definida
via software.
A estrutura do trabalho compreende, além desta introdução, outros cinco capítulos.
Os capítulos “2 MOTORES DE PASSO” e “3 SERVOMOTORES” apresentam uma
revisão bibliográfica realizada sobre as características elétricas e mecânicas dos motores de
passos e dos servomotores, e são apresentados os aspectos gerais de seu funcionamento.
Os capítulos “4 ENCODER” e “ 5 ROBÔS AXIAIS”, descrevem o procedimento de
funcionamento dos encoders e uma interpretação da mesa xy do ponto de vista da robótica.
O capítulo “6 CONTROLE NUMÉRICO”, caracteriza a técnica de controle de
equipamentos usando números.
O capítulo “7 APLICAÇÕES”, relata uma série de usos para as mesas xy em diversas
áreas da engenharia.
O capítulo “8 PROJETO”, fazendo uso dos estudos anteriores este capítulo reúne
técnica e equipamento, fazendo uso de hardware e software para a efetuar o controle numérico
computadorizado da mesa xy.
O capítulo “9 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS”, apresenta as
considerações finais obtidas a partir do estudo e proposições para desenvolver trabalhos
futuros.
3
2 MOTORES DE PASSO
Motores de Passo são equipamentos eletromecânicos que convertem sinais elétricos
em movimento mecânico discreto.
Eles são compostos de basicamente duas partes o Rotor e o Estator. O Rotor é o
conjunto eixo-imã que gira juntamente a parte móvel do motor, e estator é onde as bobinas se
enrolam, eles podem ser vistos na figura 2.1.
Figura 2.1 eixo e estator.
Fonte: LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
O eixo do motor gira conforme a seqüência de sinais elétricos, assim a sua variação
controlamos o sentido de giro, a velocidade de rotação e o angulo de deslocamento. São
comuns motores de passo com exatidão de 1,8(ou 200 passos por volta), assim podem ser
posicionados precisos e repetidamente, apresentando uma excelente característica de parada,
partida e reversão, pois os motores respondem a pulsos digitais de entrada e podem ser
controlados por malhas abertas de controle. Contudo os motores de passo podem ter
dificuldades de operarem a velocidades extremamente elevadas e ainda ressonâncias se o
controle não for apropriado.
Os motores de passo possuem três construções básicas motores de passo com
relutância variável, de imã permanente ou hibrido.
2.1 Motores de passo com relutância variável
4
Esses motores possuem um estator laminado e o rotor é feito a partir de ferro doce e
possuem vários pólos. Diferentemente de outros motores, esse tipo não possui imã
permanente assim o seu torque na partida é nulo, logo não se deve acioná-los com carga.
2.2 Motores de Passo com imã permanente
Diferentemente do motor de passo de relutância variável os de imã permanente
possuem o seu rotor feito de alnico e é magnetizado radialmente, assim o torque estático não é
nulo.
2.3 Motores de Passo híbridos
Esse tipo de motores de passo possui tanto o rotor quanto o estator multidentado. O
rotor é composto de imã permanente e magnetizado axialmente, com ótimo grau de precisão e
boa relação de torque, os ângulos de deslocamentos são pequenos entre 0.9 e 1.8 graus.
2.4 Principio de Funcionamento
Os motores de passo são projetados com enrolamentos polifásicos, como a
maioria dos motores. O numero de pólos está diretamente ligado ao tamanho do ângulo de
deslocamento desejado por pulso de entrada. O controle do deslocamento do eixo do motor de
passo está relacionado à seqüência de exitação das bobinas. Esta seqüência é determinada
pelos pulsos de entrada.
Existem três tipos básicos de movimentos o de passo inteiro, o meio passo e o
micropasso, para qualquer tipo de motor de passo tanto unipolar quanto bipolar. Para efetuar o
movimento de passo inteiro há duas opções: uma seria energizar uma bobina de cada vez a
outra opção seria energizar a bobinas em pares de modo que o rotor se estabilize entre as duas
bobinas, figuras 2.2 e 2.3.
5
Figura 2.2 Motor bipolar com passo inteiro.
Fonte LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
Figura 2.3 Motor unipolar com passo inteiro.
Fonte LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
Meio passo consiste em fazer a metade do deslocamento angular que o passo inteiro
faria, assin para um motor bipolar energiza-se conforme mostra a figura 2.4, caso seja um
motor unipolar a energização é feita conforme a figura 2.5 .
Figura 2.4 Motor bipolar com meio passo.
Fonte LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
6
Figura 2.5 Motor unipolar com meio passo.
