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IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO (CNC) POR
RETROFITTING EM UM TORNO MECÂNICO UNIVERSAL.
CRISTIANO DONIZETI FERRARI, ORIENTADOR: MARCOS APARECIDO CHAVES FERREIRA
Automação Industrial, Faculdade de Tecnologia de Catanduva – Centro Paula Souza
E-mail: [email protected]
Resumo - O rápido avanço da produção industrial obriga as indústrias nacionais a substituírem suas
máquinas-ferramenta operadas manualmente por máquinas automatizadas, como as comandadas numericamente, e assim se manterem competitivas dentro do mercado nacional e internacional. Esta substituição de tecnologia trouxe consigo uma grande necessidade de profissionais qualificados. Tal situação
implica na necessidade de treinamentos eficientes, visando estudos práticos com máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado). Visando suprir esta deficiência, este trabalho descreve a construção de um torno CNC didático, de baixo custo a partir da modernização de um torno mecânico universal
e a utilização de um microcomputador, como unidade de comando numérico da máquina. Os comandos
são enviados pelo computador através da interface paralela aos motores de passo; estes por sua vez realizam movimento de rotação que permitem o deslocamento linear dos carros do torno. O Software controlador numérico adotado foi o MACH3 comercializado pela ArtSoft, baseado no sistema operacional
Microsoft Windows. Sua escolha baseou-se em algumas vantagens apresentadas pelo mesmo, como importação direta de arquivos CAD, geração de códigos G através de interface gráfica amigável, facilidade
programação através do bloco de notas e a possibilidade de aproveitar os computadores tipo desktop
comerciais.
Abstract
 The rapid advance in industrial production requires domestic industries to replace their machine tool manually operated by automated machines, such as numbering richly commanded, and thus
remain competitive in the domestic and international markets. This substitution of technology has
brought a great need for qualified professionals. This situation implies the need for effective training,
practical studies aimed at machines with CNC (Computer Numeric Control). Aiming to address this
shortcoming, this paper describes the construction of a CNC lathe teaching, low cost from the modernization of a universal lathe and uses a PC as the unit of numerical control machine. The commands are
sent by the computer through the parallel interface to stepper motors and these in turn perform rotation
that allows linear movement of cars around. The software used was a numerical controller MACH3
marketed by ArtSoft, based on the Microsoft Windows operating system. His choice was based on some
advantages presented by the same as direct import of CAD files, code generation via G-friendly graphical interface, easy programming via notepad and the ability to take advantage of the commercial desktop type computers.
Palavras-chave (Keywords) – Retrofitting, CNC, Torno Mecânico, Qualificação.
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1- Introdução
As máquinas-ferramenta apresentaram um rápido desenvolvimento, devido principalmente à utilização dos
sistemas de comando numérico computadorizado (CNC). Com o passar do tempo as máquinas-ferramenta passaram a apresentar sintomas que alertam para a inadequação ou fim de vida útil das mesmas. Do ponto de vista
econômico, a simples troca destes equipamentos pode-se tornar um investimento extremamente dispendioso, no
entanto, uma alternativa que vem sendo experimentada com muito sucesso por diversas empresas é a denominada modernização ou Retrofitting (adaptação), que tem por objetivo a atualização tecnológica das máquinasferramenta (Demec, 2011).
Mesmo máquinas mais antigas, podem ser reaproveitadas, pois possuem estruturas de elevada rigidez, proporcionando condições de permanecerem em operação e agregando novas funções e recursos. A modernização
trata-se principalmente da inclusão ou substituição dos sistemas de comando e controle, acionamentos e sistemas
de medição por equipamentos atuais. Desta forma, a máquina passaria a apresentar melhores especificações
(Demec, 2011).
O retrofitting de máquinas, também conhecido como reforma ou modernização, é muitas vezes a solução para empresas que desejam dar uma sobrevida para máquinas antigas, mantendo suas características periféricas,
com perfeito estado de conservação mecânica. Essa necessidade é crescente, uma vez que a eletrônica das máquinas, equipamentos e sistemas evoluiu muito nos últimos anos e continua com rápida evolução.
