TCC - Carlos Felipe de Paiva Perché

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - CAMPUS ITABIRA ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS

ITABIRA 2013

CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS

Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá como  parte dos requisitos r equisitos necessários para a obtenção do Grau de Engenheiro da Computação. Orientador: Prof. Dr. Eben-ezer Prates da Silveira.

ITABIRA 2013

CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS

Trabalho Final de Graduação, apresentado à Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabira, como requisito parcial para aprovação no curso de graduação em Engenharia da Computação. Professor Orientador Dr. Eben-ezer Prates da Silveira Sil veira Resultado:________________  Itabira, MG,______________________ MG,_________________________________  ___________  BANCA EXAMINADORA  _______________________  ___________________________________ _______________________ _____________  __  Professor Dr. Eben-ezer Prates da Silveira  _______________________  ___________________________________ _______________________ _____________  __  Professor Dr. Evandro Daniel Calderaro Cotrim  _______________________  ___________________________________ _______________________ _____________  __  Professor Msc. Ivan Lucas Arantes

RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema baseado no conceito de controle numérico computadorizado e destinado a criação de protótipos de placas de circuito impresso através de um equipamento micro controlado. Elaborou-se uma estrutura mecânica composta de três eixos cartesianos (X, Y, Z) que são movimentados por motores de passo. O acionamento dos motores é comandado por um  software que realiza a troca de informações com um microcontrolador através de uma interface USB. PALAVRAS-CHAVE: Motor de Passo, USB, Circuito Impresso, Fresagem, Microcontrolador.

ABSTRACT This study presents the development of a system based on the concept of computerized numerical control and intended for prototyping printed circuit boards through a micro-controlled device. We developed a mechanical structure composed by three Cartesian axes (X, Y, Z) which are moved by stepper motors. The triggers of the engines are controlled by software that performs the exchange of information with a microcontroller through a USB interface. KEY WORDS: Stepper motor, USB, PCB, Milling, Microcontroller.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Mini Fresa CNC construída por alunos de Engenharia Mecatrônica da USP ......... 14 Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103.............................................................................. 17 Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router ........................................................................... 18 Figura 4 - Fresadora IEC 3030 ................................................................................................. 19 Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R. ......................................................... 23 Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M. ........................................................................... 23 Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido. .................................................... 24 Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido........................................................................ 24 Figura 9 - Motor de passo unipolar. .........................................................................................25 Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar ..................................................................25 Figura 11 - Motor de passo bipolar ..........................................................................................26 Figura 12 - Esquema circuito Ponte H ..................................................................................... 26 Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase ................................. 27 Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases ............................... 28 Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo .................................................................. 29 Figura 16 -  Drive L/R ...............................................................................................................30 Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor ................... 31 Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR ........................................................................... 32 Figura 19 - Modo de acionamento por comutação ................................................................... 32 Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento................................. 33 Figura 21 - Topologia USB ...................................................................................................... 35 Figura 22 - Modelos de conectores USB .................................................................................. 38 Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber .................................................. 40 Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo  Eagle ....................................................................... 41 Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto .............................................................................. 43 Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação..................................................................44 Figura 27 - Imagem CAD eixo X ............................................................................................. 45 Figura 28 - Imagem CAD eixo Y ............................................................................................. 46 Figura 29 - Imagem CAD eixo Z.............................................................................................. 47 Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X ...................................................... 47 Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem.................................................................48 Figura 32 - Motor de passo NEMA 23KM-C051-07V ............................................................ 49 Figura 33 - Micro retífica ......................................................................................................... 49 Figura 34 - Esquema elétrico da Placa Controladora ............................................................... 50 Figura 35 - Diagrama pinos de conexão ................................................................................... 52 Figura 36 - Esquema elétrico Placa  Driver .............................................................................. 53 Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297 ............................................................................... 55 Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante .................................................... 55 Figura 39 - Estrutura interna do CI L297 ................................................................................. 56 Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step ................................ 57 Figura 41 - Sequência de passos do tradutor modo two-phase-on full ..................................... 57 Figura 42 - Sequência de passos do tradutor modo one-phase-on full ..................................... 57 Figura 43 - Circuito chopper .................................................................................................... 58 Figura 44 - Disposição dos pinos do L298 ............................................................................... 59 Figura 45 - Diagrama interno do L298 ..................................................................................... 59 Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor .............................................................................. 60 Figura 47 - Esquema elétrico Placa Relé .................................................................................. 62 Figura 48 - Fonte Chaveada utilizada no projeto .....................................................................63

Figura 49 - Esquema elétrico Placa Reguladora....................................................................... 64 Figura 50 - Interligação módulos eixo X.................................................................................. 65 Figura 51 - Interligação módulos eixo Y.................................................................................. 66 Figura 52 - Interligação módulos eixo Z .................................................................................. 66 Figura 53 - Formulário Principal ..............................................................................................67 Figura 54 - Configuração.......................................................................................................... 67 Figura 55 - Fresar Circuito .......................................................................................................68 Figura 56 - Controle Manual .................................................................................................... 69 Figura 57 - Fluxograma da etapa de conversão do arquivo Gerber .........................................70 Figura 58 - Etapas de fresamento do circuito ........................................................................... 71 Figura 59 - Fluxograma geral do  firmware PIC.USB .............................................................. 74 Figura 60 - Fluxograma geral do  firmware PIC.CPU .............................................................. 75 Figura 61 - Reconhecimento automático do  firmware ............................................................. 78 Figura 62 - Novo driver instalado ............................................................................................ 79 Figura 63 - Exemplo de um traçado de reta que compõe um circuito ...................................... 80 Figura 64 - Empeno dos Carros ................................................................................................ 89 Figura 65 - Estrutura mecânica desenvolvida........................................................................... 89 Figura 66 - Protótipo placa controladora .................................................................................. 90 Figura 67 - Protótipo placa reguladora ..................................................................................... 90 Figura 68 - Protótipo placa driver ............................................................................................ 91 Figura 69 - Protótipo placa relé ................................................................................................ 91 Figura 70 - Protótipo placa sensor ............................................................................................ 91 Figura 71 - Teste tratamento das informações de um arquivo Gerber .....................................92

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103 .....................................................................17 Tabela 2 - Especificações SHG0404 CNC Router ................................................................... 18 Tabela 3 - Especificações IEC 3030.........................................................................................19 Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC ..................34 Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC ............................................................34 Tabela 6 - Componentes da placa controladora........................................................................51 Tabela 7 - Componentes da placa driver .................................................................................. 54 Tabela 8 - Componentes da placa sensor.................................................................................. 61 Tabela 9 - Componentes da placa relé ......................................................................................62 Tabela 10 - Componentes da placa reguladora......................................................................... 65 Tabela 11 - Protocolo de comunicação .................................................................................... 72 Tabela 12 - Lista dos principais matérias para o sistema mecânico .........................................84 Tabela 13 - Lista dos elementos do sistema eletromecânico .................................................... 85 Tabela 14 - Lista dos elementos Placa Controladora ............................................................... 85 Tabela 15 - Lista dos elementos Placa  Driver .......................................................................... 86 Tabela 16 - Lista dos elementos Placa Reguladora ..................................................................86 Tabela 17 - Lista dos elementos Placa Sensor.......................................................................... 87 Tabela 18 - Lista dos elementos Placa Relé ............................................................................. 87 Tabela 19 - Outros elementos ................................................................................................... 87 Tabela 20 - Cronograma do projeto.......................................................................................... 88

LISTA DE ABREVIATURAS ASCII - American Standard Code for Information Interchange API - Application Programming Interface CI - Circuito integrado CN - Comando Numérico CAD - Computer-aided design CAM - Computer-aided manufacturing system CDC - Communications Device Class CNC - Comando numérico computadorizado FET - Field-effect transistor  FTP - File Transfer Protocol  GND - Ground  GNU - General Public License HID - Human Interface Device HTTP - HyperText Transfer Protocol Secure IP - Internet Protocol  ISO - International Organization for Standardization LED - Light-emitting diode MSD - Mass Storage Device Class PCI - Placa de circuito impresso PIC - Programmable Interface Controller  PID - Product ID PWM - Pulse-width modulation RAM - Random Access Memory ROM - Read Only Memory RPM - Rotações por minuto TCP - Transmission Control Protocol  USB - Universal Serial Bus USP - Universidade de São Paulo VID - Vendor ID

1 2

3

4

SUMÁRIO Introdução ......................................................................................................................... 13 Objetivos........................................................................................................................... 15 2.1 Objetivo geral ............................................................................................................ 15 2.2 Objetivos específicos ................................................................................................. 15 Referencial Teórico .......................................................................................................... 16 3.1 Tecnologia CNC ........................................................................................................ 16 3.2 Trabalhos relacionados .............................................................................................. 16 3.3 Produtos existentes no mercado................................................................................. 17 3.4 Aspectos mecânicos...................................................................................................19 3.4.1 Forças de usinagem ............................................................................................ 19 3.4.2 Estrutura .............................................................................................................20 3.4.3 Transmissão dos movimentos............................................................................. 20 3.4.4 Tipos de motores ................................................................................................ 20 3.4.5 Sistemas de acoplamento.................................................................................... 21 3.5 Aspectos eletrônicos .................................................................................................. 21 3.5.1 Motor de passo ................................................................................................... 21 3.5.2 Tipos de Motores de Passo ................................................................................. 22 3.5.3 Controle de corrente ........................................................................................... 30 3.5.4 Microcontroladores............................................................................................. 33 3.5.5 Universal Serial Bus (USB)................................................................................ 34 3.6 Aplicativos de comando numérico ............................................................................ 39 3.6.1 Programas de comando numérico (CN) ............................................................. 39 3.6.2 Padrão Gerber .................................................................................................... 40 Metodologia e Desenvolvimento...................................................................................... 42 4.1 Detalhamento do sistema mecânico........................................................................... 43 4.1.1 Estrutura de sustentação ..................................................................................... 44 4.1.2 Eixo X.................................................................................................................44 4.1.3 Eixo Y.................................................................................................................45 4.1.4 Eixo Z ................................................................................................................. 46 4.1.5 Suporte Micro Retífica; ...................................................................................... 46 4.1.6 Área de trabalho.................................................................................................. 47 4.2 Detalhamento do sistema eletromecânico..................................................................48 4.2.1 Motor de passo ................................................................................................... 48 4.2.2 Micro Retífica..................................................................................................... 49 4.3 Detalhamento do Hardware .......................................................................................49 4.3.1 Placa Controladora ............................................................................................. 50

4.3.2 Placa Driver ........................................................................................................ 53 4.3.3 Placa Sensor........................................................................................................60 4.3.4 Placa Relé ........................................................................................................... 61 4.3.5 Fonte de alimentação .......................................................................................... 63 4.3.6 Placa Reguladora de tensão ................................................................................ 63 4.3.7 Diagrama de interligação dos módulos eletrônicos ............................................ 65 4.4 Detalhamento do Software .........................................................................................66 4.4.1 Implementação do sistema.................................................................................. 66 4.4.2 Software Controlador..........................................................................................67 4.4.3 Arquivo Gerber .................................................................................................. 69 4.4.4 Fresamento de circuitos ...................................................................................... 70 4.4.5 Protocolo de Comunicação ................................................................................. 71 4.5 Detalhamento do Firmware .......................................................................................72 4.5.1 Considerações importantes.................................................................................73 4.5.2 PIC.USB ............................................................................................................. 73 4.5.3 PIC.CPU ............................................................................................................. 74 4.5.4 Biblioteca de funções.......................................................................................... 75 4.5.5 Descritores USB ................................................................................................. 77 4.5.6 Bits de configuração ........................................................................................... 77 4.5.7 Configuração comunicação serial ....................................................................... 78 4.5.8 Instalação e Funcionamento ............................................................................... 78 4.6 Memória de Cálculo ................................................................................................... 79 4.6.1 Resolução de deslocamento ................................................................................ 79 4.6.2 Velocidades de avanço .......................................................................................80 5 Recursos financeiros......................................................................................................... 84 5.1 Sistema mecânico ...................................................................................................... 84 5.2 Sistema eletromecânico ............................................................................................. 84 5.3 Circuitos eletrônicos .................................................................................................. 85 6 Cronograma ...................................................................................................................... 88 7 Resultados e Conclusões .................................................................................................. 88 Referências ............................................................................................................................... 94 APÊNDICES ............................................................................................................................ 97 APÊNDICE A. Base da estrutura...................................................................................... 97 APÊNDICE B. Pórtico ...................................................................................................... 97 APÊNDICE C. Carros....................................................................................................... 98 APÊNDICE D. Flanges..................................................................................................... 99 APÊNDICE E. Mancais .................................................................................................. 100

APÊNDICE F. APÊNDICE G. APÊNDICE H. APÊNDICE I. APÊNDICE J. APÊNDICE K. APÊNDICE L. APÊNDICE M. APÊNDICE N. APÊNDICE O. APÊNDICE P. APÊNDICE Q. APÊNDICE R. APÊNDICE S. APÊNDICE T. APÊNDICE U. APÊNDICE V.

Mesa X ................................................................................................... 101 Mesa Y................................................................................................... 101 Suporte Retífica Baixo .......................................................................... 102 Suporte Retífica Cima ............................................................................. 102 Buchas de deslizamento .......................................................................... 103 Buchas Rosca M14-MA ........................................................................ 103  Layer para confecção da Placa Controladora......................................... 104 Máscara da Placa Controladora ............................................................ 104  Layer  Bottom para confecção da Placa  Driver ...................................... 105  Layer Top para confecção da Placa  Driver ........................................... 105 Máscara da Placa  Driver ........................................................................ 106  Layer para confecção da Placa Sensor .................................................. 106 Máscara da Placa Sensor ....................................................................... 106  Layer para confecção da Placa Relé....................................................... 107 Máscara da Placa Relé ........................................................................... 107  Layer para confecção da Placa Reguladora ........................................... 107 Máscara da Placa Reguladora................................................................ 108

13

1

INTRODUÇÃO A utilização de placas de circuito impresso como suporte aos circuitos eletrônicos

trouxeram diversas vantagens para a área da eletrônica, como o baixo peso e volume, montagem simplificada e organizada, mais robusta e resistente a vibrações, entre outras. O termo circuito impresso refere-se ao desenho, conhecido como layout , que fica estampado na placa de face metalizada colocada sobre um material isolante rígido, geralmente é empregado fibra de vidro ou fenolite, substituindo a fiação de interligação dos componentes eletroeletrônicos do circuito através de trilhas com seus devidos dimensionamentos. O dimensionamento das trilhas é realizado pelo projetista do circuito e o desenho por aplicativos específicos, cita-se alguns como  Eagle, OrCAD, Tango, Circuit Maker , etc. Atualmente a confecção das placas de circuito impresso em ambientes acadêmicos e  por hobistas para criação de protótipos é feita de maneira manual utilizando tinta permanente e um processo de corrosão por Percloreto de Ferro. Seja qual o método de desenho do circuito utilizado, todos demandam alguns passos para sua confecção, salvo pequenas variações, são eles: •

Corte da placa no tamanho específico;

•

Limpeza da placa;

•

Traçagem do circuito desejado;

•

Corrosão;

•

Furação;

•

Limpeza final. Este trabalho manual necessita de inúmeros equipamentos dependendo do método

adotado como foto cópia do circuito, carbono, papel especial, caneta para retroprojetor, im pressora laser, ferro de passar roupa ou pressa térmica, além de requerer certa habilidade do desenvolvedor do projeto, pois repassar o circuito desenvolvido nos aplicativos de desenho específicos com precisão e rapidez é onde se encontram as maiores dificuldades técnicas. A parte do processo onde certamente poderão ocorrer mais falhas e inconvenientes é a corrosão, pois o processo químico é demorado, perigoso e quase sempre a espessura original da trilha é adulterada, comprometendo o funcionamento do circuito. Com base nessas dificuldades propõe-se o desenvolvimento de um sistema ( hardware/ software) para a

confecção automatizada de protótipos de circuitos impressos.