Fonte LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
A figura 2.6 mostra a seqüência de energização das bobinas do motor.
Figura 2.6 Tabela de energização das bobinas para motor de passo e meio passo.
Fonte LEITE, LIMA, LEÃO, PRESTES (2003).
7
3 SERVOMOTORES
Os servomotores, como os motores de passo, são dispositivos eletromecânicos que
posiciona o seu eixo em uma determinada posição angular conforme um sinal de entrada.
Esses motores possuem um circuito de controle e um potenciômetro ligado ao eixo do
motor como pode geralmente ser visto na figura 3.1. Esse potenciômetro realimenta o circuito
de controle “informando” a posição angular do motor, assim quando estiver na posição
desejada o motor para. Geralmente os Servomotores possuem limitadores de deslocamento,
estes de 0º a 90º ou de 0º a 180º, contudo esse limitador pode ser removido.
Figura 3.1 Servomotor.
Fonte: Santos (2003).
Todo servomotor apresenta o torque de saída proporcional à tensão de controle
aplicada pelo amplificador que responde ao sinal de erro dado pelo potenciômetro. O sentido
do torque é definido pela polaridade de tensão de controle.
O sistema de um servomotor pode ser representado pelo diagrama de bloco, figuras
3.2.
Controlador
Transdutor de entrada
v
Radianos
Potenciômetro
de entrada
r
+
voltas
-b
voltas
e
Amplificador
Gerador
voltas
Elemento
Instalação
m
voltas
Servo
motor
de
realimentação
Tacômetro
Figura 3.2, Diagrama de blocos representando o sistema de um Servomotor.
c
voltas
8
3.1 Princípios de Funcionamento
A figura 3.2 (KENJO, 1991) mostra a vista em corte de um motor genérico com dois
ímãs−permanentes. A armadura é equipada com fios de cobre uniformemente colocados num
núcleo de ferro laminado cilíndrico. Os comutadores através das escovas passam a corrente
elétrica pela armadura. As escovas são montadas na carcaça de maneira a deslizar pela
superfície do comutador quando a armadura girar mantendo o contato elétrico.
Figura 3.3 Motor DC ímã−permanente em corte.
Fonte: KENJO (1991).
Segundo Mussoi (2002), os motores de Imã permanentes trabalham normalmente em
tensões de 6 e 200 Volts. Os motores de campo permanente são bem compensados por meio
de enrolamentos de comutação, evitando assim a desmagnetização dos imãs do campo em
virtude de uma súbita mudança na polarização da tensão CC da armadura. As estruturas
desses motores são feitos de uma liga de Alnico VI (liga de alumínio níquel e cobalto),
forjada em anel circular de cerca de uma polegada de diâmetro circundando a armadura por
completo e proporcionando um fluxo forte associado.
Os servomotores são motores DC projetados para trabalhar em malha fechada. Para
uma modelagem do sistema ea(t) é a tensão da armadura, o sinal de entrada do sistema, Lm e
Rm correspondem à indutância e a resistência da armadura, respectivamente. A tensão em(t) é
9
a gerada pelo movimento da bobina no campo magnético do motor, ou seja, a força contra
eletro-motriz, pode ser representado na equação 3-1a.
em(t ) = Kφ
dθ
dt
(Equação 3-1a)
O K corresponde a características do motor, φ é o fluxo do campo e θ é o ângulo de
deslocamento do eixo do motor. dθ dt corresponde a velocidade angular do eixo.
Considerando-se o fluxo φ constante a equação 3-2 deixa de ser não-linear.
ea(t ) = Ra ia (t ) + L
dia (t )
+ t m (t )
dt
(Equação 3-1b)
dθ
dt
(Equação 3-2)
em(t ) = Km
Aplicando a transformada de Laplace na equação 3-2, tem-se:
Em( s ) = KmsΘ( s )
(Equação 3-3)
Sendo o circuito da armadura, em Laplace, dado pela equação 3-4, tem:
Ea ( s ) = ( Lms + Rm) Ia ( s ) + Em( s )
(Equação 3-4)
Colocando Ia(s) em evidencia, tem-se:
Ea( s ) − Em( s )
Lms + Rm
Ia( s ) =
(Equação 3-5)
Define-se o torque pela equação 3-6:
τ (t ) = K1φia (t ) = K τ ia (t )
(Equação 3-6)
Aplicando a transformada de Laplace na equação 3-6, tem se:
T ( s) = K τ I a ( s)
(Equação 3-7)
Para se obter a equação final do torque total aplicado na armadura, onde J é o
momento de inércia conectado ao eixo do motor e B representa o atrito do ar e dos
rolamentos, assim a representada na equação 3-8.