Devido ao avanço tecnológico, os produtos estão se tornando defasados cada vez mais rápidos. Dessa maneira, a tendência é direcionar os esforços da indústria para se produzir produtos competitivos de acordo com as
demandas do consumidor. Isto, por consequência, significará trabalhar com estoques menores e um sistema de
produção que atenda a essas variações de um modo rápido e econômico (Rubio, 1999).
Segundo, Paulo Freire (Freire, 1996), a tecnologia de um país é sua educação de qualidade, e a tecnologia é
a base de sustentação da economia e soberania de uma nação.
É possível verificar os diversos tipos de estudos e equipamentos experimentais nas mais diversas áreas, tanto
de engenharia, física, computação e outras, visando baixo custo no investimento para as instituições e facilidade
de montagens e peças de fácil reposição. Isso demonstra uma forma eficaz de suprir as necessidades dos alunos
em aplicar na prática os conhecimentos adquiridos na teoria, sem que haja grande investimento em equipamentos
comerciais pelas instituições de ensino (Sanches, 2009).
Diante desta situação, se faz necessária a qualificação dos profissionais que irão participar desse processo
produtivo. Para isso pode-se utilizar: máquinas CNC industriais de produção, máquinas CNC didáticas ou softwares simuladores. A opção por máquinas industriais é cara e perigosa, pois envolve riscos aos alunos e demanda área e instalações elétricas adequadas. O uso de simuladores pode apresentar menor custo, pois necessita apenas de um microcomputador e o software de simulação. Entretanto, o simulador nem sempre representa fielmente o ambiente e a ação de produção, apresentando-se fora da realidade. Por sua vez, a opção por máquinas didáticas apresenta menor custo em relação a uma aquisição de uma máquina industrial nova, uma vez que a máquina
é construída para fins didáticos e não de produção, reduzindo seu preço e possibilitando um treinamento em condições semelhantes à realidade de produção. Deve-se observar em todas as situações que o projeto deve ser seguro; se o produto não oferece perigo ao usuário sendo necessário prever anteparos quando os perigos não podem
ser evitados no projeto ou quando isto não é possível, informações apropriadas devem ser fornecidas.
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Em termos ambientais, o retrofitting de uma máquina evita que a mesma fosse lançada ao meio ambiente
como uma sucata sem uso.
Com base nesta expectativa, este trabalho propôs a construção de um equipamento com características industriais para utilização em ambiente acadêmico, sendo suporte para as disciplinas ministradas no curso de Tecnologia em Automação Industrial da Fatec Catanduva, através da modernização de um torno mecânico, recebido
como doação. O torno foi modernizado adicionando-se um controle de comando numérico, motores de passo,
drivers de potência, fontes de alimentação e interface de comunicação.
2- Máquinas CNC
Desde os tempos mais remotos nas mais antigas civilizações, o homem busca racionalizar e automatizar o
seu trabalho, por meio de novas técnicas. A automação simplifica todo tipo de trabalho, seja ele físico ou mental
(Cassaniga, 2005).
Durante a 2ª Guerra Mundial, as necessidades de evolução foram de papel decisivo, necessitavam-se de
muitos aviões, tanques, barcos, navios, armas, caminhões, etc., tudo em ritmo de produção em alta escala e grande precisão, pois a guerra estava consumindo tudo, inclusive com a mão de obra. Grande parte da mão de obra
masculina utilizada pelas fábricas como especializada, foi substituída pela feminina, o que na época implicava na
necessidade de treinamento, com reflexos na produtividade e na qualidade. Era o momento certo para se desenvolver máquinas automáticas de grande produção, para peças de precisão e que não dependessem da qualidade
da mão de obra aplicada. Diante deste desafio, iniciou-se o processo de pesquisa onde surgiu a máquina comandada numericamente. A primeira ação neste sentido surgiu em 1949 no laboratório de Servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), com a união da Força Aérea Norte americana (U.S. Air Force) e a
empresa Parsons Corporation of Traverse City. Foi adotada uma fresadora de três eixos, a Hydrotel, da Cincinnati Milling Machine Company, como alvo das novas experiências. (Cassaniga, 2005).
Os controles e comandos convencionais foram retirados e substituídos pelo comando numérico, dotado de
leitora de fita de papel perfurado. Atualmente o meio mais usado de entrada de dados para o CNC é via computador, embora durante muitos anos a fita perfurada foi o meio mais usado, assim como outros com menor destaque.