14

O sistema consiste em uma máquina baseada no conceito de controle numérico com putadorizado (CNC). O uso de CNC é uma forma de automação para o problema que traz vantagens, como a repetibilidade e precisão na confecção dos protótipos, privando o trabalhador de atividades desgastantes. Um equipamento para estes fins possui valor de mercado da ordem de mais de U$ 6.000,00. O presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma fresadora automatizada para a confecção de placas de circuito impresso. A estrutura mecânica será baseada em uma estrutura metálica com movimentação em três eixos (X, Y e Z), a movimentação destes eixos será feita partir de motores de passo. Estes serão controlados por um microcontrolador que receberá de um microcomputador os devidos dados das trilhas a serem desgastadas, via uma interface de comunicação USB. O controle será realizado através de um  software a ser implementado especificamente para este fim. Este tipo de equipamento não é uma novidade e já foi desenvolvido em vários ambientes acadêmicos, como exemplo cita-se o Projeto da USP visto na Figura 1. Figura 1 - Mini Fresa CNC construída por alunos de Engenharia Mecatrônica da USP

Fonte: Bardelli, 2012

Outro fator importante para a escolha do projeto vem do seu caráter multidisciplinar, aplicando conhecimentos adquiridos ao longo da graduação em Engenharia da Computação, consolidando-os, propiciando a oportunidade de desenvolver e aprimorar a capacidade de coletar várias informações, sintetizando-as no desenvolvimento de um produto ou solução  para um problema.

15

2

OBJETIVOS Para que a proposta deste trabalho seja atendida deve se atentar para os objetivos apre-

sentados abaixo.

2.1

Objetivo geral Desenvolver um sistema automatizado de baixo custo para prototipagem de placas de

circuito impresso.

2.2

Objetivos específicos Pesquisar e desenvolver as ferramentas de hardware e software para o sistema propos-

to.  I.

Software

•

Desenvolver um aplicativo de controle via interface USB do microcomputador;

•

Implementar rotinas de tratamento de formato de arquivos padrões para manufatura de circuitos impressos, exemplo: Gerber ;

•

Implementar  firmware com funções de posicionamento dos eixos, acionamento dos motores de passo, leitura dos sensores ópticos e acionamento da micro retífica.

 II.

 Hardware

•

Construir a estrutura mecânica do sistema;

•

Desenvolver um circuito microcontrolador, circuitos de acionamento dos motores, circuitos dos sensores e circuito de acionamento da micro retífica;

•

Desenvolver os demais circuitos necessários para o funcionamento dos circuitos principais.

16

3

REFERENCIAL TEÓRICO Para desenvolver este projeto se faz necessário o estudo de vários assuntos, cada um

 possuindo diferentes soluções e características para atender as necessidades do projeto. Tais características devem ser ponderadas para se chegar a uma solução final. Os itens seguintes contextualizam o funcionamento básico de uma máquina-ferramenta CNC, na qual se baseia o  projeto, bem como alguns conceitos para o entendimento do processo.

3.1

Tecnologia CNC Computer Numeric Control  (CNC),

que em português significa Controle Numérico

Computadorizado, surgiu em uma pequena empresa chamada " Parsons Corporation" que  produzia hélices e rotores de helicóptero. Em 1947 desenvolveu uma forma simples de realizar o controle de uma maquina de usinagem através de números, ligando-a a um microcomputador onde eram inseridas instruções através de cartões perfurados. Com a divulgação do projeto a força aérea americana visualizou que a fabricação de materiais bélicos poderia ter grande avanço utilizando tal tecnologia e contratou a  Parsons,  patrocinando estudos e adaptações de controle numérico para máquina-ferramenta convencional. Assim foi criado o primeiro protótipo de uma máquina que utilizava tecnologia CNC a presentado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1953 (Henry Dan Falk, 2003). A fresadora CNC possui as mesmas características de uma convencional, porém ela  possui um controlador numérico que realiza o controle da máquina. O controle é realizado simultaneamente entre os eixos da máquina por códigos específicos escritos em um arquivo de computador. Na estrutura desses arquivos encontramos um sistema de coordenadas cartesianas para elaboração de qualquer perfil geométrico (Silva, 2005). Graças à tecnologia CNC, foi possível produzir peças de extrema complexidade e grande precisão, principalmente quando associados a aplicativos específicos para o projeto do layout de peças (Silva, 2005).

3.2

Trabalhos relacionados Trento e Pilato (2010) apresentam o desenvolvimento de uma fresadora de baixo cus-

to, comparadas a soluções de mercado, com a finalidade de Prototipagem de placas de circuito impresso. No projeto proposto foi desenvolvida uma interface microcontrolada que recebe informações de um arquivo G-Code diretamente de um  pen drive.

17

Filho (2008) realizou um estudo sobre Controle Numérico, o de são abordados os conceitos fundamentais so bre o Comando Numérico bem como carac terísticas técnicas dos motores de passo, servo m otores e encoders. Em seu projeto foi desen olvido um sistema de controle para uma mesa d coordenadas para aplicações como a conf  cção de circuitos im pressos, polimerização a la er e corte de chapas a água. Cristo (2009) desen volveu uma metodologia que realiza o contr  le de motores de passo via porta paralela de u

microcomputador para ser utilizada em pr  cessos de automação.

O projeto desenvolvido ob eve resultados importantes como precisão n controle da velocidade dos motores, capacidad e de armazenagem para configurações diver sas dos equipamentos, capacidade de armazenar  comandos manuais, possibilitando a progra mação por aprendizagem.

3.3

Produtos existentes no mercado Existem diversos ti pos de máquina-ferramenta CNC, os itens ubsequentes mostram

alguns exemplos destes eq ipamentos bem como suas características p ara que mais tarde sirvam de analise ao projeto a ser desenvolvido. •

Fresadora LPKF P otoMat S103 - produzida pela empresa PK  Laser & Electronics AG e criada para a  produção de protótipos de placas de circuit impresso, a Figura 2 mostra o produto: Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103

Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012

A Tabela 1 apresen a as principais especificações do produto: Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103 Área de trabalho (X / Y / Z) (229 x 305 x 38)  Interface de comu icação

US

Resolução

0.5 

Velocidade de fres amento

150  

18

Velocidade do motor 

0-100000 

Potência do motor 

450 

Diâmetro da broca

1/8”

Alimentação

90/240 

Preço

US$25.000,00 Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012

•

Fresadora SHG0404 CNC Router - produzida pela empresa chinesa Exciteche criada  para corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 3 mostra o produto: Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router 

Fonte: Excitech, 2012

A Tabela 2 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 2 - Especificações SHG0404 CNC Router  Área de trabalho (X / Y / Z) (400 x 400 x 100)  Interface de comunicação

USB

Resolução

< 0.01 

Velocidade de fresamento

300 /

Velocidade do motor

6000-24000 

Potência do motor

800 

Peso

150

Alimentação

220 

Preço

US$12.000,00 Fonte: Excitech, 2012

•

Fresadora IEC 3030 - produzida pela empresa IEHK Laser and CNC Systems Co. Ltd. criada para o roteamento e perfuração de placas de circuito impresso e também para usinagem de materiais macios corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 4 mostra o produto:

19

Figura 4 - Fresadora IEC 3030

Fonte: ICHK, 2012

A Tabela 3 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 3 - Especificações IEC 3030 Área de trabalho (X / Y / Z)

(300 x 300 x 100) 

Interface de comunicação

Porta paralela (LTP)

Resolução

0.01 

Velocidade de fresamento

1000 /

Velocidade do motor 

0-20000 

Potência do motor 

800 

Alimentação

220 

Preço

US$6.200,00 Fonte: ICHK, 2012

3.4

Aspectos mecânicos Assim como é importante definirmos os objetivos da nossa fresadora também é preci-

so estar atento aos aspectos mecânicos envolvidos na concepção projeto. Este capítulo aborda alguns dos aspectos mais importantes para o desenvolvimento do projeto. 3.4.1 Forças de usinagem Primeiramente deve-se estimar as forces de usinagem, feito isso é possível estimar  qual será a velocidade de avanço, rotação da ferramenta, tipo de corte e a rigidez da estrutura a ser usada, estruturas pouco rígidas tendem a se deformar e consequentemente afetam a precisão da máquina (Bardelli, 2005). É com base nos parâmetros de corte que serão ajustados os parâmetros que definem a rigidez que a estrutura necessita, são eles (Santos, 2003): •

Rotação da ferramenta;

•

Diâmetro da ferramenta;

•

Velocidade de avanço;

20

•

Velocidade de corte;

•

Tipo de corte.

3.4.2 Estrutura A escolha da estrutura da máquina deve ser realizada de maneira a ser o mais rígida  possível e com o menor peso, sendo capaz de suportar os esforços exigidos durante o processo de fresagem. Outro fator importante a se considerar refere-se à geometria da máquina que deve privilegiar o movimento de menores massas garantindo maiores velocidades de deslocamento e menores vibrações (Bardelli, 2005). Idealmente uma máquina precisa ser projetada de forma que a estrutura atenda no mínimo os seguintes critérios (Santos, 2003): •

Rigidez da estrutura deve ser elevada, se possível em sistema estrutural monobloco;

•

Elevada precisão nos deslocamentos;

•

Peso reduzido;

•

Partes móveis com menos peso;

•

Alta capacidade de amortecimento;

•

Estabilidade térmica da estrutura.

3.4.3 Transmissão dos movimentos Os elementos desta categoria influenciam diretamente na precisão dos movimentos do conjunto do equipamento. Quanto aos tipos de elementos, encontram-se máquinas que possuem transmissão através de fuso de esfera de alta precisão, máquinas com elementos de transmissão por correias planas ou dentadas que ficam acopladas ao eixo do motor e também existem outras que utilizam barras roscadas padrão M ou cremalheiras de medição (Bardelli, 2005). 3.4.4 Tipos de motores Atualmente uma máquina-ferramenta CNC pode ser movimentada por diferentes tipos de motores como os motores lineares, motores de corrente contínua com um sensor óptico encoder , servo motores e motores de passo (Bardelli, 2005).

Os motores de passo são transdutores que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos denominados passos estes motores oferecem vantagens em relação aos outros tipos quando se deseja construir uma máquina de baixo custo, facilidade para implementar o con-

21

trole, além de serem mais baratos. Porém, nessa categoria de motores, existem algumas desvantagens como velocidade limitada e a indução de vibrações (Stoeterau, 2004). 3.4.5 Sistemas de acoplamento A função do sistema de acoplamento é garantir que a força o sentido e a velocidade de rotação entregue pelo motor ao eixo seja transmitido ao sistema de transmissão de um eixo da máquina-ferramenta sem que haja perda ou garantir um mínimo de perda admissível (Bardelli, 2005). A transmissão mecânica do movimento pode ser realizada entre eixos coaxiais (em breagens, articulações) e não coaxiais (polias e correias ou correntes, rodas de fricção e engrenagens) (Stoeterau, 2004). Para uma máquina ferramenta CNC que utiliza sistemas de eixos coaxiais, o mais indicado é utilizar sistemas de acoplamento elásticos, pois eles permitem uma compensação dos erros de alinhamento dos eixos através de deslocamentos relativos. Já para sistemas não coaxiais, o mais indicado é a utilização de acoplamentos por correias dentadas e polias (Bardelli, 2005).

3.5

Aspectos eletrônicos  Nesta secção é apresentada uma breve abordagem sobre os componentes eletrônicos

que realizam a interface entre o aplicativo de controle e o equipamento. 3.5.1 Motor de passo Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que tem como função converter  impulsos elétricos em movimentos mecânicos discretos. O eixo de um motor de passo gira em incrementos discretos quando são aplicados comandos de impulsos elétricos na sequência correta de acionamento das suas bobinas. O modo como é feito a aplicação dos impulsos elétricos influencia diretamente na rotação dos motores de passo. A sequência dos impulsos determina a direção de rotação do eixo do motor. A velocidade de rotação está diretamente relacionada com a frequência dos impulsos de entrada e o comprimento da rotação está diretamente relacionado com o número de impulsos aplicados (Kuo, 1974). As principais vantagens do uso de motores de passo são: •

O ângulo de rotação do motor é proporcional ao impulso de entrada.

•

Quando os enrolamentos estão energizados e o motor está parado o seu torque é total.

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•

Possuem um posicionamento preciso e boa repetibilidade dos movimentos, uma vez que bons motores de passo têm um erro de precisão de 3 a 5% de um passo para outro e este erro não é acumulativo.

•

Excelente tempo de resposta para iniciar, parar e reverter.

•

Vida útil longa, pois não existem escovas de contato no motor. Por conseguinte, a vida útil do motor depende apenas da vida útil do rolamento.

•

Uma das vantagens mais importantes de um motor de passo é a sua capacidade em ser  controlado com precisão por um sistema em malha aberta. Isso significa que nenhuma informação de  feedback  sobre a sua posição é necessária. Eliminando assim a necessidade de dispositivos de detecção e retorno que são caros, como codificadores ópticos. Sua posição é conhecida simplesmente por manter o controle dos impulsos de entrada.

•

É possível atingir uma velocidade muito baixa de rotação síncrona com uma carga acoplada diretamente ao eixo do motor.

•

Uma vasta gama de velocidades de rotação pode ser realizada, pois ela é proporcional à frequência dos impulsos de entrada.

Dentre as principais desvantagens dos motores de passo cita-se: •

Ressonâncias se não forem devidamente controladas poderão ocorrer.

•  Não é fácil operar motores de passo em velocidades muito altas (Kenjo, 1986).

3.5.2 Tipos de Motores de Passo Os motores de passo podem ser classificados quanto a sua estrutura de funcionamento  por três formas que serão descritas nas subseções a seguir.

3.5.2.1 Relutância variável (V.R.) É o tipo de motor de passo mais antigo. Do ponto de vista estrutural é provavelmente o mais fácil de entender. Este tipo de motor é composto por um rotor de ferro multi dentado e um estator bobinado. Ao energizar as bobinas com corrente contínua os pólos se magnetizam e assim a rotação ocorre pela atração dos dentes do rotor pelos pólos do estator que está energizado (Souza, 2007). A Figura 5 apresenta a seção transversal de um típico motor de relutância variável.

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Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R.

Fonte: Stepper Motor Basics, 2012

3.5.2.2 Ímã permanente (P.M.) Como o nome sugere motores deste tipo possuem ímãs permanentes adicionados a sua estrutura e são conhecidos por serem de baixo custo e por possuírem ângulos de rotação baixos, que estão tipicamente na faixa de 7.5º até 15º. O seu rotor não possui vários dentes como os motores de relutância variável, em vez disso o rotor é magnetizado com a alternância de  pólos norte e sul situado numa linha reta paralela ao eixo do rotor. Os pólos magnetizados do rotor proporcionam uma intensidade do fluxo magnético maior e por isso os motores de ímã  permanente possuem melhores características de torque quando comparados a motores de relutância variável. Ao energizar as bobinas do motor o rotor irá tentar superar o seu torque de retenção, fazendo com que ele gire até que fique alinhado com o campo magnético no estator. Para que o motor gire, é necessário que as bobinas sejam alimentadas em uma sequência correta e também é possível obter o controle de velocidade e rotação (Cunha, 1983). A Figura 6 apresenta o princípio de funcionamento da estrutura de um motor de passo ímã permanente. Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M.