J
d 2θ
dθ
= τ (t ) − B
2
dt
dt
(Equação 3-8)
Aplicando a transformada de Laplace na equação 3-8, tem se:
T (s) = ( Js2 + Bs)Θ(s)
(Equação 3-9)
Colocando Θ(s ) em evidencia, tem-se:
Θ( s ) =
T ( s)
Js 2 + Bs
(Equação 3-10)
10
Partindo da fórmula de ganho de Manson obténs a função de transferência do motor
(Equação 3-11)
G( s) =
G1 ( s) Kτ G2 ( s )
Θ( s)
=
Ea ( s ) 1 + G1 ( s) Kτ G2 ( s ) H ( s)
(Equação 3-11)
Partindo das equações anteriores constrói-se o diagrama (Figura 3.4).
Ea +
G1 =
Ia
1
sLm + Rm
T
Kt
G2 =
1
Js + Bs
θ
2
− Em
H ( s) = K m s
Figura 3.4, Diagrama de blocos da equação 3-11.
De acordo com PHILLIPS e HARBOR (1997), pode-se considerar a indutância da
armadura Lm pequena, quando se trabalha com servomotores, assim a função G (s ) pode ser
simplificada como visto na equação 3-12.
G(s) =
Kτ
JR m s + ( BRm + Kτ K m ) s
2
(Equação 3-12)
É importante destacar que a função de transferência, G (s ) , é dependente do atrito e da
inércia do sistema.
Um sistema de controle numérico feito com um servomotor mostra-se confiável e
estável, sendo uma opção importante para aplicações, usando Controle Numérico.
11
4 ENCODER
Para aplicações na automação utilizam-se muitos dispositivos com posições iniciais e
finais bem definidas, como por exemplo, sistemas controlados por atuadores pneumáticos ou
hidráulicos. Assim quando é necessário saber com precisão onde uma dada peça se encontra
no espaço e a sua posição atual usa-se encoder.
Com esse sensor é possível converter um movimento, tanto linear quanto circular, em
sinais digitais que informariam a posição, funcionando como uma realimentação do sistema,
que informa sobre as posições atuais, assim podendo compará-las com as posições planejadas
em sua programação. Com isso, pode-se utilizar essa informação em um sistema,
possibilitando o controle do equipamento.
4.1 Princípio de funcionamento
Encoders regulares são as forma mais simples de Encoders. São compostos de um
disco perfurado, um foto-emissor e um foto-receptor, o disco é acoplado ao eixo que se deseja
determinar a posição, este disco fica entre o foto-emissor e o foto-receptor, logo, conforme o
numero de pulsos gerados pode-se determinar a velocidade de rotação.
Conforme o número de furos do disco rotativo, tem-se a relação de pulsos/volta,
assim quanto maior o numero de furos por volta maior será a exatidão do equipamento. Mas
pode-se também com apenas dois furos e com uma defasagem de 90º entre eles, determinar a
o sentido e a velocidade de rotação.
Tabela Verdade
Figura 4.1 Exemplo de disco de encoder absoluto
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
12
Outra técnica seria colocar mais furos por disco variando a sua distancia do centro.
Com isso pode-se determinar o sentido, a velocidade de giro e a posição angular. Coforme
mostrado na figura 4.1, o disco possui 8 segmentos, logo cada um representa uma faixa
angular de 45º, dessa forma quanto mais segmentos, maior a precisão, por exemplo um disco
de 50 segmentos teria a exatidão de 7,2º, sabendo-se também a velocidade e o sentido de giro.
4.2 Tipos de Encoder
Existem vários tipos de encoder como, por exemplo, o encoder regular defasado,
encoder absoluto e potenciômetro.
Os encoders regulares possuem em seu disco apenas um furo assim quando e feixe de
luz é interrompido pela rotação do disco, gera um pulso e o emite para o controle. Logo
contando esses pulsos sabe-se a velocidade de rotação.
Figura 4.2 Exemplo de Disco de Encoder Regular
Os encoders regulares defasados funcionam da mesma maneira, contudo ele possui
mais em posições defasados, figura 4.3, fazendo uso de dois foto-sensores teremos o sinal de
cada um deles separadamente, sabendo a defasagem de cada um deles, tem-se a velocidade e
o sentido de rotação.
A função do encoder é fornecer dois tipos de dados, a quantidade de movimentos
efetuados pelo motor, e o sentido de rotação do eixo, sendo esse horário ou anti-horário.