A partir de 1957, houve nos Estados Unidos, uma grande corrida na fabricação de máquinas comandadas
por CN, e com isso alguns problemas foram aparecendo dentre eles a falta de padronização da linguagem devido
ao grande número de fabricantes. Em 1958, por intermédio da EIA (Eletronic Industries Association) organizouse estudos no sentido de padronizar os tipos de linguagem, então foi desenvolvida pelo MIT (Massachusetts Institute of Tecnology) a linguagem APT (Automatically Programed Tools), a partir deste instante foram desenvolvidas outras linguagens para a geração contínua de contornos como AutoPrompt (Automatic Programming of
Machine Tools), ADAPT, Compact II, Action, e outros que surgiram e continuam surgindo para novas aplicações (Navarro,1991).
No início da década de 70, surgem no Brasil as primeiras máquinas CNC (Controle Numérico Computadorizado) vindas dos Estados Unidos, além das primeiras máquinas CN (Comando Numérico) de fabricação nacional. A partir daí, observa-se uma evolução contínua e notável concomitantemente com os computadores em ge-
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ral, fazendo com que os comandos CNC mais modernos, empreguem em seu conceito físico (hardware) tecnologia de última geração. Com isso, a confiabilidade nos componentes eletrônicos aumentou e consequentemente a
confiança em todo sistema.
A evolução do torno universal levou à criação do torno revólver, do torno copiador e do torno automático.
De acordo com Robson, Alexandre e Juan C. C. Rubio (2000), basicamente em uma máquina de comando
CNC encontra-se as seguintes tecnologias:
•
Unidade de Controle Numérico;
•
Dispositivo de acionamento;
•
Sistema de controle;
•
Comutador da ferramenta.
Figura 1: Esquema Geral de um Torno CNC comercial (ROMI)
De maneira simplificada, pode-se dizer que uma máquina CNC trabalha seguindo três passos básicos, bem
diferenciados. Primeiro o computador da máquina lê um programa e transfere para a linguagem de máquina, ou
seja, o código binário entendido pela mesma. Em seguida, quando o operador inicia o ciclo automático, o computador transforma o código binário em pulsos elétricos que são enviados à unidade alimentadora da máquina. A
unidade de controle compara o número de pulsos enviados e recebidos. Por último, quando os dispositivos de
acionamento recebem cada pulso, estes automaticamente transformam-no em movimento possibilitando o deslocamento relativo peça-ferramenta.
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2.1 - Unidade de Controle Numérico
Com base na tecnologia digital disponível no momento de sua criação (início da década de 1950), surgiram
os primeiros comandos numéricos. Essas máquinas não possuíam memória, portanto não armazenavam programas. Segundo Amic (1997), para produzir uma peça mais de uma vez, as máquinas CN tinham que reler o programa e executá-lo passo a passo após a leitura do mesmo.
Uma nova era para os CNCs surgiu com o desenvolvimento da microeletrônica (microprocessadores e periférico). Assim, com a utilização dos microprocessadores, foi permitido ao comando numérico computadorizado
(CNC) realizar operações lógicas, aritméticas e de controle de movimento especialmente a memorização de informações (Rubio,1992). Atualmente as máquinas CNC armazenam os programas na memória quando estão
lendo o programa pela primeira vez. Isso garante uma economia de tempo quando se produz lotes maiores de
peças idênticas, uma vez que o programa não necessita de uma nova leitura. As máquinas CNC possuem um
computador acoplado que permite a realização das tarefas de leitura, análise e edição das informações do programa. Em essência, o que difere as máquinas CN das CNC é o computador (Amic, 1997).
Trabalhando no princípio binário, como todo computador, o da máquina CNC usa apenas dois caracteres (0
e 1) para processar suas informações. Os computadores respondem a esses impulsos no exato momento em que
os recebem do circuito. Assim o pulso com tensão é o nível 1, e o sem tensão é o nível 0. As séries de 0 e 1 é o
tipo de informação que o computador reconhece, entretanto ao criar um programa, o programador não necessita
conhecer todas as sequencias de 0 e 1 do comando; ele faz uso de uma lista de códigos determinados pelo fabricante da máquina que são inseridos manualmente no painel, ou gerados por um software específico e transmitidos por uma rede a máquina CNC. Pata padronização das linguagens utilizadas existe um conjunto de normas,
sendo uma delas fornecida pela ISO (International Organization for Standardization) que estabelece padrões de
utilização. Dentre as linguagens está a linguagem G ( ou código G), padronizada pela ISO 6983:1982.