Fonte: Stepper Motor Basics, 2012

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3.5.2.3 Motores Híbridos Este tipo de motor de passo, Figura 7, possui um custo mais elevado quando comparados aos outros dois tipos já descritos, porém, oferece desempenho superior com relação ao torque, velocidade e resolução (ângulos de rotação na faixa entre 0.9º a 3.6º) é de longe o mais utilizado em aplicações industriais. O termo híbrido é proveniente do fato de que o motor combina as melhores características operacionais de ambos os tipos de motores de passo já descritos anteriormente. O rotor é multi dentado como o motor de relutância variável e contém um ímã magnetizado axialmente concêntrico em torno do seu eixo (Cunha, 1983). A forma como é construída a estrutura do estator de um motor hibrido é essencialmente a mesma que a de um motor V.R., porém, a diferença entre eles é que no motor híbrido existem duas fases por bobina no mesmo pólo, conhecida como conexão bifilar, enquanto em um motor  V.R. há somente uma fase por bobina em um pólo (Kenjo, 1986). Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido.

Fonte: Stepper Motor Basics, 2012

A principal característica deste motor são as duas peças de pólo multi dentadas presentes na estrutura de seu rotor. Entre elas há um ímã permanentemente magnetizado em paralelo com o eixo do rotor, criando em uma das extremidades do rotor um pólo norte e na outra extremidade um pólo sul. Existe uma defasagem nas extremidades sul e norte entre os dentes  presentes no rotor como mostra a Figura 8 (Souza, 2007). Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido

Fonte: Kenjo, 1986

3.5.2.4 Modos de Operação dos Enrolamentos O modo como é realizada a operação de alimentação das bobinas em um motor de  passo pode ser feita de duas formas, que serão discutidas nas subseções a seguir.

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3.5.2.4.1 Alimentação Unipolar  Facilmente de serem identificados pelo fato de possuírem uma derivação central em cada uma das bobinas, assim, o número de fases será sempre o dobro do número de bobinas,  pois cada bobina encontra-se dividida em duas. A Figura 9 apresenta a estrutura de um motor  de passo com acionamento unipolar de quatro fases. Figura 9 - Motor de passo unipolar.

Fonte: Laboratório de garagem, 2012

Geralmente, a derivação no centro de cada enrolamento é ligada ao positivo da fonte de alimentação, já os extremos de cada enrolamento encontram-se ligados alternadamente à conexão de terra do circuito para que ocorra a inversão da direção do campo magnético gerado por cada um dos enrolamentos. É mais comum de se encontrar este tipo de acionamento para motores de relutância variável, pois o conjugado não depende da direção da corrente nas suas fases. A única vantagem mais relevante em se optar pela utilização da alimentação unipolar é o fato da necessidade de um circuito de chaveamento simplificado (Figura 10), podendo ser  implementado facilmente utilizando componentes discretos. Porém a desvantagem mais evidente é devida ao fato da presença do enrolamento bifilar duplo. Isto significa que em alguns tipos de bobinas o diâmetro da espira pode ser muito fino tornando a resistência muito alta,  podendo haver assim elevadas perdas de energia em motores maiores (Hopkins, 2012). Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar 

Fonte: Hopkins, 2012

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3.5.2.4.2 Alimentação Bipolar  Desvantagem em utilizar o acionamento unipolar é o devido fato de não ser possível utilizar todas as bobinas do motor. O fluxo de corrente sempre ocorrera em apenas metade de cada enrolamento. Se ao invés disso, ambas as partes do enrolamento forem utilizadas, deduzse então que irá ocorrer um aumento da corrente que percorre a bobina gerando a mesma dissipação de energia produzida pelo modo unipolar, tais características iram elevar o conjugado  produzido pelo motor. Este tipo de acionamento que possibilita tal feito é chamado de acionamento bipolar. O termo advém do fato em que a corrente que percorre as bobinas pode ser  revertida através da alternância da polaridade em seus terminais (Hopkins, 2012). Os motores bipolares (Figura 11) são formados por dois enrolamentos separados, estes devem ser alimentados com o fluxo de corrente em direções opostas para permitir o avanço do  passo. Para que seja feito, os motores que possuem este modo de operação devem possuir um controlador capaz de inverter a polaridade da tensão nos enrolamentos seguindo uma sequência própria de alimentação dos seus terminais para cada tipo de motor, procedimento que é obtido através de um circuito Ponte H, como mostra a Figura 12. Neste circuito, a inversão da corrente se dá pelo fechamento e abertura dos transistores, que funcionam como chaves, de forma apropriada. Para realizar o acionamento das duas bobinas presentes no motor, é preciso que haja dois deste circuito (Hopkins, 2012). Figura 11 - Motor de passo bipolar 

Fonte: Laboratório de garagem, 2012 Figura 12 - Esquema circuito Ponte H

Fonte: Hopkins, 2012

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Conclui-se que a vantagem do circuito bipolar é que há apenas um enrolamento, com  baixo valor da resistência do enrolamento. A principal desvantagem é o circuito de acionamento mais complexo, este necessita de dois comutadores para cada fase. Isto é conseguido através de um circuito conhecido como ponte-H completo para cada fase, necessariamente requerendo mais transistores que a configuração unipolar. O circuito unipolar necessita apenas de um comutador, implementado com dois transistores para o GND, para cada fase. Sua maior desvantagem, contudo, que um enrolamento  bifilar duplo é necessário. Isto significa que, área da secção é menor e a resistência é muito maior. As dificuldades vão ser discutidas neste trabalho. t rabalho. Motores unipolares ainda hoje são populares para aplicações de baixo desempenho,  pois o circuito de acionamento acionamento é mais simples podendo facilmente ser implementado com dispositivos discretos. No entanto, com os circuitos integrados disponíveis hoje em dia, é possível desenvolver controladores de motores bipolares com poucos componentes, assim como os motores unipolares.

3.5.2.5 Modos de Acionamento Seja qual for o tipo de alimentação a ser utilizado, o acionamento das bobinas de um motor de passo pode ser realizado por quatro tipos distintos, que serão apresentados a seguir. 3.5.2.5.1 Passo completo de única excitação por fase  Neste modo de operação operação apenas uma fase do motor motor é energizada por vez, fazendo com com que a posição de equilíbrio de cada fase seja comum à posição de equilíbrio dos ímãs. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada Figura 13. Nota-se que para esta sequência o rotor gira no sentido anti-horário, para a reversão basta apenas inverter a sequência, esta informação também é valida para os todos os modos que serão descritos a seguir. (Hopkins, 2012). Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase

Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo.

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Sua principal vantagem é o fato deste modo de acionamento consumir menos energia que os outros tipos, porém, sua desvantagem é que para motores unipolares apenas 25% do total de enrolamentos são utilizados em um dado instante de tempo e para motores bipolares apenas 50%, o que resulta em uma menor produção de torque. Outro problema grave é a possibilidade da existência de ressonância quando o motor estiver em baixas velocidades. 3.5.2.5.2 Passo completo com excitação de duas fases Este tipo de acionamento ocorrerá quando duas fases forem alimentadas em um mesmo instante. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a Figura 14. . O tamanho do deslocamento do passo é o mesmo que no modo descrito anteriormente, porém, a posição mecânica não é a mesma. Esta posição é deslocada de metade de um passo completo, conforme a Figura 14 (Kenjo, 1986). Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases

Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo

A principal vantagem deste modo de acionamento está relacionada ao bom torque produzido e apresenta baixa ressonância quando o motor estiver em baixa velocidade. O torque  prove aproximadamente 30 a 40% mais que a excitação única, em contrapartida, será requerido o dobro de potência da fonte (Kenjo, 1986). 3.5.2.5.3 Meio passo Pode ser obtido através de uma combinação dos modos descritos anteriormente operando-os de forma alternada, como resultados tem-se o deslocamento do passo reduzido a metade de um passo completo. A resolução do total de passos do motor dobra, porém o torque deixa de ser uniforme para cada passo. Devido à operação de forma alternada dos modos de única excitação e dupla excitação. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a

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Figura 15, que agora passa a possuir oito passos, e não quatro como nos modos descritos anteriormente. Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo

Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo

Uma observação importante a se fazer sobre os diagramas dos modos de acionamento apresentados é que o termo ON  e OFF se referem a motores de passo unipolares, e os símbolos + e - se referem a motores de passo bipolares. 3.5.2.5.4 Micropasso Outra forma de realizar o acionamento dos motores de passo é pelo modo de micro passo. Como visto anteriormente, ao energizar as duas fases de um motor com correntes iguais são obtidas posições intermediárias localizadas exatamente na metade das posições quando há uma única fase acionada, obtendo o deslocamento de meio passo. p asso. Caso sejam aplicadas correntes diferentes nas duas fases, é de se esperar que a posição do rotor desloque em direção ao pólo mais forte. Tal feito é utilizado no modo de acionamento denominado micro-

30

 passo, que basicamente subdivide o passo completo do motor em uma escala proporcional à corrente presente nas duas bobinas. Desta forma, o deslocamento do passo será menor e quando o motor estiver em baixas velocidades à suavidade dos movimentos será melhorada. Tal técnica é recente e requer cuidados no projeto. Um micropasso preciso aumenta a exigência de precisão de controle da corrente no motor, particularmente com baixos níveis de corrente. Um pequeno desequilíbrio de fase, que geralmente não produz grandes influências quando o motor está operando no modo de meio passo, poderá produzir graves erros de posicionamento quando utilizado o modo de micropasso (Tecnologia eletromecânica, 2006). 3.5.3 Controle de corrente Em um motor de passo, a corrente do motor é determinada principalmente pela tensão de acionamento e a impedância do motor (resistência e indutância). Uma topologia de acionamento simples e popular é feita através do fornecimento de tensão necessária, utilizando a resistência interna (RL) do enrolamento para limitar a corrente. Para simplificar, o único FET na Figura 16, Figura 18 e Figura 19 representam tanto o FET quanto um diodo para motores unipolares ou uma combinação de duas chaves diagonais de uma Ponte H completa para o acionamento de motor de passo bipolar. Em um motor típico com 5V e 1A sobre cada uma de suas bobinas significa que, com um acionamento de 5V a corrente resultante será de 1A, o que corresponde a ter uma resistência da bobina 5Ω (Hopkins, 2012). Figura 16 - Drive L/R 

Fonte: Hopkins, 2012

Como já foi discutido anteriormente, o torque do motor é, dentre outros fatores, pro porcional à corrente nos enrolamentos. Na sequência de passo  full-step, o motor altera a polaridade da corrente no enrolamento no mesmo enrolamento do estator de dois em dois passos. A taxa em que ocorrem as mudanças de direção da corrente, sob a forma de uma função ex-

31

 ponencial, dependem da indutância do enrolamento, da resistência da bobina e da tensão de acionamento. A Figura 17(A) mostra que a uma baixa taxa de passo a corrente no enrolamento IL atinge o seu valor nominal VL/RL antes da direção ser alterada para o passo seguinte.  No entanto, em velocidades mais elevadas, a polaridade da corrente no estator é alterada a uma maior frequência e a corrente já não atinge o seu valor de saturação por causa do tempo de mudança limitado. Claramente, o pico e a área sob a forma de onda da corrente diminuem com o aumento da taxa de passo, reduzindo assim o torque e a potência. Como pode ser visto na Figura 17(B) (Hopkins, 2012). Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor 

Fonte: Hopkins, 2012

A única maneira de fazer a corrente subir mais rapidamente é ter uma tensão de acionamento mais elevada ou ter uma menor indutância. Um método utilizado para obter o melhor  desempenho é aumentar a tensão de excitação e utilizar uma resistência externa para limitar a corrente para o valor nominal do motor de passo, como mostrado na Figura 18. . A constante de tempo exponencial é L/R de modo que aumentando a resistência diminui-se o tempo de subida da corrente. Uma vez que a corrente assintótica é definida pela resistência interna das bobinas, a constante de tempo e a corrente podem ser ajustadas através da seleção da tensão de acionamento e da resistência externa. Esta topologia é referenciada como acionamento L/nR, e foi comummente utilizada nas primeiras impressoras. A sua desvantagem é a dissipação de energia na resistência externa. Por exemplo, para um motor de corrente nominal de 1A a dissipação na resistência externa é de cerca de 20W (Hopkins, 2012).

32

Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR 

Fonte: Hopkins, 2012

 Necessariamente precisamos de um circuito de acionamento com baixa dissipação que  proporcione rápidos tempos de subida com uma tensão de acionamento mais elevada e que limite a corrente para o valor desejado, sem a dissipação elevada associada com a resistência externa como na configuração de acionamento L/nR. Tal acionamento pode ser implementado utilizando técnicas de comutação como mostrado na Figura 19. Figura 19 - Modo de acionamento por comutação

Fonte: Hopkins, 2012

 Nesta topologia, a corrente de pico é definida pela tensão de referência e o valor da resistência de detecção, de modo que a cada vez que a corrente atinja o valor de pico definido, a chave é desativada para o restante do período. As perdas nesta técnica são somente a perda  pela saturação do comutador, na resistência de detecção da corrente e na resistência da bobina, proporcionando um rendimento total bastante elevado. A corrente média recebida da fonte de alimentação é menor que a corrente no enrolamento, devido ao corte. Quando o transistor está ligado, a corrente é fornecida pela fonte de alimentação, no entanto, quando o transistor está desligado a corrente recirculante é local e não há corrente fornecida pela fonte de alimentação.

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Este tipo de controle de corrente de fase deve ser feito separadamente para cada fase do motor, levando a melhor relação entre a energia elétrica fornecida e a energia mecânica emitida pelos motores. A Figura 20 compara, para um motor híbrido, o tempo de subida da corrente para as três topologias de acionamento. O acionamento L/R utiliza a tensão nominal do motor, o acionamento L/nR utiliza uma tensão cinco vezes a tensão nominal do motor e um resistor externo igual a quatro vezes a resistência do enrolamento e para o modo de acionamento por  comutação foi utilizada uma tensão de alimentação cinco vezes a tensão nominal do motor  com a corrente de pico definida para a tensão nominal do motor dividido pela resistência do enrolamento, resultando em 1A. Em todos os casos, a corrente final atinge 1A, porém, a Figura 20 mostra claramente que o tempo de subida é mais rápido nos modos de acionamento com tensão mais elevada. Este aumento mais rápido melhora significativamente o torque em taxas de passo mais elevadas. Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento

Fonte: Hopkins, 2012

3.5.4 Microcontroladores Microcontroladores são circuitos integrados que podem ser programados para executar  tarefas específicas, são constituídos de um microprocessador, memórias e uma variedade de  periféricos, dependendo do modelo escolhido. Entre os vários fabricantes de microcontroladores existentes, os mais conhecidos são,  Atmel, Freescale, Intel, Microchip e Texas Instruments.

Dentre os diversos fabricantes citados acima, no mercado nacional os microcontroladores PIC ( Programmable Interface Controller ), fabricados pela  Microchip Technology, estão disponíveis com facilidade e baixo custo em uma ampla gama de modelos que se diferenciam

34

 pela sua arquitetura, número de portas, tamanho de memória, tanto memória de dados (RAM) quanto memória de programa (ROM), periféricos, entre outros, à Tabela 4 mostra uma pequena comparação entre PICs com arquitetura de 8, 16 e 32 bits (PREDKO, 1998). Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC Frequência de

 programa

clock 

Baseline (instruções de 12 bits)

3 kB

20 MHz

5 MIPS

MidRange (instruções de 14 bits)

14 kB

20 MHz

5 MIPS

High Performance (PIC18F)

128 kB

64 MHz

16 MIPS

PIC24F/PIC24H

256 kB

80 MHz

40 MIPS

dsPIC30F/dsPIC33F

256 kB

160 MHz

40 MIPS

PIC32MX

512 kB

72 MHz

1,5 DMIPS/MHz

Arquitetura

Linhas

8 bits

16 bits 32 bits

Desempenho

Memória de

(frequência máxima)

Fonte: Saber Eletrônica, 2008

Os microcontroladores PIC suportam programas que utilizem tanto linguagem de máquina ( Assembly), ou também linguagens de alto nível, como C, C++ através do uso de com piladores. (Pereira, 2010). O microcontrolador será empregado para realizar o controle dos motores de passo, análise dos sensores e entrada de dados via USB, assim, o modelo adotado deverá possuir um número mínimo de portas, reconhecimento de interrupções, modo de entrada de dados USB além de uma boa capacidade de processamento. Atendendo a todas estas especificações alguns modelos de microcontrolador da família PIC podem ser adotados: PIC18F2550 e PIC18F4550, a Tabela 5 apresenta uma comparação entre as características destes dois microcontroladores. Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC Característica PIC18F2550 PIC18F4550  Número de pinos

28

40

Memória de programa

32 kB

32 kB

Memória RAM

2048 B

2048 B

Velocidade CPU

12 MIPS

12 MIPS

Preço de mercado

R$18,98

R$20,89

Fonte: Microchip Technology Inc., 2013

3.5.5 Universal Serial Bus (USB) Idealizado em 1995 por empresas de tecnologia, o padrão USB permite que existam até 127 equipamentos ligados a um computador através de hubs.