Quaisquer informações adcionais são obtidas por meio de cálculos.
13
Figura 4.3 Exemplo de Disco de Encoder Regular Defasado.
Os encoders absolutos tem o mesmo principio de funcionamento, contudo além de dar
as mesmas informações, eles geram um código binário que define com precisão a posição
angulares do eixo. O seu disco é composto de segmentos, cada um com certo número de furos
e em posições para diferenciarem entre si, assim cada segmento é caracterizado por um
código binário, no instante que passa pelos foto-sensores. Pode ser visto na figura 4.1.
Os encoders óticos absolutos têm a capacidade de fornecer informações mais rigorosas
que os incrementais. Pois eles são capazes de informar a posição física da junta robótica, sem
que tenha que comparar a posição inicial com a atual, pois ele já fornecer um sinal
diferenciado para cada posição angular.
Figura 4.4 Regulador de Vazão.
14
Os resistores variáveis (potenciômetros) fornecem um dado analógico tornando-o mais
preciso. Em um de seus terminais deve ser alimentado com uma fonte de tensão e o outro
terminal ligado à terra, assim basta deslocar o eixo do potenciômetro para colher um dado
analógico. A sua limitação está ligada ao numero de voltas do sistema que se deseja medir,
utilizado no regulador de vazão (figura 4.4) o potenciômetro mede o deslocamento da haste
que esta ligada ao diafragma da válvula, logo sabendo quanto ela esta aberta sabe-se qual a
vazão podendo assim ser controlada.
15
5 ROBÔS AXIAIS
Os robôs manipuladores industriais são máquinas fascinantes e complexas do ponto de
vista mecânico e estrutural, do ponto de vista elétrico, eletrônico e informático e do ponto de
vista da complexidade de controle. Mesmo assim apresentam-se ainda como máquinas
limitadas em programação, controlabilidade e em termos de exploração remonta.
Os robôs possuem características que a distinguem de máquinas automatizadas tais
como flexibilidade na programação, versatilidade e autonomia. Assim como foi definido pelo
(RIA) Robot Institute of América o robô industrial é “Dispositivo multifuncional, programável
para realizar uma série de tarefas, dedicados à automação das atividades de um ambiente
CIM”.
A estrutura mecânica robótica é composta de segmentos articulados que permitem
movimentos relativos. O primeiro elemento da cadeia cinemática é a base ou chassis, que
podem ser rígidas ou giratórias. As articulações podem possuir movimentos rotacionais ou de
translação classificados como rotacionais ou prismáticas respectivamente. Por fim o último
elemento da cadeia cinemática é a ferramenta de trabalho, que difere conforme a aplicação do
equipamento.
Os robôs podem possuir diferentes organizações dos seus elementos estruturais, e
podem ser conectados em série ou paralelo. Os Robôs Seriais possuem os seus acoplamentos
em cadeia aberta que unem os elementos rígidos do sistema mecânico. Nesse tipo de robô
cada acoplamento é movimentado por um motor, a sua base é fixa e o último elemento leva a
ferramenta de trabalho. Os Robôs Paralelos por sua vez possuem os seus acoplamentos em
cadeia cinemática fechada, maior rigidez da estrutura e de carga, contudo menos volume de
trabalho.
5.1 Graus de liberdade
Os movimentos robóticos são frutos compostos de deslocamentos básicos, cada um
desses deslocamentos é um grau de liberdade. A construção de robôs industriais visa
manipular ferramentas e objetos no espaço de trabalho, assim para uma movimentação é
necessário decompor em função dos graus de liberdade do sistema.
16
A quantidade de graus de liberdade de uma junta está vinculada à quantidade de
movimentos relativos pertencentes a cada uma das partes rígidas conectadas. Podem-se citar
cinco tipos de movimentos que englobam até 3 graus de liberdade numa mesma junta, figura
5.1.
Tipo
Características
Revolução
Giro
entre
Esquema Geral
esses
dois
relativa
entre
membros.
Prismático
Translação
dois elementos.
Cilíndrica
Giro e translação
Esférica
Rotação nos 3 eixos
Fuso
Translação em função de
uma rotação
Figura 5.1 Os cinco tipos de juntas robóticas e suas características.
17
O número de graus de liberdade é tão elevado quanto o projeto necessita, assim deve
ser suficiente para atender as especificações do trabalho.
5.2 Características das juntas
As juntas na robótica são de dois tipos: Rotacionais (R) ou Prismáticas (P). As juntas
Rotacionais são mais simples que as Prismáticas, contudo estas apresentam maior precisão e
rigidez devido as suas características construtivas.