A maioria dos fabricantes adotam códigos de programação padrões, criando uma redefinição e uma customização, baseados no Sistema ou Normas ISO de padronização de linguagem G.
O programador insere o código no computador da máquina que o compila através de seu software específico
gerando uma linguagem de máquina (0 e 1). Então, o computador do CNC envia o sinal para os acionamentos
que geram o movimento relativo peça-ferramenta. O controle da máquina está todo num microcomputador, assim o programador não necessita informar todos os pontos onde a ferramenta irá passar, mas apenas os pontos
principais e a referência da trajetória. Como exemplo, em um contorno de raio, o programador só informa o tipo
de movimento (horário ou anti-horário), seu ponto inicial, seu ponto final e seu raio. Com base nessas informações o computador calculará todos os pontos necessários onde a ferramenta deve passar para realizar o contorno
mais preciso.
2.2 - Dispositivos de Acionamento
Para promover o deslocamento relativo entre a peça e a ferramenta existem diversos tipos de dispositivos,
entre eles podemos citar os cilindros pneumáticos, cilindros hidráulicos, servomotores lineares, rotativos, entre
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outros. Em relação aos motores rotativos, destacam-se os motores de passo e os servomotores de corrente contínua, corrente alternada e de fluido. (Amic, 1997)
Os servomotores de corrente contínua tem a rotação controlada pela variação da tensão a eles aplicada. São
utilizados para acionar mecanismos de movimentação de máquinas-ferramenta por fornecerem alto nível de torque. Os servomotores de corrente alternada tem a sua velocidade controlada pela variação da frequência da rede
elétrica que os alimenta; tem maior potência que os servomotores de corrente contínua. Já os servomotores de
fluido são capazes de produzir maior potência que os dois anteriores citados, no caso dos servomotores hidráulicos; no caso dos servomotores pneumáticos desenvolvem maior velocidade. O servomotores de movimento contínuo requerem a utilização de uma malha de controle fechada para realizar o posicionamento.
Os motores de passo são dispositivos eletromecânicos de acionamento que promovem, a partir de pulsos elétricos, a movimentação angular discreta de seu eixo. A cada um desses movimentos angulares dá-se o nome de
passo. Um motor de passo característico possui um rotor com ímãs permanentes em sua periferia e enrolamentos
em um estator. Quando o estator é energizado através de um pulso elétrico, o rotor é atraído a alinha magneticamente seus polos com o par de polos gerados pelos enrolamentos. Cada pulso elétrico enviado pelo módulo de
comando (driver) corresponde a um passo. Sua desvantagem é o baixo desempenho em altas velocidades, além
da ocorrência de ressonância. Quanto ao tipo de funcionamento os motores de passo podem ser: de relutância
variável, de ímãs permanentes e híbridos.
Quanto aos tipos de acionamento usados para controle do motor de passo podem ser usados: full step (passo
completo), half step(meio passo) , normal ou micro passos.
Tabela 1: Comparativo entre os dispositivos de acionamento (Brite e Santos, 2011)
Características
Motor de Corrente
Motor de passo
Servomotor
Contínua
Velocidade
Alta
Baixa
Média
Torque
Zero/Alto
Alto/Médio
Baixo/Alto
Facilidade de Controle
Fácil
Média
Complexo
Precisão
Nenhuma
Alta
Muito Alta
Durabilidade
Média
Ótima
Média
Manutenção
Sim
Não
Sim
Abaixo, na figura 2 é mostrado de forma simplificada o acionamento de um motor de passo, apresentando o
circuito integrado SAA 1027. O pino 15 recebe o sinal de disparo, o pino 3 recebe a direção de rotação e o pino 3
recebe o sinal de habilitação do motor. Os sinais de saída são transmitidos pelos pinos 6, 8, 9 e 11 às bobinas do
motor de passo.
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Figura 2: Esquema de acionamento de um motor de passo.
2.3 - Sistemas de Controle
Podem-se diferenciar os dois tipos de controle nas máquinas CNC em função do tipo de acionamento. Os
controles podem ser em malha aberta e malha fechada. A precisão da máquina é definida pelo tipo de malha utilizada (Rubio, 1999).