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Atualmente a maioria dos equipamentos possui integrados a si um módulo de comunicação USB que se caracteriza pela facilidade de sua utilização, confiabilidade na transmissão de dados, ótima velocidade de comunicação, versatilidade que a interface proporciona, padrão de conexão  Plug and Play (PnP), ou seja, é possível que um dispositivo se conecte a um com putador sem que haja uma fonte de alimentação externa. Tais vantagens fazem com que a instalação de periféricos que utilizem o padrão USB possa ser realizada por profissionais ou leigos. Porém esta simplicidade existente para os usuários destes equipamentos não é a mesma para o seu desenvolvedor, como é visto a seguir, onde são apresentadas as características técnicas mais relevantes para a utilização do padrão USB (USB - Universal Serial Bus, 2007). Três módulos fazem parte de um sistema de comunicação USB: interconexão, dispositivo e o host . O barramento USB é o responsável por conectar os dispositivos que suportam este padrão. Internamente a interconexão entre os periféricos é realizada por uma topologia estrela, disposta em níveis por camada. Um conector, chamado de hub, é o centro de cada estrela. Para cada sistema USB existe apenas um host . A implementação de seu controlador é realizada utilizando uma combinação entre hardware e software. Existem dispositivos USB do tipo  Hub, utilizado como distribuidor extra para pontos de acesso à rede USB, e o tipo Funções, que disponibilizam novos recursos ao sistema, como exemplo, games, impressoras, máquinas fotográficas, etc. ( Universal Serial Bus Specification, 1998). A Figura 21 apresenta a topologia USB. Figura 21 - Topologia USB

Fonte: Universal Serial Bus Specification, 1998

36

Existem duas maneiras de se alimentar eletricamente um periférico USB, que são: •  Bus-powered , o barramento USB é quem alimenta o periférico; •

Self-powered , o periférico

possui alimentação externa.

O Host é o responsável pelo início e o controle das transações no barramento USB. As transações realizadas possuem até três pacotes, sendo que, a transação só irá iniciar quando o host  enviar um pacote que descreva o tipo e a direção da transação, o devido endereço do pe-

riférico e o número de ponto final (do inglês, endpoint ) (Universal Serial Bus Specification, 1998).  Não existe uma única forma de transferência, a especificação USB permite quatro ti pos de transferências, que são: •

Controle (do inglês, Control ) - usado para configurar e enviar comandos, por exemplo, da enumeração do dispositivo, adiante vamos ver o que é isso.

•

Bloco (do inglês,  Bulk ) - utilizado quando se é necessário uma grande transferência de dados, é o tipo mais rápido de transferência, no entanto, não existe garantia de que os dados serão transmitidos em um determinado tempo, possui latência insegura. Este ti po de transferência é utilizado por dispositivos como discos rígidos,  pen drivers, scanners, impressoras, etc.

•

Assíncrona (do inglês,  Isochronous) - utilizada quando é necessário haver uma transferência de dados em tempo real como na transferência de dados que envolvam voz.

•

Interrupção (do inglês,  Interrupt ) - realiza a comunicação entre o periférico e o host  em um determinado tempo síncrono. Os dispositivos USB podem utilizar mais de um modo de transferência, porém o modo

Control é utilizado sempre por todos os

dispositivos no processo de enumeração.

Ao se conectar um periférico ao barramento USB o host imediatamente o detectará, ao ser detectado é necessário fornecer ao host  algumas informações sobre o dispositivo, a este  processo se da o nome de enumeração. Tais informações estão contidas nos chamados descritores do dispositivo, onde ficam armazenados dados em sua memória não volátil que incluem a seguintes informações: a identificação do fornecedor (VID) e do produto (PID), o consumo de corrente do dispositivo, o tipo de transferência utilizado, endpoint  utilizado, USB versão suportada, classe usada, etc. O VID ( Vendor ID) e PID ( Product ID) são dois valores de 16  bits hexadecimais.

37

O protocolo USB provê algumas classes que descrevem o estado ou comportamento de seus objetos, elas proveem propriedades e métodos que são reutilizados pelos objetos presentes nas classes e que podem ser utilizadas por dispositivos que tenham características semelhantes. Informações mais precisas sobre as classes podem ser encontradas no site oficial do protocolo (http://www.usb.org/developers/defined_class). A seguir será feita uma breve explicação sobre as classes mais utilizadas, são elas: •

HID ( Human Interface Device) - exemplos de dispositivos que usam essa classe são: teclado, mouse, tela sensível ao toque, joystick, etc. Sua velocidade máxima é relativamente baixa, os tipos de transferência suportados por esta classe são: controle e interrupção. Uma característica interessante ao utilizar esta classe é que o desenvolvedor  não precisa instalar um driver  específico para o sistema operacional, pois se pode utilizar um padrão que já está incluído no sistema.

•

MSD ( Mass Storage Device Class ) - como o próprio nome sugere, é geralmente utilizada para dispositivos de armazenamento de dados, como discos rígidos,  pen drives, câmeras digitais, gravadores de CD e DVD, etc. Esta classe pode ser usada apenas em dispositivos que suportam alta velocidade. Os tipos de transferência em bloco, por interrupção e de controle podem ser utilizados em conjunto. Assim como a classe HID, ela também não necessita que se instale um driver  específico, podendo ser utilizados drivers genéricos já instalados nos

•

sistemas operacionais.

CDC (Communications Device Class ) - facilmente encontrada em dispositivos de comunicação de dados, como modems. As transferências suportadas são: de controle, interrupção e em bloco. Também possui um driver  padrão incluído nos sistemas operacionais. Ao utilizar esta classe para desenvolver softwares que controlam dispositivos, será criada uma porta serial virtual e a comunicação entre  software e firmware é realizada como se estivesse trabalhando com uma porta serial propriamente dita. Esta é a  principal vantagem em utilizar esta classe, pois as linguagens de programação mais utilizadas certamente possuem pelo menos uma biblioteca de componentes que permitem o fácil acesso à porta serial.

•

Custom Class

- Utilizado quando o dispositivo não se assemelha às características de

qualquer uma das classes padrões. Neste caso será preciso projetar um driver especifico para o dispositivo, se não, o dispositivo não será reconhecido pelo microcomputador. Projetar um driver  partido do zero não é uma tarefa simples, pois exige conhecimentos tanto da arquitetura do computador quanto do sistema operacional utilizado.

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Como qualquer tecnologia existente, o padrão USB também possui seus prós e contras como é apresentado a seguir (USB - Universal Serial Bus, 2007): As suas principais vantagens são: •

Dispositivos de fácil conexão e configuração;

•

Rápida interface;

•

Taxas de erro de transferência de dados reduzidas;

•

Versatilidade;

•

Baixo custo;

•

Pode ser alimentado pela própria arquitetura, excluído a necessidade de uma fonte de alimentação externa;

•

Suportado pelos sistemas operacionais mais utilizados atualmente.

As suas principais desvantagens são: •

Os cabos de interconexão não podem ultrapassar cinco metros de comprimento;

•

Broadcasting, os dados são enviados pelo host  a cada dispositivo de forma individualmente e não simultaneamente;

•

A complexidade para desenvolver dispositivos USB é bem maior quando comparados com dispositivos com padrão de comunicação serial. A interconexão de um sistema USB é realizada através de portas padronizadas, que

são apresentadas na Figura 22. Figura 22 - Modelos de conectores USB

Fonte: Desktop Boards, 2013

39

3.6

Aplicativos de comando numérico Para que uma máquina-ferramenta CNC se movimente corretamente é necessário que

ela seja instruída. São os aplicativos de controle os responsáveis por tais ações a serem tomadas pelo equipamento, indicando como e o que a máquina precisa fazer para realizar o processo de usinagem como, por exemplo, qual velocidade deve possuir em determinado instante, qual direção do movimento entre outras ações. Serão apresentados neste item o que vem a ser um programa de comandos numéricos utilizados por máquina-ferramenta CNC bem como alguns exemplos encontrados no mercado, no qual serão baseados os conceitos para o desenvolvimento de um aplicativo próprio. 3.6.1 Programas de comando numérico (CN) A comunicação entre o microcomputador e a máquina ocorre através de códigos, onde é necessário transformar um desenho, ou layout , do projeto em números e letras. A estrutura de um programa CN pode ser definida da seguinte forma (Silva, 2005): •

Bloco de sentenças, composto por caracteres de endereçamento e que juntos informam a central de controle as operações a serem executadas;

•

Caracteres, qualquer símbolo computacional que signifique algo para a central de controle, por exemplo, letras, números, símbolos, etc.;

•

Caracteres de endereçamento, instruções alfabéticas enviadas a central de controle onde cada uma possui um significado sobre a ação a ser tomada, por exemplo, executar  um tipo de movimento;

•

Palavra, composta por uma letra junto a um valor numérico. Para programas CN comerciais existe um padrão definido pelo sistema ISO a adotado

 pelos fabricantes de comandos no desenvolvimento de seus aplicativos, chamado linguagem G, ou G-Code. A linguagem G possui algumas normas a serem seguidas de forma rígida onde podem ser desenvolvidos recursos próprios a cada aplicativo, porém devem ser mantidas as funções  básicas que jamais poderão ser definidas de maneira diferente da especificada pela ISO (Silva, 2005). Para se utilizar uma máquina CNC, não é necessário que o usuário seja um especialista em G-Code. Existem ferramentas que realizam a conversão de um layout  do elemento a ser  usinado para a linguagem G, um exemplo típico para este fim seria o  Ace Converter que realiza a conversão de arquivos dxf em G-Code (Silva, 2005).

40

Atualmente existem diversos softwares que realizam o controle de uma máquinaferramenta CNC, dentre os mais comuns cita-se o KCAM, MACH 2 e 3, todos estes softwares são pagos, já o EMC2 e o TURBOCNC são disponibilizados gratuitamente. 3.6.2 Padrão Gerber  O padrão Gerber  é um formato padrão de arquivo utilizado para a manufatura de placas de circuito impresso, na sua estrutura existem informações que descrevem características de como as trilhas do circuito devem ser gravadas na superfície metálica da placa. A versão atualmente utilizada é o Gerber estendido (RS-274X) desenvolvida pela Gerber Systems Corp (Seidle, 2010). O arquivo pode ser gerado através de qualquer  software utilizado na criação de layout  de placas de circuito impresso através de um processador CAM ( Computer-aided manufacturing system) normalmente incluso em programas do tipo CAD voltados à

PCI, estes softwares

têm a função de converter um determinado tipo de arquivo, como um layout  gerado em um  software

CAD como o  Eagle da CADSoft , em um conjunto de instruções, gerando programas

do tipo CN (Comando numérico) que poderão ser executados por uma máquina. Estes arquivos consistem de uma definição de abertura ou cabeçalho, seguido das instruções para traçar  cada linha do circuito impresso (Silva, 2005). A geração do arquivo Gerber é simples, utilizando a versão gratuita do  Eagle, é possível gerar arquivos Gerber  de alguns layouts de placa de circuito impresso em segundos. A Figura 24 mostra um exemplo de arquivo Gerber gerado a partir do layout mostrado na Figura 23. Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber 

Fonte: Própria do autor 

41

Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo  Eagle

Fonte: Própria do autor 

42

4

METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO Para realização deste projeto onde o equipamento a ser desenvolvido atuará automati-

camente em um processo de prototipagem para placas de circuito impresso, é necessário que a implementação e a avaliação do mesmo seja feita de forma cuidadosa, a fim de garantir que seu funcionamento atenda às necessidades dos usuários. O equipamento é composto por quatro partes distintas, que juntas formam o conjunto responsável pela realização das operações necessárias, mas que podem ser implementadas de forma independente. •

A estrutura mecânica corresponde às mesas de deslocamento dos eixos X, Y e Z, o su porte para as mesas, mandril para fixação da placa de circuito impresso a ser fresada e suporte à micro retífica que ficará acoplada a estrutura.

•

Os circuitos eletrônicos, que interfaceiam o sistema de processamento de dados com os motores. Os circuitos estão distribuídos em módulos, são eles, circuito controlador, circuito de acionamento dos motores, circuito de acionamento da micro retífica, circuito de sensores de fim de curso e circuito regulador de tensão. A alimentação dos circuitos é feita através de uma fonte chaveada de 24 V e 14,6 A.

•

O  software que realiza o tratamento de dados presentes em um arquivo GERBER , de forma que sejam processados, decodificados e transmitidos ao  firmware que realiza o acionamento dos motores para o deslocamento dos eixos.

•

O  firmware realiza o acionamento dos motores de passo, conforme solicitado pelo  software, processa o estado dos sensores e realiza

o acionamento da micro retífica.

O sistema está representado pela Figura 25. As partes integrantes do projeto são descritas detalhadamente nos subitens a seguir.