Os movimentos relativos em dois elementos rígidos em robótica são possibilitados
devido à interposição de dois elementos deslizantes para reduzir o atrito devido à resistência
ao movimento.
Os robôs cartesianos possuem apenas juntas Prismáticas e nenhuma angular. Assim a
composição do movimento dessas juntas possibilita o deslocamento da ferramenta de
trabalho. A área de trabalho desse tipo de robô está relacionada com a dimensão das juntas
prismáticas, logo a área de trabalho correspondente é um paralelepípedo, figura 5.1.
Figura 5.2. Ilustra a configuração do manipulador cartesiano.
Fonte: SPONG (1989).
Figura 5.3. Volume de trabalho do robô cartesiano.
Fonte: SPONG (1989).
18
Com o uso de todas as juntas Prismáticas facilita-se o controle, pois se utilizam eixos
de coordenadas ortogonais e paralelos aos movimentos das juntas. Com isso qualquer
movimento da juntas Prismáticas corresponde a uma translação no eixo de coordenadas. Este
tipo de robô é muito utilizado em trabalhos em que o objetivo é mover objetos paralelamente
a um dos eixos coordenados.
5.3 Repetibilidade e Precisão
Um manipulador preciso é aquele que chega muito próximo do ponto predeterminado,
dentro do volume de trabalho. A repetibilidade está relacionada com a capacidade do
manipulador de retornar ao ponto predeterminado.
Essas características são influenciadas por erros computacionais, defeitos em peças
mecânicas, efeitos de flexibilidade das peças sob cargas gravitacionais e de inércia (sobretudo
em altas velocidades). Para evitar esses problemas, os manipuladores têm sido projetados com
grande rigidez. Atualmente, projetam-se manipuladores cada vez mais rápidos e precisos,
assim para atingir esses objetivos o projeto dos controladores têm tido um grande foco,
buscando flexibilidades.
19
6 CONTROLE NUMÉRICO
Segundo NATALE (2000), Controle Numérico é o controle feito com o uso de
números. Esse método é usado para controle automatizado do posicionamento de máquinas e
equipamentos.
Para se fazer um controle numérico deve-se utilizar um software que codifica a ação
desejada em uma seqüência numérica. Outro sistema irá decompor esse código e dará a saída
para o posicionamento e funções especiais. Assim estes comandos de controle são enviados
para servomecanismos do equipamento. As determinações de todas as operações que o
equipamento deve executar estão codificadas na forma de instruções numéricas ou em forma
lista de instruções.
Os comandos ou informações fornecidos a máquina podem ser de dois tipos
informações de comutação ou de trajetória. Com os dados contidos nos comandos de
trajetórias é possível executar o percurso ou movimentos atribuídos à ferramenta. Já os
contidos na comutação comandam o restante das ações a se realizar, como controle da
velocidade, avanço ou recuo, troca de ferramenta, entre outras.
Segundo NATALE (2000), as máquinas se caracterizam conforme o tipo de
movimento da ferramenta. As máquinas de deslocamentos lineares são caracterizadas como
retificadoras de superfície e plainas. As máquinas de deslocamentos lineares ou circulares são
caracterizadas como tornos e fresas. E as que se move de ponto a ponto e sobre a peça são
geralmente máquinas de solda, furadeiras.
As ferramentas podem efetuar 3 tipos de trajetórias, linear, circular e de ponto a ponto.
Ao efetuar um movimento linear ele é feito em um dos eixos ou em ambos simultaneamente,
ou seja, uma interpolação linear. Sendo circular, o movimento obedece a um determinado
raio. Caso seja de ponto a ponto, utilizado na aproximação da ferramenta à peça, feito em
movimentos rápidos.
6.1 Sistema de Coordenada
O Sistema de Coordenada é a forma que o mundo real é representado para efetuar o
Controle Numérico. Usualmente o número que determina a posição desejada é precedida de
uma letra ou número que define o eixo de coordenada.
20
Figura 6.1, Sistema de Coordenada.
Observando a figura6. 1, o ponto A pode ser representado como “X176,36 Y149,54
Z110,3”, a unidade pode ser milímetros se possuir ponto decimal e em microns se não
possuir. Usualmente o sistema de referência é atribuído à peça(W), figura 6.2, que é
localizada a partir da translação do sistema básico de referência. A referência básica é
conforme o volume de trabalho, sendo este sempre no quadrante positivo.