No sistema de controle de malha aberta, a unidade de controle não tem realimentação (feedback) da posição
que se encontra o dispositivo. Os motores de passo recebem os pulsos da unidade de controle e executam os movimentos; a quantidade de movimento é determinada pelo número de pulsos que a unidade de controle envia. Em
função de emitir somente pulsos, sem realimentação, não é possível detectar se existe um desvio de posição, impossibilitando-se precisar se a ferramenta vai alcançar a posição desejada. Dessa forma a máquina não reconhece
o posicionamento da ferramenta em função de seu ponto de origem. A exatidão dependerá exclusivamente dos
pulsos enviados aos motores de passo. Como não é necessária a adição de dispositivos eletrônicos, como encoders ou transdutores, para fazer a medição direta ou indireta do ponto desejado, o controle por malha aberta torna-se mais barato. A grande desvantagem é a dificuldade de detectar um eventual erro de posicionamento
(Amic, 1997).
No sistema de controle por malha fechada, o dispositivo de movimentação também recebe pulsos eletrônicos, realizando o movimento relativo peça-ferramenta. Esse movimento é detectado e realimenta o sistema de
controle por meio de transdutores ou encoders. A cada movimento, o elemento de controle (encoder/transdutor)
envia sinais para o controle, que compara esses pulsos com a posição atual dos eixos no programa. Assim, quando o número de sinais emitidos pelo transdutor é igual ao programado pelo operador e interpretado pelo programa CNC, o comando começa a enviar os pulsos do próximo movimento. O sistema de malha fechada permite
uma melhor precisão no posicionamento. Alguns sistemas são dotados de sensores que indicam o erro ao comando e este realiza a correção automática do posicionamento, fazendo a ferramenta retornar a sua posição correta, sem a necessidade de intervenção do operador; como por exemplo, um desgaste da ferramenta de corte.
Obtém-se um sistema mais fino, consequentemente mais caro, quando se trabalha com servomotores.
2.4 - Comutador de Ferramenta
A complexidade das peças e as várias etapas de sua produção necessitam de ferramentas diferentes para cada tipo de perfil. A ferramenta deve ser trocada de forma rápida para a próxima operação da máquina. Para faci-
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litar a troca rápida de ferramentas, as máquinas CNC recebem comutadores de ferramentas, que podem ser automáticos ou manuais. Os manuais são do tipo troca-rápida, onde o operador retira manualmente uma ferramenta
previamente presa a um gabarito e a substitui por outra ferramenta; usando para isso uma chave de troca com um
simples giro de 90°. As comutadoras automáticas não tem interferência direta do operador, pois através de uma
função do programa CNC, o comando envia um sinal que realiza a troca automática da ferramenta. Centros de
usinagem são dotados de magazines para diversas ferramentas e tornos CNC são dotados de torres elétricas ou
hidráulicas para a troca automática das ferramentas.
3- Metodologia e desenvolvimento
O projeto teve seu início com o recebimento do torno mecânico marca IMOR, modelo OPHICINA 420 fabricado em 1980. A máquina foi doada à FATEC Catanduva e encontrava-se fora de uso e sem utilidade às atividades didáticas da instituição de ensino.
Primeiramente analisou-se a viabilidade do projeto e as possibilidades de modernização do equipamento recebido. Para a modernização, procurou-se apurar as adaptações estruturais necessárias para qualificá-la como um
Torno CNC. Foram levadas em conta as funções didáticas do equipamento e o custo final do projeto, pensandose em reduzir custos o máximo possível sem perder a qualidade e precisão.
A construção se deu através da modernização e adaptação de um torno mecânico universal e da utilização de
um software para comando numérico baseado no uso da porta paralela de um microcomputador do tipo desktop.
O software adotado foi o MACH3, da ArtSoft que possui uma interface gráfica simples, além de rodar em ambiente Windows, o sistema operacional ainda de maior aceitação entre os usuários. Atualmente o software MACH3
é um dos melhores softwares para CNC baseados em PC com aproximadamente 10 mil usuários. O torno CNC
projetado é capaz de usinar aço, cobre e suas ligas, alumínio, polímeros e madeira. Como foi utilizado um torno
mecânico industrial, sua capacidade de usinagem não foi modificada podendo executar todos os trabalhos que
eram manuais. Com o auxílio de fluido refrigerante e ferramentas adequadas pode-se trabalhar com aços de baixa, média e até alta dureza.