43

Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto

Fonte: Própria do autor 

4.1

Detalhamento do si tema mecânico O sistema mecânic foi projetado e baseado em dados empírico de projetos encontra-

dos em grupos de desenvo lvimento relacionados ao tema deste trabal o, como o Guia CNC (http://www.guiacnc.com.br) e o Clube CNC Brasil (http://www.club ecncbrasil.com.br) le-

44

vando sempre em consideração os conceitos e sugestões apresentadas nas referências utilizadas que abrangem os aspectos mecânicos do projeto. A estrutura mecânica foi desenvolvida em partes, onde cada uma possui uma função específica. Para projeto do sistema mecânico foi utilizada à versão de demonstração, válido  por 30 dias, do  software  Autodesk® Inventor® Professional  desenvolvido pela  Autodesk  e disponibilizado para download em seu site (http://usa.autodesk.com).  Na seção Apêndices encontram-se os desenhos com as respectivas medidas das peças deste trabalho. 4.1.1 Estrutura de sustentação A função da estrutura de sustentação é dar apoio a toda estrutura mecânica, possuindo quatro pés de apoio para nivelamento do equipamento. Para garantir uma área de trabalho de 200 mm de comprimento por 15 mm de largura e uma altura de 5 mm, a estrutura ficou com as dimensões totais de 550 mm de comprimento por 400 mm de largura e 400 mm de altura. As partes que compõem a estrutura de sustentação (Figura 26) são: a) Base;  b) Árvore. Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação

 b

a

Fonte: Própria do autor 

4.1.2 Eixo X O eixo X possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido X. As  partes que compõem o eixo X (Figura 27) são:

45

a) Mancal;  b) Rolamento; c) Carro; d) Mesa; e) Guia Barra Inox 16 mm; f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor; h) Flange; i) Bucha;  j) Porca; k) Acoplamento. Figura 27 - Imagem CAD eixo X

 b

d

a

c

f  g

e h

Fonte: Própria do autor 

4.1.3 Eixo Y O eixo Y possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Y. As  partes que compõem o eixo Y (Figura 28) são: a) Mancal;  b) Rolamento; c) Carro; d) Mesa; e) Guia Barra Inox 16 mm; f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor;

46

h) Flange; i) Bucha;  j) Porca; k) Acoplamento; Figura 28 - Imagem CAD eixo Y

c d  j i

a h g

Fonte: Própria do autor 

4.1.4 Eixo Z O eixo Z possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Z. As partes que compõem o eixo Z (Figura 29) são: a) Mancal;  b) Rolamento; c) Carro; d) Guia Barra Inox 16 mm; e) Fuso Barra roscada M14-MA; f) Motor; g) Flange; h) Bucha; i) Porca;  j) Acoplamento; 4.1.5 Suporte Micro Retífica;

47

Figura 29 - Imagem CAD eixo Z

k 

Fonte: Própria do autor 

4.1.6 Área de trabalho A função da área de trabalho é fixar a placa de circuito impresso a ser trabalhada e é montada sobre a mesa do eixo X. Para possibilitar a fixação da placa, foram desenvolvidos dois apoios em polietileno com um sulco de 5 mm de profundidade, sendo um apoio fixo e o outro móvel montados em dois tirantes de 4,5 mm de diâmetro e 215 mm de comprimento. Com o intermédio de porcas, é possível ajustar a área de trabalho ao tamanho da placa de circuito impresso, a qual tem suas dimensões máximas limitadas a 200 mm por 150 mm. As partes que compõem a área de trabalho (Figura 30) são: a) Apoio;  b) Tirante. Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X

a

 b

Fonte: Própria do autor 

48

A Figura 31 apresenta o projeto CAD do sistema para a prototipagem de placas de circuito impresso. Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem

Fonte: Própria do autor 

4.2

Detalhamento do sistema eletromecânico

4.2.1 Motor de passo Os motores de passo são os responsáveis pela movimentação e posicionamento dos eixos, neste trabalho foram utilizados três motores de passo (Figura 32) padrão NEMA 23KMC051-07V marca Atrosyn, suas principais características são: •

Resolução 1,8º por passo completo;

•

Podem ser acionados tanto pelo modo unipolar (torque 9,9 kgf/cm), como também pelo modo bipolar (torque 12 9,9 kgf/cm). No caso deste trabalho, foi escolhido o modo  bipolar por proporcionar um torque mais elevado;

•

Corrente por fase 2 A;

•

Resistência 2 Ohms;

•

Indutância 4,4 mH;

•

Tensão de alimentação 9 V.

49

Figura 32 - Motor de passo NEMA 23KM-C051-07V

Fonte: Globeteck Industrial Parts, 2013

4.2.2 Micro Retífica A função da micro retífica é realizar a usinagem da placa de circuito impresso de modo a criar as trilhas do circuito. Como dito anteriormente ela é fixada ao eixo Z por meio do suporte de fixação. A micro retífica (Figura 33) utilizada neste trabalho possui tensão de alimentação 110 V, potência de 135 W e velocidade ajustável de 8000 a 30000RPM. Figura 33 - Micro retífica

Fonte: Brocks, 2013

4.3

Detalhamento do  Hardware A movimentação dos eixos em uma máquina CNC é controlada por um aplicativo de

computador que envia sinais ao sistema elétrico do equipamento e após o devido tratamento, estes são enviados aos motores, para realizarem a movimentação dos eixos do equipamento. A fase de desenvolvimento do hardware foi divida em duas etapas, onde primeiramente foram realizadas pesquisas para o levantamento das opções que melhor se adequavam ao sistema eletrônico. Os fatores que foram levados em consideração nesta etapa como: disponi bilidade de mercado, custo e qualidade dos componentes. A segunda etapa compreende no desenvolvimento do hardware que foi construído em módulos a fim de facilitar a manutenção e possibilitar a troca de tecnologias utilizadas sem que seja necessária uma alteração completa do sistema, os módulos serão descritos nos subitens a seguir.

50

Para o projeto do hardware, foi utilizada a versão de demonstração do  software Eagle (do inglês,  Easily Applicable Graphical Layout Editor ) desenvolvido pela CadSoft  e disponi bilizado para download em seu site (http://www.cadsoft.de). 4.3.1 Placa Controladora A placa controladora é a responsável por receber os sinais do programa de controle através de uma interface USB para então tratar tais informações e solicitar o acionamento dos motores de passo enviando comandos para as placas drivers (4.3.2). Outras duas funções que competem à placa controladora são: cada instrução de movimentação enviada pelo  software à  placa controladora deverá fazer a leitura das placas sensor (4.3.3) de curso para saber se o movimento poderá ser executado ou não e realizar o acionamento ou desacionamento da micro retífica através da placa relé (4.3.4). A Figura 34 apresenta o esquema elétrico da Placa Controladora. Figura 34 - Esquema elétrico da Placa Controladora

Fonte: Própria do autor 

Existe apenas uma placa controladora no sistema, a seguir é apresentada a Tabela 6 com a lista de componentes utilizados.

51

Tabela 6 - Componentes da placa controladora Partlist Exported from Controladora_usbxRS232B.sch at 5/29/aaaa 20:03:36 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part

Value

5V C1 C2 C3 C4 C5 C6 C8 D1 IC1 IC2 LED1 MOTORX MOTORY MOTORZ Q1 Q2 R1 R2 R3 R4 RELE S1 SENSORX1 SENSORX2 SENSORY1 SENSORY2 SENSORZ1 SENSORZ2 X1

22p 100nF 22p 10u 22p 22p 100nF 1N4148 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40

10k 27R 27R 330

USB

Device

Package

Library

Sheet

AK500/2 C2.5/2 C2.5/2 C2.5/2 CPOL-USE2.5-7 C2.5/2 C2.5/2 C2.5/2 1N4148 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40 LED5MM PINHD-1X5 PINHD-1X5 PINHD-1X5 XTAL/S XTAL/S R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 PINHD-1X1 10-XX PINHD-1X1 PINHD-1X1 PINHD-1X1 PINHD-1X1 PINHD-1X1 PINHD-1X1 PN61729

AK500/2 C2.5-2 C2.5-2 C2.5-2 E2,5-7 C2.5-2 C2.5-2 C2.5-2 DO35-10 DIL40 DIL40 LED5MM 1X05 1X05 1X05 QS QS 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 1X01 B3F-10XX 1X01 1X01 1X01 1X01 1X01 1X01 PN61729

con-ptr500 capacitor-wima capacitor-wima capacitor-wima rcl capacitor-wima capacitor-wima capacitor-wima diode microchip microchip led pinhead pinhead pinhead special special rcl rcl rcl rcl pinhead switch-omron pinhead pinhead pinhead pinhead pinhead pinhead con-berg

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Os elementos principais desta placa são os microcontroladores, responsáveis pela interface entre os elementos do projeto e as ações vindas do programa controlador. Levando em conta os fatores para a escolha dos componentes que foram citados anteriormente, foi decidido que será utilizado no projeto dois microcontroladores PIC18F4550 da fabricante Microchip. O motivo pela utilização de dois controladores será discutido na seção 4.5.

4.3.1.1 PIC18F4550 Opta-se por utilizar o PIC18F4550 devido ao fato deste atender às necessidades do  projeto, além de baixo custo e fácil aquisição. Este microcontrolador possui um módulo de comunicação para interface USB, ou seja, não há a necessidade do desenvolvedor implemen-

52

tar rotinas complexas para que se estabeleça a comunicação entre o  software e firmware, pois este já é fornecido pela  Microchip, basta apenas realizar a configuração correta. Sua interface USB permite a transmissão de dados com velocidades de 1,5 Mbps modo low speed  e 12 Mbps modo full  speed . Outras características presentes no microcontrolador selecionado são: •

Arquitetura Harvard;

•

35 Linhas de I/O;

•

Clock de até 48MHz;

•

13 canais de AD de 10 bits;

•

2 kB de memória de dados;

•

256 Bytes de memória não volátil EEPROM;

•

Comunicação Serial;

•

32 kB de memória de programa. Outra característica favorável para se utilizar este microcontrolador é o fato de existi-

rem vários compiladores de linguagem de programação C com diversas bibliotecas que auxiliam no desenvolvimento dos programas. A Figura 35 apresenta a disposição dos pinos de conexão do PIC18F4550. Figura 35 - Diagrama pinos de conexão

Fonte: Microchip Technology Inc., 2009

Observando a imagem observa-se que os pinos 23 (D-) e 24 (D+) são os responsáveis  pela comunicação USB. O APÊNDICE L e o APÊNDICE M apresentam o layer e a máscara da placa.

53

4.3.2 Placa Driver  A placa driver é a responsável por receber os dados da placa controladora, tratar e am plificar tais sinais de maneira a acionar os motores de passo, fazendo com que eles girem. Seu circuito eletrônico foi desenvolvido utilizando circuitos integrados (CI’s) próprios  para o acionamento de motores de passo, chamados L297 e L298 e fabricados pela STMicroelectronics,

a escolha de tais componentes se deu pela redução da complexidade para acionar 

os circuitos e pelo baixo custo dos CI’s. A Figura 36 apresenta o esquema elétrico da Placa  Driver . Figura 36 - Esquema elétrico Placa  Driver 

Fonte: Própria do autor 

54

Como pode ser visto na seção 4.3.2.1 o driver  L297 é do tipo Chopper  e possui um comparador interno de corrente que tem a função de impedir que o motor não seja danificado  por ultrapassar o limite de corrente fornecido, esse controle é feito pelo L297 através de um divisor de tensão implementado pelos resistores R5 e R6, vistos na Figura 36: Foram definidos os valores dos resistores para que o driver  realize o controle da corrente de forma a não ultrapassar a corrente máxima dos motores de passo, de 2.0A por fase. Existem três placas driver no sistema, a seguir é apresentada a Tabela 7 com a lista de componentes utilizados em cada placa. Tabela 7 - Componentes da placa driver  Partlist Exported from motordriver.sch at 3/7/aaaa 23:51:45 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part Sheet

Value

5V 24V C1 C2 C3 C4 COILS CONTROL D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 IC1 IC2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 SYNC

5V 24V 100nF 100nF 470uF 3n3F COILS UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 L297 L298 1R 1R 1R 1R 5k6 1k 22k

Device AK500/2 AK500/2 C2.5/2 C2,5-3 CPOL-EUE5-10.5 C2.5/2 PINHD-1X4 PINHD-1X5 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 UF4003 L297 L298 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 PINHD-1X1

Package AK500/2 AK500/2 C2.5-2 C2.5-3 E5-10,5 C2.5-2 1X04 1X05 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DO41-10 DIL20 MULTIWATT-15 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 1X01

Library

con-ptr500 con-ptr500 capacitor-wima capacitor-wima resistor capacitor-wima pinhead pinhead diode diode diode diode diode diode diode diode st-microelectronics st-microelectronics resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor pinhead

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

As subseções a seguir fornecem uma breve explicação sobre o funcionamento dos dois CI’s utilizados no projeto, o modo bipolar foi escolhido para o acionamento dos motores, por  garantir um melhor torque.

55

4.3.2.1 Circuito Integrado L297 O L297 (Figura 37) integra todos os circuitos de controle necessários para controlar  motores de passo unipolares quanto bipolares. Usado juntamente a um controlador de duplo  ponte H como o L298 (Figura 38), formam uma interface completa para o acionamento e controle de motores bipolares. Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297

Fonte: STMicroelectronics, 2001 Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante

Fonte: STMicroelectronics, 2001

Ele recebe sinais de controle a partir de um controlador e fornece todos os sinais de comando necessários para a alimentação das fases de motores de passo. Além disso, inclui dois circuitos choppers para regular a corrente nos enrolamentos do motor.

56

O L297 controla motores de passo de ímã permanente unipolar de quatro fases, bipolar  de duas fases e quatro fases para motores de relutância variável. A operação do CI é realizada através de seis sinais, são eles: •

Clock -

cada sinal de nível lógico baixo nesta porta faz o motor de passo avançar um

 passo; •

CW/CCW - determina o sentido de rotação do motor de passo;

•  HALF/FULL - determina o modo do passo; •  ENABLE - habilita e desabilita o CI; •  RESET - reinicia a sequência de acionamento das bobinas; •

Vref - tensão de referencia para o chopper PWM realizar o controle da corrente no mo-

tor; O L297 associado ao driver de corrente L298 possui muitas vantagens: são necessários  poucos componentes, baixo custo dos componentes necessários, simplifica o  firmware e reduz os encargos do microcontrolador.  Na sua estrutura interna existe um bloco responsável pela lógica de acionamento das fases de um motor de passo chamado de translator  (tradutor) que gera a sequência de acionamentos adequado para a operação nos modos half-step, one-phase-on full step e two-phase-on  full step.

Este bloco é controlado pelas entradas de modo de acionamento ( HALF/FULL), di-

reção do passo ( CW/CCW ) e por um clock  de passo que avança o tradutor de um passo atual  para o passo seguinte, ou anterior caso o sentido do passo tenha sido invertido. A Figura 39 apresenta o esquema interno do L297. Figura 39 - Estrutura interna do CI L297

Fonte: STMicroelectronics, 2001

Quatro saídas são fornecidas pelo tradutor para o processamento subsequente pelo  bloco de saída lógica que implementa as funcionalidades de inibição e chopper .

57

Internamente o tradutor consiste em um contador de 3 bits mais uma lógica combinacional que gera uma sequência base de oito passos, código Gray. As três sequencias de modo de passo podem ser geradas a partir desta lógica combinacional. A Figura 40 apresenta este estado de sequência correspondente ao modo half-step, selecionado pelo nível alto (um) na entrada  HALF/FULL. Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step

Fonte: STMicroelectronics, 2001

Os modos de passo completo,  full-step, são ambos obtidos saltando alternadamente estados na sequência de oito passos. O que acontece é que o clock de passo salta o primeiro estado do contador de três bits do tradutor. Se o modo de passo completo for selecionado quando o tradutor estiver em qualquer  estado ímpar tem-se um passo no modo two-phase-on full , mostrado na Figura 41. Figura 41 - Sequência de passos do tradutor modo two-phase-on full 

Fonte: STMicroelectronics, 2001

Por outro lado, o modo one-phase-on full  será obtido selecionando o modo  full-step quando o tradutor estiver em um número par, mostrado na Figura 42. Figura 42 - Sequência de passos do tradutor modo one-phase-on full 

Fonte: STMicroelectronics, 2001

 Nos modos de passo half-step e one-phase-on full  dois outros sinais são gerados: I NH1 e INH2. Estes são dois sinais inibidores que são ligados, por exemplo, às entradas de habilitação do L298 e servem para acelerar o decaimento da corrente quando um enrolamento é desligado.

58

Uma vez que ambas as bobinas estejam energizadas continuamente no modo two phase-on full ,

não existirá nenhuma bobinagem sempre desligada, assim estes sinais não são

gerados. Dois outros sinais estão ligados ao bloco tradutor: entrada  RESET  e o saída  HOME .  RESET  é

uma entrada assíncrona que restaura o bloco tradutor para a posição de origem (es-

tado 1, ABCD = 0101). A saída  HOME (coletor aberto) assinala esta posição. Por fim, existe uma entrada  ENABLE  ligada à lógica de saída. Um nível baixo desliga o INH1, INH2, A, B, C e D. Esta entrada é útil para desativar o controlador do motor, evitando que as bobinas do motor fiquem energizadas sem que haja necessidade. O L297 proporciona um controle da corrente de carga, sob a forma de dois PWM choppers, um para cada fase de um motor bipolar ou um para cada par de bobinas de um mo-

tor unipolar. Cada chopper  é composto por um comparador, um flip-flop e um resistor externo de detecção. Um oscilador comum no chip fornece os impulsos ao rate do chopper  para ambos os choppers. Em cada chopper (Figura 43), o  flip-flop é acionado por cada impulso do vindo do seu oscilador, ligado à saída e proporcionando o aumento da corrente nas bobinas do motor. Figura 43 - Circuito chopper 

Fonte: STMicroelectronics, 2001

 Na medida em que a tensão aumenta sobre a resistência sensor, quando a tensão atinge Vref, o flip-flop é reiniciado. A saída deste circuito (a saída Q do  flip-flop) é, portanto, um sinal PWM com ciclo de trabalho constante. Por conseguinte, o Vref determina o pico da corrente de carga sobre as  bobinas do motor. Aplicações do L297 podem ser encontradas em quase todos os lugares: robôs, impressoras, plotters, máquinas de controle numérico, unidades de disquete, máquinas de costura, caixas registradoras eletrônicas, máquinas de telefax, equipamento fotográfico, válvulas elétricas entre outros.