Figura 6.2. Sistema de coordenadas na peça.
Fonte: LOPES (2001).
21
7 APLICAÇÕES
Muitas indústrias utilizam comandos numéricos para comandar equipamentos, via
computadores, para atuarem em sistemas da linha de produção, manipular e transportar
produtos. Uma das aplicações é uma Mesa XY. Ela tem grande utilidade e pode ser
programada como plotter, mesa de corte, desbaste, aplicação de material entre outras
funcionalidades.
Segundo Rabak e Sinchman(2001) vários tipos de maquinas podem ser usadas para a
inserção de dispositivos eletrônicos em placas de circuito impresso, como robôs ou máquinas
especialistas, ou seja, máquinas insersoras de componentes eletrônicos. Para isso essas
máquinas efetuam 5 etapas:
•
Posicionar-se para retirar o componente do alimentador;
•
Retirar o componente eletrônico do alimentador;
•
Transporte do componente desde o alimentador até a placa de circuito
impresso;
•
Posicionar para colocação do componente na placa de circuito impresso;
•
Colocar o componente na placa de circuito impresso corretamente.
Assim para posicionar a placa de circuito impresso sob a cabeça de inserção de
componentes, usa-se uma Mesa XY.
Algumas empresas desenvolvem produtos baseados na tecnologia de controle
numérico de Mesas XY. A Range Laser a partir de 2000 passou de desenvolver equipamentos
direcionados para a indústria de confecção, como máquinas de Corte, Meio Corte e Gravação
a Laser (Figura 7.1). Esses equipamentos posicionam a área de trabalho o cabeçote de corte
ou gravação por meio de uma Mesa XY, e ainda utilizam um atuador linear para posicionar o
cabeçote na distância correta.
22
Figura 7.1 Equipamento de corte e meio corte modelo RXY-F.
Fonte: Range Equipamentos & Tecnologia Ltda. (2008).
A Mesa XY pode ser usada para corte de materiais usando água ou água mais um
abrasivo (figura 7.2). No processo de corte é necessário o uso de uma bomba de ultra-alta
pressão, ordem de 290 MPa (42.000 psi), uma Mesa XY para posicionar o material que será
cortado e um computador para efetuar o controle. O controle do sistema é feito a partir do
computador, a forma que o objeto deve ser cortado é feito em um sistema CAD (Desenho com
Auxílio de Computador), em seguida por meio de uma ferramenta CAM (Manufatura
auxiliada por computador) o desenho é convertido em um sistema uma seqüência que dados
que irão comandar a Mesa XY, possibilitando o corte da peça (HENNIES, 2004).
Figura 7.2 Esquema construtivo dos bocais para água pura e com abrasivos.
Fonte Hennies (2004).
23
RODRIGUES e LACERDA (2003) desenvolveram uma Mesa de coordenadas XY
com a finalidade de corte e solda de chapas de aço. Nesse projeto foram usados motores de
passo, correias, polias e acionadores elétricos, figura 7.3. No projeto o movimento
longitudinal é produzido pelo movimento relativo do motor de passo, que por meio da correia
dentada desloca a plataforma, esta faz que com um mesmo sistema de motor e correia dentada
desloque a ferramenta perpendicularmente ao eixo longitudinal.
Figura 7.3 Esquema construtivo da Mesa XY.
Fonte Rodrigues e Lacerda (2003).
Usando a tecnologia de Mesas XY também é possível produzir “Impressoras 3D”, ou
seja, prototipagem rápida. Uma das técnicas usadas é a polimerização a laser, em que um tipo
de polímero recebe um feixe de laser, dando a forma desejada ao polímero, ou ainda
transforma plástico em pó de camada em camada em objetos iguais aos modelos em 3D. As
impressoras 3D existem a mais de 10 anos no mercado, contudo o seu preço é muito elevado,
assim sendo viável apenas para grandes corporações.
Com a redução de custos materiais e a tecnologia mais acessível, a técnica de
prototipagem rápida pode ser feita usando uma Mesa XY, para o posicionamento do polímero,
um laser, no eixo Z possibilitando a polimerização em diversas camadas. Segundo DISTRIM
(2005), através da técnica de polimerização a laser é possível obter protótipos complexos,
24
podendo ser usados diretamente em testes de funcionamento. O processo pode ser aplicado
em diversos materiais como plásticos, cerâmicas e metais.
DISTRIM (2005), afirma que impressoras 3D, possibilitam a obtenção de modelos
para validação a baixo custo. Os modelos obtidos podem ser utilizados na produção de peças
metálicas através do processo de vazamento por cera perdida.