Figura 3: Torno utilizado para implementação do CNC (Fonte: Autor)
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3.1 - Projeto Mecânico
Após o levantamento das modificações necessárias, passou-se a elaboração dos desenhos das peças para implementação do torno CNC, usando o software AutoCad, da Autodesk Inc. Neste período, procurou-se projetar
peças de acordo com os recursos disponíveis, preocupando-se com seu custo, facilidade de obtenção, materiais
apropriados com características de boa resistência mecânica. Assim, optou-se pelo alumínio e pelo Aço ABNT
1020. O alumínio foi selecionado para a construção dos mancais de rolamento dos fusos de esferas, do acoplamento flexível e das polias sincronizadoras, devido a sua leveza e facilidade de usinagem. O aço ABNT 1020 foi
usado para fabricação dos suportes dos motores de passo dos eixos X e Z. Após a conclusão do projeto mecânico
das peças, da definição da metodologia de montagem, e ajustes necessários, passou-se a etapa de construção mecânica.
Figura 4: Desenho Completo – Eixo X (Fonte: Autor)
Figura 5: Desenho Completo – Eixo Z (Fonte: Autor)
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3.2 - Construção Mecânica
O processo de construção mecânica constitui-se na substituição dos acionamentos mecânicos do torno, adequação de uma placa de 3 castanhas, adequação de um painel elétrico de comando e fixação dos conectores dos
motores de passo.
O torno é constituído de dois eixos: Longitudinal ou Eixo Z e Transversal ou Eixo X. No eixo Z retirou-se o
fuso roscado mecânico, o varão de acionamento do movimento automático mecânico além do varão de acionamento elétrico do eixo árvore. Foi adquirido no comércio, um fuso de esferas recirculantes para conferir precisão
e velocidade ao movimento do eixo Z. O fuso foi adaptado à estrutura do torno por intermédio dos mancais de
rolamento posteriormente fixados ao torno por parafusos. Para o eixo X, o processo adotado foi praticamente o
mesmo do eixo Z, sendo necessário retirar-se o fuso mecânico e a bucha roscada de bronze que encontrava-se
com muita folga. Também foi adquirido um fuso de esferas recirculantes e adaptado ao torno com mancais de
rolamento, como pode ser visto na figura 6.
Para a movimentação dos carros sobre as guias do torno optou-se pela utilização de motores de passo. Como
o eixo Z exige um maior esforço mecânico optou-se pela utilização de um motor de passo com 42 Kgf*m que
aciona o fuso indiretamente por meio de uma correia sincronizadora de passo 5 milímetros. Construiu-se um
suporte para o motor de passo do eixo Z sendo acoplada ao motor uma polia sincronizadora de 25 dentes, a
mesma utilizada no fuso do eixo Z. O fuso do eixo X exige menor esforço e optou-se pela utilização de um motor de passo de 15 Kgf*m. O motor foi fixado diretamente ao fuso por meio de um acoplamento flexível construído de alumínio e um elastômero intermediário. Os fusos utilizados foram de 25 milímetros de diâmetro para o
eixo Z e 16 milímetros de diâmetro para o eixo X, sendo que o custo dos fusos de esferas foi compensado pela
precisão adquirida no equipamento. As velocidades dos motores chegaram a 2600 mm/min no caso do eixo Z e
2200 mm/min no eixo X, otimizadas por software e sem entrar em ressonância.
Verificou-se que a placa de 3 castanhas que acompanhava o torno não encaixava-se no seu eixo árvore. Foi
necessária usinar uma nova flange e uma adaptação para o modelo de placa 3 castanhas que pertencia ao torno
original. Além disso, o projeto necessitava de um novo painel de comando, que foi adquirido e fixado ao torno
de forma a não atrapalhar suas funções. Também se necessitou posicionar as ligações elétricas dos drivers até os
motores, onde foram colocadas uma esteira porta-cabos e caixas com tomadas de conexão instantânea. Não foi
possível, neste momento do projeto, criar algum comutador automático de ferramentas.