59

4.3.2.2 Circuito Integrado L298 O L298 (Figura 44) é composto de dois circuitos Ponte-H e pode ser utilizado para acionar dois motores DC ou um motor de passo unipolar ou bipolar. Sua capacidade máxima de corrente de saída por fase é de 2.5A e pico de 4A, a máxima tensão de acionamento possível é de 45V. Figura 44 - Disposição dos pinos do L298

Fonte: STMicroelectronics, 2000

A principal vantagem deste circuito integrado são os pinos SENSE-A e SENSE-B, que amostram a corrente que o motor está consumindo, com o valor obtido da corrente o circuito integrado L297 realiza o tratamento da informação e controla a corrente para que ela não ultrapasse o valor projetado pelo desenvolvedor. A Figura 45 apresenta o diagrama interno do L298. Figura 45 - Diagrama interno do L298

Fonte: STMicroelectronics, 2000

O APÊNDICE N, o APÊNDICE O e oAPÊNDICE P apresentam o layer  e a máscara da placa.

60

4.3.3 Placa Sensor  A placa sensor possui a função informar à placa controladora que as referências zero dos eixos X, Y e Z foram atingidas, e garantir que a excursão máxima de cada eixo, limitada  pela estrutura mecânica, não será excedida. Seu funcionamento é simples e consiste em uma  barreira infravermelha, constituída a partir de um foto diodo emissor e um foto transistor receptor. A Figura 46 apresenta o esquema elétrico da Placa Sensor. Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor 

Fonte: Própria do autor 

Quando uma barreira física interrompe o feixe infravermelho, a saída do circuito fica em nível lógico alto, impossibilitando que o sistema de controle tente fazer com que o eixo se desloque adiante naquele sentido, e quando não há nada entre o emissor e o receptor a saída do circuito terá nível lógico baixo, permitindo que o sistema de controle possa enviar comandos para que o eixo se desloque naquele sentido. Optou-se por utilizar a barreira infravermelha por apresentar melhor precisão de estado, se comparado com a chave fim de curso de acionamento mecânico.  Neste circuito são os componentes TIL32 (foto diodo emissor) e TIL78 (foto transistor  receptor) os responsáveis por gerar esta barreira infravermelha. São muito utilizados para este  propósito, pois o seu custo e a complexidade do circuito são muito baixos. A seguir será feita uma breve explicação sobre tais componentes e apresentação de testes obtidos com os mesmos. TIL32 - trata-se de um LED que emite luz infravermelha com comprimento de onda de 940nm, para trabalhar em conjunto o receptor precisa trabalhar no mesmo comprimento de onda.

61

TIL78 - é um fototransistor e possui encapsulamento igual ao de um LED típico e os terminais correspondem ao coletor e emissor do transistor, a base é ativada pela captação da incidência de luz infravermelha que, quando em quantidade suficiente, leva o transistor a conduzir, permitindo a passagem de corrente do coletor para o emissor. Existem seis placas sensor no sistema, uma para a posição de início e outra para o fim de cada eixo, a seguir é apresentada a Tabela 8 com a lista de componentes utilizados em cada  placa. Tabela 8 - Componentes da placa sensor  Partlist Exported from Placa Sensor.sch at 3/7/aaaa 23:52:46 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part 5V PIC-IO R1 R2 TIL32 TIL78

Value

Device

Package

Library

Sheet

220R 1k5

AK500/2 PINHD-1X1 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 LED3MM BPX81

AK500/2 1X01 0207/10 0207/10 LED3MM BPX81

con-ptr500 pinhead resistor resistor led opto-trans-siemens

1 1 1 1 1 1

BPX81

O APÊNDICE Q e oAPÊNDICE R apresentam o layer e a máscara da placa. 4.3.4 Placa Relé A placa relé é composta por um dispositivo eletromecânico que transforma um sinal elétrico em um movimento mecânico, em seu interior existe uma bobina de fio de cobre enrolado em volta de um núcleo ferromagnético e uma armadura com contatos metálicos. Ao alimentar a bobina com sua devida tensão esta é ligada e a corrente passante produz um campo magnético capaz de atrair um contato normalmente aberto da armadura do dispositivo, cujo nome é classificado como relé. A Figura 47 apresenta o esquema elétrica do Placa Relé.

62

Figura 47 - Esquema elétrico Placa Relé

Fonte: Própria do autor 

 No trabalho desenvolvido o relé tem a função de fechar e abrir um contado elétrico para consequentemente ligar e desligar a micro retífica utilizada para fresagem. Seu controle é feito através do  software de controle que envia a requisição necessária à  placa controladora e que por sua vez ativa ou desativa o relé. O relé possui tensão da bobina de 24V e contatos de 10 A quando operado a 125 Vac. O fato de utilizar um relé com alimentação da bobina de 24V é devido à fonte de alimentação utilizada no projeto possui tensão de saída estabilizada neste valor, como é visto na subseção 4.3.5, tornando o circuito de acionamento o mais simples possível. Existe apenas uma placa relé no sistema, a seguir é apresentada a Tabela 9 com a lista de componentes utilizados. Tabela 9 - Componentes da placa relé Partlist Exported from relé.sch at 3/7/aaaa 23:53:36 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part

Value

Device

Package

Library

Sheet

24V 110V D1 K1 LED1 PIC-IO R1 R2 RETIFICA T1

24V 110Vac 1N4148 RELÉ 24V

AK500/2 AK500/2 1N4148DO35-10 JS-M1F-12V-5 LED5MM PINHD-1X1 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 AK500/2 BD139

AK500/2 AK500/2 DO35-10 JS-M LED5MM 1X01 0207/10 0207/10 AK500/2 TO126

con-ptr500 con-ptr500 diode relay led pinhead resistor resistor con-ptr500 transistor

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2k2 1k BD139

63

O APÊNDICE S e o APÊNDICE T apresentam o layer e a máscara da placa. 4.3.5 Fonte de alimentação Inicialmente a fonte de alimentação do sistema seria projetada e desenvolvida, porém, no decorrer do projeto optou-se por comprar uma fonte comercial (Figura 48) que atendesse às necessidades do projeto. A fonte adquirida é do tipo chaveada e possui tensão de entrada 127Vac ou 220Vac e fornece em seus terminais de saída entre 18 V até 27 V, ajustável por  um trimpot e uma corrente de 14,6 A, atendendo aos requisitos de alimentação do projeto. Os fatores que foram levados em consideração por adquirir uma fonte comercial e não  projetar e construir uma foram o custo, pois quando comparado aos componentes necessários  para construção de uma e a fonte, os valores estavam bem próximos e o grande tempo que seria gasto para projetar e construir uma fonte, já que este não faz parte dos objetivos deste trabalho. Figura 48 - Fonte Chaveada utilizada no projeto

Fonte: Própria do autor 

4.3.6 Placa Reguladora de tensão  Na subseção anterior foram apresentadas as características da fonte de alimentação utilizada no projeto que fornece uma tensão de até 27 V e uma corrente máxima de 14,6 A. No entanto, nem todos os componentes do sistema são alimentados com esta tensão, sendo assim foi preciso criar um circuito capaz de realizar a redução desta tensão para que as demais placas do sistema pudessem ser alimentadas utilizando a fonte adquirida. A Figura 49 apresenta o esquema elétrico da Placa Reguladora. A placa reguladora possui a função de receber a tensão de saída da fonte e reduzi-la  para os 5 V necessários para alimentação dos demais circuitos eletrônicos do projeto. Os componentes responsáveis por isso são o LM7812 e o LM7805.

64

Esses reguladores de tensão são componentes com alto grau de confiabilidade e com eles obtêm-se vários padrões diferentes de tensão juntamente com grau de complexidade na montagem do circuito bem baixo. Tais CI’s são reguladores de tensão lineares e possuem as seguintes características: •

Controle de temperatura;

•

Proteção contra curto-circuito;

•

Alto grau de precisão na tensão de saída;

•

Limitação de corrente;

•

Corrente máxima de saída de 1A. A diminuição da tensão é realizada em dois estágios primeiramente a tensão é abaixa-

da para 12 V e logo em seguida abaixada para 5 V, foi preciso fazer isto pois se fossem aplicados diretamente os 24 V no CI L7805 o mesmo não suportaria a potência total a ser dissi pada danificando permanentemente o componente. Ou teria que ser fixado ao CI um dissipador de calor com custo mais elevado do que a etapa primeira etapa de redução da tensão. Existem três placas reguladoras no sistema, uma para cada conjunto de placas que compõem os eixos do sistema. A seguir é apresentada a Tabela 10 com a lista de componentes utilizados em cada placa. Figura 49 - Esquema elétrico Placa Reguladora

Fonte: Própria do autor 

65

Tabela 10 - Componentes da placa reguladora Partlist Exported from ReguladorTensao.sch at 3/7/aaaa 23:54:10 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part

Value

Device

Package

Library

Sheet

5V 24V C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1 D2 IC1 IC2

5V 24V 1000uF 100nF 470pF 100uF 100uF 100nF 470pF 100uF 1N4148 1N4148 7812TV 7805TV

AK500/2 AK500/2 CPOL-USE5-13 C2.5/2 C2.5/2 CPOL-USE3.5-8 CPOL-USE3.5-8 C2.5/2 C2.5/2 CPOL-USE3.5-8 1N4148DO35-7 1N4148DO35-7 7812TV 7805TV

AK500/2 AK500/2 E5-13 C2.5-2 C2.5-2 E3,5-8 E3,5-8 C2.5-2 C2.5-2 E3,5-8 DO35-7 DO35-7 TO220V TO220V

con-ptr500 con-ptr500 rcl capacitor-wima capacitor-wima rcl rcl capacitor-wima capacitor-wima rcl diode diode linear linear

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

O APÊNDICE U e o APÊNDICE V apresentam o layer e a máscara da placa. 4.3.7 Diagrama de interligação dos módulos eletrônicos A seguir é apresentado o diagrama de interligação dos módulos eletrônicos do projeto, a Figura 50 representa os módulos para o controle do eixo X, a Figura 51 representa os módulos para o controle do eixo Y e a Figura 52 os módulos para o controle do eixo Z. Figura 50 - Interligação módulos eixo X

Fonte: Própria do autor 

66

Figura 51 - Interligação módulos eixo Y

Fonte: Própria do autor  Figura 52 - Interligação módulos eixo Z

Fonte: Própria do autor 

4.4

Detalhamento do  Software Para o desenvolvimento do  software é utilizada a linguagem de programação Object 

 Pascal ,

pelo ambiente de desenvolvimento integrado  Embarcadero Delphi XE2. A escolha

 por esta opção está relacionada apenas a familiarização do autor para com a linguagem de  programação escolhida, facilitando a etapa de desenvolvimento do programa controlador. Pode ser utilizada qualquer linguagem de programação com suporte à comunicação USB e Serial RS232. 4.4.1 Implementação do sistema Dentre as opções disponíveis para a comunicação USB, opta-se por utilizar a classe CDC devido a algumas características como conhecimento do autor sobre tal comunicação, facilidade de implementação e suporte nativo pelo Delphi para a classe CDC através do com ponente TComPort , bastando apenas configurá-lo corretamente para que se consiga comunicar com o firmware presente no microcontrolador.

67

4.4.2 Software Controlador  O sistema controlador é o responsável pela interação entre o usuário, as interfaces eletrônicas e o equipamento. Nele estão presentes três módulos, que são: •

Formulário Principal (Figura 53): é iniciado ao ser executado o programa, sua função é conectar o computador ao equipamento e exibir os outros dois módulos de controle que serão apresentados a seguir. Figura 53 - Formulário Principal

Fonte: Própria do autor 

Antes da escolha dos módulos de operação do equipamento, é preciso configurar o  software

para se conectar a porta serial que representa o dispositivo, para isso, basta clicar no

menu Configuração, sendo aberta uma nova janela solicitando as informações corretas a qual  porta o sistema conectará, como visto na Figura 54. Figura 54 - Configuração

Fonte: Própria do autor 

68

•

Formulário Fresar Circuito (Figura 55): É invocado quando selecionado o menu Fresar  Circuito, o  software e o dispositivo devem estar conectados. Através desse módulo é  possível abrir um arquivo GERBER , realizar sua decodificação e inicializar o processo de fresagem; Figura 55 - Fresar Circuito

Fonte: Própria do autor 

•

Formulário Controle Manual (Figura 56): É invocado quando selecionado o menu Controle Manual, o  software e o dispositivo devem estar conectados. Através desse módulo é possível realizar o controle dos motores de passo, da retífica e saber o estado dos sensores de fim de curso.

69

Figura 56 - Controle Manual

Fonte: Própria do autor 

4.4.3 Arquivo Gerber  O formato como o arquivo Gerber é gerado, como apresentado na subseção 3.6.2, não é interessante, pois existem linhas que não trazem informações úteis para a aplicação no pro jeto, outra característica desfavorável são as informações sobre as coordenadas das trilhas e suas características, como a espessura, não permitirem uma fácil interpretação dos dados,  pois, o padrão Gerber foi desenvolvido para ser utilizado por  photoplotters. Por isso é preciso realizar o tratamento das informações presentes no arquivo, que re presentam o caminho das linhas de centro das trilhas e ilhas do circuito e suas respectivas espessuras. Um melhor entendimento sobre o padrão Gerber  pode ser visto em especificação (Ucamco, 2013). A Figura 57 apresenta o fluxograma do desenvolvimento para a etapa de tratamento das informações presentes no arquivo Gerber .

70

Figura 57 - Fluxograma da etapa de conversão do arquivo Gerber  Início

Abre arquivo de conversão

Fim do arquivo original?

Sim

Fecha arquivo original

Não

Lê próxima linha do arquivo original Retorna

Dados coordenada de X ou Y?

Não

Sim

Dados coordenada de X?

Sim

Não

Tratar dados coordenada X

Gerar imagem de X?

Não

Memorizar valor da coordenada X

Dados coordenada de Y?

Sim

Tratar dados coordenada X

Sim

Calcular coordenada X

Não

Gerar imagem de Y?

Sim

Calcular coordenada Y

Não

Memorizar valor da coordenada X Monta coordenada no novo formato

Escreve no arquivo de conversão

Fonte: Própria do autor 

4.4.4 Fresamento de circuitos A Figura 58 apresenta o fluxograma representado as etapas de fresamento automático de circuitos implementadas no  software controlador.

71

Figura 58 - Etapas de fresamento do circuito

Fonte: Própria do autor.

4.4.5 Protocolo de Comunicação Para comunicação entre o programa controlador e o dispositivo USB é desenvolvido um protocolo representado por  strings contendo símbolos da tabela ASCII. Os comandos ao serem recebidos são interpretados e convertidos em sinais para o controle dos eixos do equi pamento ou informam alguma mudança no estado dos sensores. A Tabela 11 apresenta os códigos utilizados para descrever as configurações de operação do equipamento. Os comandos do protocolo utilizados no  software possuem o mesmo significado para o  firmware.