O método chamando de LENS (Laser Engineered Net Shaping) trabalha com diversos
tipos de metais como aço inox, aço doce, alumínio e como outros metais. Esse processo
possibilita não só a fabricação de modelos, mas também peças funcionais em pequena escala.
Nesse processo o ambiente de trabalho é controlado, possuindo um baixo teor de oxigênio,
assim as finíssimas camadas de metal depositadas não oxidam. A cristalização, das
micropartículas depositadas se dá em grânulos muito pequenos, tornando as peças mais
resistentes do que as produzidas pelos meios tradicionais de extrusão ou usinagem. No
processo LENS (Figura 7.4) as camadas finíssimas de metal são aplicadas sucessivamente, o
raio laser funde as partículas de metal sobre um substrato. O Substrato é posicionado sob o
laser a partir de uma mesa de coordenadas XY e os dados de controle vêm de um arquivo
CAD (INOVAÇÃO, 2003).
Figura 7.4, Laser Engineered Net Shaping.
Fonte INOVAÇÃO (2003).
25
8 PROJETO
Aplicando os estudos apresentados anteriormente, na Mesa XY (Figura 8.1), do
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET), é possível desenvolver
um Controle Numérico utilizando Softwares, Hardwares e Motores específicos.
Automatizando a Mesa de Coordenadas para suprir diversas áreas da engenharia.
Figura 8.1 Foto da Mesa de Coordenadas.
8.1 Hardwares e Motores
Para controlar os motores de passo o circuito de potência é controlado a partir da porta
paralela (Figura 8.2).
Figura 8.2 Plug para Porta paralela
Fonte: O'Brien (2006).
26
Para fazer a placa de circuito impresso é necessário conhecer as características
elétricas dos motores de passo que estão sendo utilizados, as configurações mais comuns para
os motores de 4 pólos são de 5 ou 6 fios (figura 8.3). As principais características elétricas
necessárias para acioná-los seriam a corrente de trabalho, a resistência da bobina e a tensão
elétrica. Esta é usualmente especificada no motor, considerando como 12 V, mas para o seu
perfeito funcionamento é necessário determinar a corrente que o motor consome.
Figura 8.3 Motores de 5 e 6 fios.
Fonte: Messias (2002).
Para determinar qual a resistência das bobinas do motor e qual é o fio comum, com o
uso do ohmímetro testam-se os fios, quando for encontrado o fio comum a resistência será a
menor possível, conforme a figura 8.4. Quando não se encontra o fio comum, a resistência
encontrada é grande, sempre o dobro da que se fosse o fio comum.
Figura 8.4, Teste para encontrar o fio comum.
Fonte: Messias (2002).
27
Após as medições, teremos apenas dois valores de resistências uma baixa e outra alta.
A menor resistência medida é a resistência de uma única bobina do motor, e esse valor é uma
das características elétricas buscada, MESSIAS (2002).
Utilizando essas técnicas, tem-se como exemplo, que os motores de passo da Mesa
XY, que possuem resistências de 28 ohms. Aplicando a lei de Ohm (Equação 8.1), tem-se:
V=RI
(Equação 8.1)
12= 28*I
I= 428 mA
Para se utilizar o circuito de controle e potência é necessário conhecer a “pinagem” da
porta paralela para o software, esse projeto é feito para o Kcam, para ele o esquema da
“pinagem” pode ser visto na figura 8.5.
Figura 8.5, Esquema típico para controle de motor de passo.
Fonte Ware (2007).
Kcam é shareware até a que seja registrado, mas não possue restrições de funções
durante o período de experiência. Foi desenvolvido para abrir arquivos criados em software
CAD e controlar Equipamentos de Controle Numérico ligados ou Microcomputador por
portas paralela ou serial, WERA (2007).
Partindo do esquema da figura 8.5, é possível usar o Projeto N5-i (Figura 8.6). Que
consiste de uma placa phase/drive sem resistor de lastro, ou seja, sem limitação de corrente
28
para o motor. Como o motor é alimentado pela fonte na sua tensão nominal, ele raramente
ultrapassa 700Hz de velocidade nessas condições, MORTARI (2007). O Circuito pronto do
Projeto N5-i pode ser visto na figura 8.7.
Figura 8.6 Esquema do Projeto N5-i.
Fonte Mortari (2007).
Figura 8.7, Placa pronta para acionamento de 3 motores de passo.
Fonte Mortari (2007).