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Figura6: Peças utilizadas no trabalho
3.3 – Projeto Elétrico/Eletrônico
Após a finalização da construção mecânica, partiu-se para a execução do projeto elétrico/eletrônico. Basicamente constituiu-se da interligação dos drivers de comando comerciais com os motores de passo, além da comunicação entre o microcomputador com os drivers através da porta paralela e a partida direta do motor do eixo
árvore.
Devido à necessidade do projeto em ter uma máquina precisa e com recursos para usinagem de aço, optouse pela utilização de drivers comerciais, que foram adquiridos pela FATEC Catanduva. Esses drivers tem controle de corrente e podem realizar micro passos, garantindo a precisão dos movimentos. Os drivers adquiridos são
dos modelos AKDMP7-5.6A (driver X) e AKDMP5-5.0A (driver Z) fabricados pela Akiyama Corporation.
O chaveamento dos motores de passo é realizado pelos drivers. Para isso, é necessário que os mesmos estejam conectados ao computador via porta paralela. Cada driver recebe duas linhas de dados do computador: uma
fornece a direção e outra fornece o passo para a rotação. Através destas duas linhas é realizado o comando do
driver, opcionalmente pode-se incluir uma linha para habilitar o driver. Como os drivers trabalham com altas
correntes, é necessário proteger o computador de possíveis sobretensões e sobrecorrentes. Para isso foi adquirida
uma placa opto-acoplada importada, modelo Breakout DB 25, fabricada pela Zhongshan Koqi Electronics, que
recebe os sinais da porta paralela e os envia para os drivers de comando. A figura a seguir apresenta a placa adquirida, o painel de entrada da porta paralela onde foi fixada a placa e o painel de comando onde estão os drivers
e as fontes de alimentação.
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(a)
(b)
(c)
Figura 7: (a) Placa opto-acoplada adquirida, (b) painel com drivers e (c) Fontes de alimentação (Autor)
O torno possui um motor Dahlander (duplo enrolamento) de 2 e 4 CV que, nesse momento do projeto, é acionado em partida direta utilizando-se somente 1 enrolamento para a velocidade mais alta . O sinal de comando
para a partida também é transmitido pela porta paralela à placa opto-acoplada que é dotada de um relé; este relé é
alimentado com 220 V e, a partir da placa opto-acoplada, faz o chaveamento do contator do motor. Assim, a
seleção de velocidades do torno será associada a uma combinação mecânica de duas alavancas no cabeçote principal e a partida direta do motor controlada pelo comado do computador. Também foi instalado um botão de
emergência que desliga o equipamento e todos os drivers.
A inserção de chaves de fim-de-curso no torno delimita o campo de trabalho dos carros e impede a movimentação fora da área de trabalho garantindo segurança e também possibilitando o ajuste de referência para o
software (home). Para chaves de fim-de-curso foram usados 4 sensores indutivos de 2 fios, atuando como chaves, que quando acionados enviam um sinal ao comando; o comando interrompe o programa e emite um alerta
de fim-de-curso acionado. A figura 8 a seguir apresenta o esquema simplificado das ligações.
Figura 8: Esquema simplificado de ligações (Autor)
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3.4 – Programa CNC
A unidade de controle numérico da máquina é um computador comercial comum, utilizando-se de um software como programa CNC. Foi necessária a utilização de um software confiável e de baixo custo para exercer
suas funções de forma didática e próxima de um ambiente real de uma indústria. Foram testados 3 softwares: o
TURBO CNC da DAK Engineering, o EMC2 da Linuxcnc.org e o MACH 3 da ArtSoft. O primeiro foi descartado por ser pago e usar como sistema operacional o DOS, já em desuso; o segundo é um software livre, porém usa
o sistema operacional baseado em LINUX, o que dificultaria a didática por ser um sistema ainda pouco amigável. Por isso optou-se pelo uso do MACH 3, mesmo sendo um software também pago, apresenta-se com uma
interface gráfica amigável, telas fáceis de entendimento, fácil configuração e guias pré-configuradas para facilitar a programação, como pode ser visto na figura 8.
O software MACH 3 é executado em sistema operacional Windows XP, o que também pesou na sua escolha
pois é um dos sistema operacionais mais usados e mais difundidos entre os usuários domésticos.