72

Tabela 11 - Protocolo de comunicação

Código A B C D E F G H I J K L M  N O P Q R S T Xxxxx Yxxxx Zxxxx ! @ # $ % ^ * . + < >

4.5

Descrição Configura sinais Eixo X ( enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo X ( enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo X ( enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo X ( enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo X ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). Configura sinais Eixo X ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). Configura sinais Eixo Y ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). Configura sinais Eixo Z ( enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). Liga a Retífica Desliga a Retífica Informa a quantidade de passos o motor X deve girar, onde “xxxx” representa um valor entre 0 e 9999. Informa a quantidade de passos o motor Y deve girar, onde “xxxx” representa um valor entre 0 e 9999. Informa a quantidade de passos o motor Z deve girar, onde “xxxx” representa um valor entre 0 e 9999. Informa mudança de estado sensor X1. Informa mudança de estado sensor X2. Informa mudança de estado sensor Y1. Informa mudança de estado sensor Y2. Informa mudança de estado sensor Z1. Informa mudança de estado sensor Z2. Informa mudança de estado sensor Contato. Confirmação de comando executado. Software conectou. Software desconectou. Início de um comando. Fim de um comando.

Detalhamento do Firmware Para o desenvolvimento do  firmware, opta-se por utilizar o compilador  CCS C Compi-

ler 4.78 ,

trata-se de um compilador de linguagem C para microcontroladores da família PIC.

Desenvolvido pela empresa Custom Computer Services, é um  software pago, porém, para o  projeto foi utilizada a versão de demonstração válida por 30 dias de uso.

73

4.5.1 Considerações importantes Inicialmente seria utilizado no projeto apenas um microcontrolador encarregado de receber os comandos enviados pelo  software controlador através de uma interface USB, porém, como o projeto trata de um sistema complexo e que envolve várias interrupções externas referentes às placas sensores e interrupções de temporizadores do microcontrolador, caso estas interrupções fossem implementadas no mesmo microcontrolador responsável pela comunicação USB à conexão entre o computador e o equipamento será perdida como constatado através de testes. Pois é uma especificação da interface USB que o dispositivo conectado envie um pacote a cada milissegundo dizendo o dispositivo ainda encontra-se conectado e pronto  para uso. Entretanto tal especificação é violada devido às rotinas de tratamento das interrupções ocuparem tempo de processamento superior a 1 milissegundo. A maneira encontrada para contornar tal problema foi utilizar um microcontrolador, responsável unicamente por receber os dados pela interface USB e através do módulo de comunicação serial presente no PIC18F4550 realizar a troca de informações com outro microcontrolador que está interligado aos outros módulos eletrônicos, enviando os sinais para acionamento dos motores de passo à placa relé e recebendo os sinais dos sensores de fim de curso. Foi encontrada outra maneira para resolver o problema, utilizando o CI FT232R - FTDI. Este serve para converter dados USB para Serial. Sendo assim, seria preciso utilizar apenas um microcontrolador no projeto. Porém a dificuldade em se encontrar tal CI e o custo de aquisição fez com que a primeira solução fosse adotada. 4.5.2 PIC.USB O microcontrolador responsável pela comunicação USB entre o computador e o equi pamento foi denominado de PIC.USB, para o desenvolvimento do programa presente neste microcontrolador inicialmente segue os seguintes passos: •

Importar biblioteca da família PIC18F4550;

•

Importar biblioteca de funções comunicação CDC;

•

Importar descritores USB implementados;

•

Definir os bits de configuração;

•

Definir o clock ;

•

Definir as configurações da comunicação Serial; Feito isso o programa é desenvolvido, a seguir será apresentado o fluxograma do pro-

grama implementado para este microcontrolador, visto na Figura 59.

74

Figura 59 - Fluxograma geral do  firmware PIC.USB

Fonte: Própria do autor 

4.5.3 PIC.CPU O PIC.CPU é o microcontrolador responsável pela comunicação com os outros módulos eletrônicos do projeto. Este troca informações com o PIC.USB através do módulo de comunicação serial presente nos controladores, para o desenvolvimento do programa presente neste microcontrolador inicialmente segue-se os seguintes passos: •

Importar biblioteca da família PIC18F4550;

•

Definir os bits de configuração;

•

Definir o clock ;

•

Definir as configurações da comunicação Serial; Feito isso, o programa é desenvolvido, a seguir será apresentado o fluxograma do pro-

grama implementado para este microcontrolador, visto na Figura 60.

75

Figura 60 - Fluxograma geral do  firmware PIC.CPU

Fonte: Própria do autor 

4.5.4 Biblioteca de funções O compilador utilizado possui várias bibliotecas de funções extras que tornam transparente ao desenvolvedor algumas etapas no desenvolvimento de seus sistemas, como funções de manipulação de dispositivos USB.

76

A transmissão dos dados entre o computador e o equipamento é realizada através de um microcontrolador que foi programado para se comportar como um dispositivo de comunicação CDC. Sendo assim o dispositivo é reconhecido como uma interface de transmissão através de uma porta de comunicação serial. As principais funções disponíveis na biblioteca de comunicação CDC do compilador  utilizado são: •

usb_enumerated(): verifica se o dispositivo está pronto para

•

usb_detach():

a comunicação;

desconecta o dispositivo. Deve ser usada antes de sua remoção fí-

sica do computador; •

usb_attach():

re-conecta o dispositivo, deve ser usada para re-conectá-lo quando o

dispositivo foi desconectado, mas ainda não removido literalmente; •

usb_cdc_putc(char c): envia um caractere via USB;

•

usb_cdc_kbhit(): verifica se existe algum dado no buffer de recepção;

•

usb_cdc_getc():

recebe um caractere. Deve-se usar o usb_cdc_kbhit() descrito anteri-

ormente para verificar se existem dados; •  get_float_usb(): recebe um número ponto flutuante; •  get_long_usb(): recebe um número inteiro longo; •  get_int_usb(): recebe um inteiro; •

get_string_usb(char *s, int max): recebe uma string;

•  gethex_usb(): recebe um hexadecimal.

Também existem outras bibliotecas de funções como a responsável pela comunicação serial, também utilizada no projeto, suas principais funções são: •  set_uart_speed(): Altera a velocidade da comunicação da USART interna; •  getc(): Aguarda a chegada de um caractere pela linha serial; •  putc(): Escreve um dado na saída serial; •  gets(): Lê uma string de caracteres; •  get_string(): Lê uma string com número máximo de caracteres; •  puts(): Escreve uma string na saída serial; •  printf(): Imprime um dado na saída serial; •

kbhit(): Verifica se há um caractere sendo recebido.

77

4.5.5 Descritores USB Para que o dispositivo seja reconhecido por um computador, foram implementados os seus descritores USB. Para isso foi preciso consultar as especificações sobre a comunicação USB, disponível em (USB.org, 2000) e (USB.org, 1999). Os descritores implementados referem-se ao descritor de dispositivo, descritor de configuração, descritor de interface de configuração, descritor da interface de transmissão de dados do tipo CDC, descritor de endpoint 0, descritor de endpoint 1 e descritor de endpoint 2. 4.5.6 Bits de configuração Os bits de configuração dizem quais as configurações das funções do microcontrolador e se encontram sempre no início do código fonte. Representam valores binários atribuídos a posições de memória especificas na memória do microcontrolador. Para este trabalho foram utilizados os seguintes bits de configuração: •  HSPLL: Cristal oscilador de alta velocidade com PLL habilitado; •  NOWDT: Desativação do cão de guarda; •  NOPROTECT : Desativação de proteção de código; •  NOLVP : Desativação da gravação em baixa tensão; •  NODEBUG: Desativação de depuração em circuito; •

USBDIV : Ativação do multiplexador USBDIV;

•  PLL5: Uso de PLL pré escalar com valor 5; •

CPUDIV1: Uso de PLL pós escalar com valor 1;

•

VREGEN : Ativação do uso do Vusb como regulador de tensão interna USB.

A utilização do módulo PLL pré escalar com a configuração PPL5, o valor da frequência de entrada fornecida pelo cristal de 20 MHz é dividido por 5, gerando assim uma frequência de 4 MHz. Valor adequado para o módulo de geração de 96 MHz. O sinal é então encaminhado para dois módulos diferentes. O primeiro módulo é controlado pelo USBDIV que divide o sinal por 2 gerando uma frequência de 48 MHz para o módulo USB. O outro é controlado pela PLL pós-escalar. Este valor recebido pelo módulo PLL pós escalar é dividido por 2, conforme CPUDIV1 e é enviado para o núcleo do microcontrolador. Assim o núcleo do microcontrolador e o  periférico USB trabalham com a mesma frequência de 48 MHz.

78

4.5.7 Configuração comunicação serial Para realizar a comunicação serial entre os microcontroladores deve ser utilizado o comando: •

#use rs232 (opções);

As opções de configuração apresentadas a seguir devem ser utilizadas separadas por vírgula. •  BAUD = x: Define a taxa de transferência; •  XMIT = pin: Define o pino de transmissão; •  RCV = pin: Define o pino de recepção; •  RESTART_WDT : Reinicia o WDT enquanto aguarda a chegada de um caractere pela

linha serial; •  INVERT : Inverte a polaridade dos pinos serial; •  PARITY = x: Onde x é E, N ou O; •  ENABLE = pin: O pino especificado será alto durante uma transmissão.

4.5.8 Instalação e Funcionamento A instalação do  firmware é simples, como costumam ser os dispositivos USB. Ao ser  conectado em um microcomputador ele é automaticamente reconhecido como CNC Circuit   Router como pode ser visto na

Figura 61.

Figura 61 - Reconhecimento automático do  firmware

Fonte: Própria do autor 

79

Em seguida é preciso instalar o driver . Basta selecionar a diretório onde se encontram os arquivos mchpcdc.cat  e mchpcdc.inf , fornecidos pela Microchip. Ao final da instalação é adicionada uma nova porta serial aos drivers presentes no sistema operacional utilizado, como  pode ser visto na Figura 62. Caso não ocorram erros, o  software controlador já pode comunicar-se com o equipamento. Figura 62 - Novo driver instalado

Fonte: Própria do autor 

4.6

Memória de Cálculo Esta seção apresenta os cálculos utilizados no projeto, como cálculo da resolução de

deslocamento do equipamento e cálculo da determinação das velocidades de avanço dos eixos. 4.6.1 Resolução de deslocamento Os cálculos para a determinação da resolução de deslocamento dos eixos do equipamento em condições ideais, ou seja, não são considerados os erros dos elementos. Primeiramente são definidas as características dos elementos para os cálculos: •

Fusos compostos por barras roscadas padrão M14-MA: ∆S  f  = 2mm ;

•

Motores com resolução de passo completo: ∆ϕ m = 1,8° / φ m ;

Onde, •

∆ : deslocamento angular;

80

•

∆S : deslocamento linear;

•

φ : passo completo.

Como ∆ϕ  do fuso é o mesmo do ∆ϕ  do motor, pois os dois estão unidos por um aco plamento elástico. Temos que ∆ϕ m = 1,8° / φ m , logo ∆ϕ  f  = 1,8° / φ m . Como se sabe a resolução de deslocamento por passo completo ( 360º  em torno de seu eixo) do fuso é de 2mm, então por  uma regra de três simples chega-se a seguinte equação: ∆S t  =

∆S  f  × ∆ϕ m

Equação 4.6.1.1

φ  f 

Atribuindo os valores as respectivas variáveis encontra-se que a cada passo do motor o deslocamento linear do eixo ∆S t  =

será de 0,01 mm. 2 mm × 1,8° = 0,01 mm / φ m 360°

Equação 4.6.1.2

Com o valor encontrado pela Equação 4.6.1.2 é possível saber a quantidade de passos necessária para o deslocamento dos eixos. Bastando apenas calcular o comprimento do segmento de uma trilha e multiplica-lo pela resolução de deslocamento encontrada. 4.6.2 Velocidades de avanço É necessário que os eixos X e Y tenham velocidades de avanço diferentes dependendo do ângulo de inclinação que o traçado de uma trilha do circuito possui. Para possibilitar esta característica é necessário que a frequência do sinal de clock  enviado as placas driver  dos eixos sejam diferentes. Sendo assim, é estabelecida uma relação entre as frequências de clock  e a condição de inclinação em que o traçado da trilha possui. A seguir são apresentados os passos para a determinação das frequências dos clocks e os respectivos cálculos. Como exemplo, a Figura 63 representa um traçado de uma trilha que compõe um circuito. Figura 63 - Exemplo de um traçado de reta que compõe um circuito

81

Fonte: Própria do autor.

∆ y 2 + ∆ x 2

d r  =

•

Cálculo do comprimento total ( d r  ) da reta r ; Equação 4.6.2.1

•

Cálculo do coeficiente de inclinação ( m) da reta r ; d  =θ v°×=t  m = tan

•

∆ y ∆

Equação 4.6.2.2

Decomposição da reta r em relação aos eixos do plano cartesiano  x e y; d  x = d r  × cos θ °

Equação 4.6.2.3

d  y = d r  × senθ °

Equação 4.6.2.4

Temos que distancia está relacionada proporcionalmente a velocidade e o tempo de avanço dos eixos, como é desejado obter trilhas em diferentes ângulos de inclinação e sem que estas estejam serrilhadas, o tempo gasto para o deslocamento total dos eixos precisa ser o mesmo. Para isso utiliza-se a equação de deslocamento linear: Equação 4.6.2.5

Onde, d  é à distância, v a velocidade e t o tempo. Como se sabe, os tempos devem ser  os mesmo, logo t  x = t  y , isolando os termos e igualando as equações temos que: d  x v x

=

d  y

Equação 4.6.2.6

v y

Substituindo a Equação 4.6.2.3 e Equação 4.6.2.4 na Equação 4.6.2.6 e isolando os termos em função de v x temos que: v y =

d   v x × senθ °  × d   cos θ ° 

Equação 4.6.2.7

82

Agora que se conhece uma relação entre as velocidades de deslocamento dos eixos X e Y em tempos iguais é preciso definir uma forma de que os clocks gerados pelo microcontrolador possuam uma frequência de sinal correspondente a esta relação. Antes de prosseguir com os cálculos será feita uma breve abordagem sobre os temporizadores do PIC18F4550. Os temporizadores são na verdade contadores que são incrementados a partir de um  pulso de relógio oscilador. Ao atingir o valor de contagem estipulado ocorre o evento denominado overflow e o contador do temporizador é decrementado. O PIC18F4550 possui internamente 4 temporizadores, que são: •

TIMER 0;

•

TIMER 1;

•

TIMER 2;

•

TIMER 3.

As diferenças entre eles estão relacionadas ao limite de contagem, modo de operação, tipo de incremento,  prescales e  postscales (divisores de contagem), geração de interrupção e os periféricos associados a eles. Por meio de testes constatou-se que os motores de passo suportariam um clock  de acionamento de até 1800 Hz . Observando as características dos temporizadores pela folha de dados do microcontrolador (Microchip Technology Inc., 2013) constata-se que o TIMER 0 e TIMER 2 atendem a essa característica.