29
8.2 Software
Após desenvolver o hardware e identificar as características elétricas dos motores de
passo, torna-se necessário utilizar uma interface. O Kcam é a interface mais fácil de
configurar. Ele importa um arquivo de AutoCAD e a partir dele adquire as coordenadas
objetivas, para o sistema de Controle Numérico.
AutoCAD® é um software do tipo CAD — Computer Aided Design ou desenho
assistido por computador — criado e comercializado pela Autodesk, Inc. desde 1982. É
utilizado principalmente para a elaboração de peças de desenho técnico em duas dimensões
(2D) e para criação de modelos tridimensionais (3D). Além dos desenhos técnicos, o software
vem disponibilizando, em suas versões mais recentes, vários recursos para visualização em
diversos formatos. É amplamente utilizado em arquitetura, design de interiores, engenharia
mecânica e em vários outros ramos da indústria.
Segundo Ware (2007), em quatro etapas está pronta a configuração do Kcam. A
primeira etapa é localizar um arquivo para o software adquirir os parâmetros de coordenadas.
A segunda etapa na janela de setup o usuário entra com os dados da máquina e os parâmetros
dos eixos. Na terceira etapa na janela de configuração são definidos os parâmetros de
comunicação da porta paralela ou serial dependendo do tipo de circuito de potência adotado.
Na quarta etapa vê-se configurar o System Timing, para isso basta que acesse a janela System
Timing, clicar no botão Start e em seguida basta esperar a confirmação de conclusão, todas
essas informações estão detalhados no manual do Kcam.
Após configurar, importa-se um arquivo DXF, ou seja, um arquivo ASCII usando o
formato do AutoCAD R12 ®. No menu file entra-se em import uma janela aparecerá para
digitar o nome do arquivo e sua localização. Em seguida o software gera o código CNC, que
comanda o circuito de potência, acionando até 3 motores de passo, logo controlando até 3
eixos. O Kcam também inclui ao código das posições e outras ações, como acionamento de
equipamentos tais como Tocha de Plasma ou solda.
30
9 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
A Engenharia de Controle e Automação é uma ciência que evolui rapidamente, onde
novas tecnologias são desenvolvidas diariamente. Assim o estudo de técnicas e equipamentos
limita o conhecimento do usuário, sendo necessário ao engenheiro uma forte base teórica para
que não só manuseie o equipamento, mas também o compreenda de forma segura as questões
práticas.
O termo prototipagem rápida designa um conjunto de tecnologias usadas para se
fabricar objetos físicos diretamente a partir de fontes de dados gerados por sistemas de projeto
auxiliado por computador (CAD). Tais métodos são bastante peculiares, uma vez que eles
agregam e ligam materiais, camada a camada, de forma a constituir o objeto desejado. Eles
oferecem diversas vantagens em muitas aplicações quando comparados aos processos de
fabricação clássicos baseados em remoção de material, tais como fresamento ou torneamento.
Buscando suprir essa necessidade, este projeto de Controlador Numérico para uma
Mesa XY abre muitas novas opções de pesquisa, ensino e extensão na Universidade Federal
de Ouro Preto. Todo o projeto foi idealizado visando utilizar menor quantidade de recursos
possíveis: o Kcam é um software livre e o esquema do circuito de potência, N5-i também
(exceto para fins comerciais).
Neste trabalho desenvolveu-se um estudo sobre Controle Numérico suas
características e aplicações. Buscando projetar um controlador para uma mesa de
coordenadas, a fim de utilizá-la em novas aplicações.
Para isso foram levantadas as características técnicas dos componentes da mesa, dentre
eles os motores e sensores. Definiram-se as características da placa de controle do motores e
os softwares necessários. Os softwares usados, para o projeto, foram o AutoCAD e o Kcam.
Utilizando-se os dois softwares é possível fazer o controle de até 3 motores, assim podendo
desenvolver aplicações de até 3 coordenadas.
Neste trabalho desenvol-se o projeto do controlador numérico, este trabalho mostrou
um grande potencial para aplicações em inúmeros segmentos na engenharia.
Como trabalhos futuros são sugeridos: implementação do projeto de controle, a busca
de novas aplicações e melhorias para este sistema. Após a implementação do controle da mesa
poderia usa-la para confecção de circuitos impressos, desbaste de placas, polimerização á
laser, relevo à laser em peças metálicas entre outras. Como o software Kcam possibilita
31
controle via porta serial seria possível comunicar via porta USB, pois os microcontroladores
da Microchip que comunicão via USB instala um drive que faz o computador interpretar este
dispositivo ligado em uma porta serial.
32
10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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