Figura 9: Telas do programa MACH3 (ArtSoft)
O programa MACH3 é capaz de comandar os dois motores de passo, comandar o acionamento do eixo árvore, limitar a movimentação dos carros nos dois eixos por meio dos sinais enviados pelos sensores de fim-decurso, executar movimentos manuais através do teclado, importar arquivos .DXF do CAD e gerar o código de
programação à partir dele, além de possuir uma interface com arquivos facilitadores de programação. Na aba
“wizards” do programa é possível encontrar arquivos de usinagem configuráveis, onde o operador apenas informa alguns valores básicos e o software se encarrega de realizar os cálculos e gerar o programa em código ISO
(G). No software também há a possibilidade da edição do programa usando apenas o bloco de notas do Windows, salvando o arquivo em formato texto. A importação dos arquivos de usinagem também é feita com base
nos arquivos de texto.
4- Resultados alcançados
Este projeto teve como principal objetivo a modernização de uma máquina e atingir sua função didática na
FATEC Catanduva. Os resultados alcançados mostram que esses objetivos foram alcançados. O equipamento
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encontra-se a disposição em um dos laboratórios de Automação da FATEC Catanduva e servirá de apoio nas
disciplinas do curso de Automação Industrial da instituição. Se compararmos o torno CNC montado no projeto
com um mesmo equipamento industrial encontraremos alguns detalhes para comparações. Em uma máquina
semelhante industrial, as velocidades máximas dos eixos chegam a 10000 mm/min enquanto no projeto conseguiu-se chegar a 2600 mm/min, em função do tipo de acionamento: servomotor no equipamento industrial e motor de passo no equipamento do projeto. Guardadas às proporções percebe-se que o projeto não fugiu às características apresentadas.
Outro fator que merece um comentário é o custo. Para se adquirir uma máquina nova industrial, gastar-se-ia
em torno de R$ 120000,00, enquanto a modernização do equipamento custou em torno de R$ 6000,00 com as
configurações atuais, além de impedir o descarte do mesmo.
O sistema permite produzir peças diversas com usinagem de materiais de leve a alta dureza, além de ter características próprias aos CNC´s industriais familiarizando o aluno ao ambiente de trabalho, como mostrado na
figura 8. Na figura 10 é apresentado o resultado final deste trabalho.
Figura 10: Projeto finalizado (Autor)
5- Conclusões e Sugestões
Após os testes do equipamento conclui-se que ele atende plenamente os fins a que se destina:
•
Aplicar conceitos adquiridos durante a formação acadêmica;
•
Familiarizar o aluno às novas tecnologias;
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•
Modernizar um equipamento obsoleto e fora de uso.
O projeto cumpriu seus objetivos, proporcionou experiências na área de desenvolvimento mecânico, eletroeletrônico e de software. Algumas implementações podem ser realizadas em trabalhos futuros:
•
Aplicar um controle de velocidade ao eixo árvore com Inversor de Frequência;
•
Criar um sistema de malha fechada, recebendo sinais de encoders e transdutores;
•
Implantar um sistema capaz de ler a velocidade do eixo árvore para a sincronização dos movimentos de abertura de roscas no torno pelo software;
•
Construir um sistema de troca rápida de ferramentas ou troca automática;
•
Adequações às normas reguladoras NR-10, NR-12 e NR-17. DSST - Departamento de Segurança e
Saúde no Trabalho, do Ministério do Trabalho e Emprego.
•
Buscar soluções de software livre para o comando numérico;
•
Acréscimo de ferramenta girante e posicionamento programado do eixo árvore para a função de 3°
eixo;
•
Utilização e controle de fluido refrigerante;
•
Portas de proteção com controle pneumático;
•
Alimentador automático de barras com placa pneumática;
•
Monitor sensível ao toque.
6- Agradecimentos
Este trabalho foi desenvolvido com o apoio da Metalúrgica Loren Sid Ltda., que cedeu seus equipamentos e
seu espaço para a usinagem e confecção de todas as peças necessárias ao projeto, exceto o fuso, além da Cassis
Ferramentas que cedeu ferramentas para o projeto.
Agradecimentos também a FATEC Catanduva que apostou no projeto e mostrou que com motivação é possível alcançar os objetivos.
7- Referências Bibliográficas
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de Mestrado, EESC – USP, São Carlos, 2009.
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