A diferença principal entre esses dois temporizadores é que o TIMER 2 possui um segundo divisor de contagem, conhecido como  postscales, proporcionando uma maior variação de temporizações possíveis. Sendo assim é definido que o TIMER 0 tem a função de gerar o clock  para o

eixo X e eixo Z com uma frequência constante de 1460 Hz , valor mais próximo

 para os testes de clock  dos motores possível com o temporizador. E o TIMER 2 a função de gerar o clock  para o eixo Y com um valor variável. Essa decisão é tomada para que se atenda a Equação 4.6.2.7. O passo seguinte é encontrar uma relação entre v x e v y com respectivas frequências de estouro dos temporizadores. Sabe-se que:  f  =

1 T 

Equação 4.6.2.8

83

Onde,  f  (frequência) é dado em Hz e o T (período) é dado em segundos, logo, é possível estabelecer uma relação com a Equação 4.6.2.5. Isolando os termos T a t  e igualando as equações, chega-se a: v = d ×  f 

Equação 4.6.2.9

Estabelecida a relação entre a velocidade dos eixos e a frequência de clock gerada pelo microcontrolador para o mesmo tempo é possível agora descobrir o valor necessário para que a frequência do TIMER 2 em relação a frequência do TIMER 0 proporcionem o deslocamento dos eixos X e Y no mesmo tempo em diferentes ângulos de inclinação. Basta agora substituir  a Equação 4.6.2.9 em Equação 4.6.2.7 chega-se a seguinte solução:  f  y =

d ×  f x × ∆ y d × ∆ x

Equação 4.6.2.10

Como se sabe, o deslocamento linear dos eixos é de 0,01 mm / φ m (Equação 4.6.1.2), valor atribuído a variável d  e que o valor de  f  x é igual a 1460 Hz , então, substituindo os valores e simplificando a Equação 4.6.2.10 temos que:  f  y =

1460 × ∆ y

Equação 4.6.2.11

∆

Utiliza-se a Equação 4.6.2.11 para gerar a frequência de clock  na implementação do  software controlador para a função de fresar

automaticamente o circuito.

84

5

RECURSOS FINANCEIROS Esta seção apresenta os custos referentes aos materiais utilizados no projeto, serão a-

 presentados apenas os gastos com materiais utilizados na versão final, sendo desconsiderados os gastos com mão de obra para confecção de peças da estrutura mecânica, materiais e ferramentas necessárias para a confecção dos circuitos impressos, taxas de frete para envio das mercadorias, componentes eletrônicos e materiais sucateados devido a problemas encontrados durante o desenvolvimento deste trabalho. O motivo do descarte dos gastos referentes aos itens citados é devido à grande variação de valores para tais itens.

5.1

Sistema mecânico A Tabela 12 contém os principais materiais utilizados no sistema mecânico do equi-

 pamento. Tabela 12 - Lista dos principais matérias para o sistema mecânico

Material Chapa Polipropileno 20 x 300 x 500 (mm) Chapa Polipropileno 10 x 300 x 500 (mm) Perfil quadrado Metalon 14 x 50 x 50 (mm) por metro Eixo Retificado Linear 16 mm por metro Barra Roscada M14  por metro Kit C/8 Rolamentos Abec 9- 608-zz Tarugo Bronze TM23 RED 22,22 x 500 (mm) por metro Mini Fresa Ponta Dupla Carboneto 30º 0,1 mm

5.2

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 100,00

R$ 100,00

1

R$ 55,00

R$ 55,00

3

R$ 13,35

R$ 40,05

3

R$ 36,00

R$ 108,00

2

R$ 30,00

R$ 60,00

1

R$ 11,00

R$ 11,00

0,5

R$ 100,82

R$ 50,41

2

R$ 18,98

R$ 37,96

Total

R$462,42

Sistema eletromecânico

A Tabela 13 apresenta os elementos utilizados no sistema eletromecânico do equipamento.

85

Tabela 13 - Lista dos elementos do sistema eletromecânico

Material Micro Retifica 135W c/ 10 Acessórios 100V Motor de Passo Uni polar/Bipolar Astrosyn 23KM-C05107V

5.3

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 89,90

R$ 89,90

3

R$ 29,00

R$ 87,00

Total

R$176,90

Circuitos eletrônicos As tabelas a seguir apresentam o custo dos elementos utilizados para os módulos que

compõem os circuitos eletrônicos do projeto. Tabela 14 - Lista dos elementos Placa Controladora

Material BORNE KRE 2 pontos PIC18F4550-I/P Capacitor multicamada 470nF 50v Cristal 20,000 MHz HC-49S Conector USB B1 DIP 90º Capacitor de Disco 50V 22pF Capacitor de Disco 50V 100nF LED DIFUSO 5mm Capacitor ELCO 50V 10uF Diodo 1N4148 Resistor CR25 27 Ohms Resistor CR25 1,0 KOhms Resistor CR25 330 Ohms Soquete Torneado 40 Pinos Chave Táctil 6x6x5mm

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 0,70

R$ 0,70

2

R$ 23,00

R$ 46,00

1

R$ 0,05

R$ 0,05

2

R$ 0,50

R$ 1,00

1

R$ 2,00

R$ 2,00

4

R$ 0,10

R$ 0,40

2

R$ 0,10

R$ 0,20

1

R$ 0,15

R$ 0,15

2

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,05

R$ 0,05

2

R$ 0,05

R$ 0,10

2

R$ 0,05

R$ 0,10

1

R$ 0,05

R$ 0,5

2

R$ 2,00

R$ 4,00

1

R$ 0,10

R$ 0,10

Total

R$55,40

86

Tabela 15 - Lista dos elementos Placa  Driver 

Material BORNE KRE 2 pontos Dual Full Bridge  Driver L298  Driver para motor de  passos L297 Diodo Retificador  Ultra Rápido UF4007 Resistor PR01 1 Ohms Resistor CR25 5,6 KOhms Resistor CR25 1,0 KOhms Resistor CR25 22,0 KOhms Capacitor 470uF x 50V Capacitor de Disco 50V 100nF Capacitor de Disco 50V 3,3nF Soquete Torneado 20 Pinos SLIN DISSIPADOR  CPP702 / 30mm  NATURAL

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

2

R$ 0,70

R$ 1,40

1

R$ 8,40

R$ 8,40

1

R$ 10,00

R$ 10,00

8

R$ 0,15

R$ 1,20

4

R$ 0,12

R$ 0,48

1

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,50

R$ 0,50

2

R$ 0,10

R$ 0,20

1

R$ 0,10

R$ 0,10

1

R$ 1,00

R$ 1,00

1

R$ 1,50

R$ 1,50

Total

R$24,93

O custo total da Tabela 15 representa o custo de uma Placa  Driver , como existem 3  placas o custo total das placas é portanto R$74,79. Tabela 16 - Lista dos elementos Placa Reguladora

Material BORNE KRE 2 pontos Regulador de tensão Positiva 1A 7805 Regulador de tensão Positiva 1A 7812 Capacitor 1000uF x 50V Capacitor 100uF x 50V Capacitor 100uF x 35V

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

2

R$ 0,70

R$ 1,40

1

R$ 1,00

R$ 1,00

1

R$ 1,00

R$ 1,00

1

R$ 1,10

R$ 1,10

2

R$ 0,80

R$ 1,60

1

R$ 0,15

R$ 0,15

87

Capacitor de Disco 50V 100nF Capacitor de Disco 50V 470pF DISSIPADOR  CPP812 / 20mm  NATURAL

2

R$ 0,10

R$ 0,20

2

R$ 0,10

R$ 0,20

2

R$ 1,30

R$ 2,60

Total

R$9,25

O custo total da Tabela 16 representa o custo de uma Placa Reguladora, como existem 3 placas o custo total das placas é portanto R$27,75. Tabela 17 - Lista dos elementos Placa Sensor 

Material Fototransistor 3mm TIL78 Fotodiodo TIL32 3mm - Emissor  Resistor CR25 1,5 KOhms Resistor CR25 220 Ohms BORNE KRE 2 pontos

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 0,30

R$ 0,30

1

R$ 0,30

R$ 0,30

1

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,05

R$ 0,05

1

R$ 0,70

R$ 0,70

Total

R$1,40

O custo total da Tabela 17 representa o custo de uma Placa Sensor, como existem 6  placas o custo total das placas é portanto R$8,40. Tabela 18 - Lista dos elementos Placa Relé

Material RELE 24V-10A HJR-3FF-SZB Diodo 1N4148 Resistor CR25 1,0 KOhms Transistor  BD139 BORNE KRE 2 pontos LED DIFUSO 5mm

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 1,50

R$ 1,50

1

R$ 0,05

R$ 0,05

2

R$ 0,05

R$ 0,10

1

R$ 0,50

R$ 0,50

3

R$ 0,70

R$ 2,10

1

R$ 0,15 Total

R$ 0,15 R$4,40

Tabela 19 - Outros elementos

Material Fonte 2414 24V 14,6A METÁLICA I

Quantidade

Custo Unidade

Custo Total

1

R$ 129,98

R$ 129,98

Total

R$129,98

88

O custo total da versão final do projeto é obtido somando o total correspondente a Ta bela 12, Tabela 13, Tabela 14, Tabela 15, Tabela 16, Tabela 17, Tabela 18 e Tabela 19. Sendo assim o custo total é de R$940,04.

6

CRONOGRAMA As etapas do projeto foram desenvolvidas conforme planejado no cronograma (Tabela

20). Tabela 20 - Cronograma do projeto

2012 ATIVIDADES Pesquisa e projeto Desenvolvimento dos módulos eletrônicos Montagem Mecânica Aplicativo de controle e  firmware Testes e Montagem Final Projeto de pesquisa Trabalho final de graduação parcial Trabalho final de graduação final

7

   9    0

   0    1

   1    1

X

X

X X

2013    2    1

   1    0

   2    0

   3    0

   4    0

   5    0

X X

X

X X

X X X

X

X

X

X

X

X X

RESULTADOS E CONCLUSÕES Projetar e construir um novo equipamento, mesmo considerando todo o conhecimento

assimilado durante o curso de Engenharia de Computação, não é uma tarefa fácil. Mesmo com a ideia principal do projeto voltada para construção de um sistema com funcionalidades simples, ele deve operar de forma adequada ao desejado, apresentando condições de precisão e resolução suficientes para criar protótipos de placas de circuito impresso. Durante o desenvolvimento da estrutura mecânica foram encontrados alguns problemas, impossibilitando a realização de testes finais que comprovem seu funcionamento. Um dos problemas envolvendo a confecção das partes da estrutura pode ser visto na Figura 64. Ao colocar uma peça Carro faceada com outra peça que faz parte do mesmo eixo é notável o empeno presente na peça devido ao aquecimento no momento de usinagem dos furos, o mesmo ocorreu em todas as peças que exercem a função de Carro dos eixos, estes em penos fazendo com quem os furos onde as guias são inseridas fiquem desalinhados impedindo assim o deslizamento das buchas sobre as mesmas. Sendo assim os motores de passo não conseguem girar devido o eixo estar travado.

89

Figura 64 - Empeno dos Carros

Fonte: Própria do autor 

A Figura 65 apresenta o resultado construção da estrutura mecânica, os erros apresentados por elas não são visíveis a olho nu. Figura 65 - Estrutura mecânica desenvolvida

Fonte: Própria do autor 

Para o desenvolvimento das interfaces eletrônicas utilizadas no projeto, necessitou-se de um grande embasamento teórico sobre a funcionalidade de cada circuito, como foi apresentado ao longo deste trabalho. Com a assimilação de todas as informações necessárias, não houve grandes dificuldades para o desenvolvimento e integração das interfaces, visto que as referências utilizadas pelo autor possuem um linguajar bastante simplificado, objetivo e sem pre abordando todos os aspectos envolvidos para o devido desenvolvimento do hardware em questão. O desenvolvimento dos protótipos circuitos eletrônicos utilizados nos testes do projeto foi utilizado o método de transferência térmica, exceto a placa controladora, onde foi utilizada

90

uma Protoboard devido à facilidade de alterar o circuito durante o projeto. A Figura 66 à Figura 70, aprestam a vista do lado dos componentes dos protótipos. Figura 66 - Protótipo placa controladora

Fonte: Própria do autor  Figura 67 - Protótipo placa reguladora

Fonte: Própria do autor 

91

Figura 68 - Protótipo placa driver 

Fonte: Própria do autor  Figura 69 - Protótipo placa relé

Fonte: Própria do autor  Figura 70 - Protótipo placa sensor 

Fonte: Própria do autor 

92

Como foi dito anteriormente, testes finais envolvendo a estrutura mecânica não puderam ser realizados, porém, testes individuais envolvendo o  software,  firmware e os módulos eletrônicos foram realizados e são apresentados a seguir. •  No teste de tratamento das informações presentes em um arquivo Gerber  (Figura 71),

é possível ver a esquerda da imagem o conteúdo presente no arquivo e na direita da imagem o circuito correspondente. As linhas em azul representam as coordenadas das trilhas e ilhas originais do arquivo tratado e as linhas em vermelho representam as coordenadas enviadas a Placa Controladora para a movimentação dos eixos. Este tipo de tratamento não é uma tarefa trivial e exige que o desenvolvedor possua um conhecimento amplo sobre geometria analítica e matemática computacional, o desenho na imagem serve apenas para ilustrar o conjunto de valores obtidos através de uma rotina de tratamento complexa. Figura 71 - Teste tratamento das informações de um arquivo Gerber .

Fonte: Própria do autor 

•  No teste de conexão e troca de informações entre o computador e o dispositivo utili-

zando a comunicação USB CDC obteve-se um ótimo desempenho em relação a fácil instalação e comunicação dos comandos trocados. •

Os módulos eletrônicos foram testados e todos apresentam funcionamento adequado.

93

Este trabalho permitiu conhecer todos os problemas que envolvem um projeto possui muitas nuances e opções. Há muitas tecnologias disponíveis aplicáveis ao projeto, sendo que cada uma possui suas próprias desvantagens e vantagens. Por exemplo, existem diversos circuitos que podem ser utilizados para desenvolver um controlador de motor de passo. Ficando então a cargo do projetista pesquisar e analisar qual opção disponível se adéqua melhor ao projeto. Também é possível concluir que o conhecimento envolvendo o protocolo USB é de grande importância ao se tratar do desenvolvimento de sistemas embarcados que se deseje realizar a comunicação com microcomputador ou outro dispositivo. Este protocolo de comunicação apresenta um grande benefício, pois apresenta uma fácil utilização e isso o torna cada vez mais difundido entre os fabricantes de equipamentos eletrônicos. Porém, para quem atua no desenvolvimento de dispositivos, não se trata de algo simples, como foi apresentado, o tempo necessário de pesquisa, projeto e testes é elevado. Isto acontece para garantir que o dispositivo funcione de forma esperada pelos clientes, ou seja, querem que cada vez mais eles sejam fáceis de operar e que atendam todas as suas necessidades. Por fim, conclui-se que apesar de ser uma implementação didática com caráter multidisciplinar, esse projeto possui os mesmos fundamentos do desenvolvimento de equipamentos com fins comerciais explorando os mesmos aspectos de uma máquina de comando numérico. Algumas sugestões a serem consideradas em trabalhos futuros são: •

Desenvolver simulação gráfica para o  software;

•

Construção da estrutura mecânica utilizando chapa de alumínio, a fim de evitar os  problemas de empeno das peças no momento da usinagem;

•

Implementar módulo para tratar arquivos de furação, padrão  Excellon, em uma placa de circuito.

94

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95

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97

APÊNDICES APÊNDICE A. Base da estrutura

APÊNDICE B. Pórtico

98

APÊNDICE C. Carros

99

APÊNDICE D. Flanges

100

APÊNDICE E. Mancais

101

APÊNDICE F. Mesa X

APÊNDICE G. Mesa Y

102

APÊNDICE H. Suporte Retífica Baixo

APÊNDICE I.

Suporte Retífica Cima

103

APÊNDICE J.

Buchas de deslizamento

APÊNDICE K. Buchas Rosca M14-MA

104

APÊNDICE L.  Layer  para confecção da Placa Controladora

APÊNDICE M. Más ara da Placa Controladora

105

APÊNDICE N.  Layer  Bottom  Bottom para confecção da Placa  Driver 

APÊNDICE O.  Layer Top r  Top para confecção da Placa  Driver 

106

APÊNDICE P. Más ara da Placa  Driver 

APÊNDICE Q.  Layer  para confecção da Placa Sensor

APÊNDICE R. Más ara da Placa Sensor

107

APÊNDICE S.  Layer  para confecção da Placa Relé

APÊNDICE T. Más ara da Placa Relé

APÊNDICE U.  Layer  para confecção da Placa Reguladora