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



Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá como parte dos requisitos necessários para a ob-tenção do Grau de Engenheiro da Compu-tação. Orientador: Prof. Dr. Eben-ezer Prates da Silveira.

ITABIRA 2013



Trabalho Final de Graduação, apresentado à Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabi-

ra, como requisito parcial para aprovação no curso de graduação em Engenharia da Computa-

ção.

Professor Orientador Dr. Eben-ezer Prates da Silveira

Resultado:________________

Itabira, 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 aciona-mento 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, Microcontrola-dor.

ABSTRACT

This study presents the development of a system based on the concept of computerized nu-merical 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

SUMÁRIO

1 Introdução .................................................................................................................... 13

2 Objetivos ...................................................................................................................... 15

2.1 Objetivo geral ........................................................................................................ 15

2.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 15

3 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

4 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. Mesa X ............................................................................................... 101

APÊNDICE G. Mesa Y .............................................................................................. 101

APÊNDICE H. Suporte Retífica Baixo ....................................................................... 102

APÊNDICE I. Suporte Retífica Cima .......................................................................... 102

APÊNDICE J. Buchas de deslizamento ....................................................................... 103

APÊNDICE K. Buchas Rosca M14-MA ..................................................................... 103

APÊNDICE L. Layer para confecção da Placa Controladora ....................................... 104

APÊNDICE M. Máscara da Placa Controladora .......................................................... 104

APÊNDICE N. Layer Bottom para confecção da Placa Driver .................................... 105

APÊNDICE O. Layer Top para confecção da Placa Driver ......................................... 105

APÊNDICE P. Máscara da Placa Driver ..................................................................... 106

APÊNDICE Q. Layer para confecção da Placa Sensor ................................................ 106

APÊNDICE R. Máscara da Placa Sensor .................................................................... 106

APÊNDICE S. Layer para confecção da Placa Relé .................................................... 107

APÊNDICE T. Máscara da Placa Relé ........................................................................ 107

APÊNDICE U. Layer para confecção da Placa Reguladora ......................................... 107

APÊNDICE V. 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, monta-

gem simplificada e organizada, mais robusta e resistente a vibrações, entre outras.

O termo circuito impresso refere-se ao desenho, conhecido como layout, que fica es-

tampado 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 dimen-

sionamento das trilhas é realizado pelo projetista do circuito e o desenho por aplicativos espe-

cíficos, 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 (hardwa-

re/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 trabalha-

dor 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 estrutu-

ra 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 recebe-

rá de um microcomputador os devidos dados das trilhas a serem desgastadas, via uma interfa-

ce de comunicação USB. O controle será realizado através de um software a ser implementa-

do especificamente para este fim.

Este tipo de equipamento não é uma novidade e já foi desenvolvido em vários ambien-

tes 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, cir-

cuitos dos sensores e circuito de acionamento da micro retífica;

• Desenvolver os demais circuitos necessários para o funcionamento dos circuitos prin-

cipais.

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 reali-

zar o controle de uma maquina de usinagem através de números, ligando-a a um microcompu-

tador 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 convencio-

nal. 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 cartesi-

anas 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.

Filho (2008) realizou um estudo sobre Controle Numérico,

conceitos fundamentais sobre o Comando Numérico bem como características técnicas dos

motores de passo, servo motores e

controle para uma mesa de coordenadas para aplicações com

pressos, polimerização a laser e

Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pa

so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de

O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocid

de dos motores, capacidade de armazenagem para configurações diversas dos equipamentos,

capacidade de armazenar comandos manuais, possibilitando a programa

gem.

3.3 Produtos existentes no mercado

Existem diversos tipos de

alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde si

vam de analise ao projeto a ser de

• Fresadora LPKF ProtoMat S103

AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a

mostra o produto:

Figura

Fonte

A Tabela 1 apresenta as principais especificações do produto

TabelaÁrea de trabalho (X / Y / Z)

Interface de comunicação

Resolução

Velocidade de fresamento

Filho (2008) realizou um estudo sobre Controle Numérico, onde são abordados os


motores de passo, servo motores e encoders. Em seu projeto foi desenvolvido um sistema de

controle para uma mesa de coordenadas para aplicações como a confecção de circuitos i

pressos, polimerização a laser e corte de chapas a água.

Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pa

so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de

O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocid


capacidade de armazenar comandos manuais, possibilitando a programação por aprendiz

Produtos existentes no mercado

Existem diversos tipos de máquina-ferramenta CNC, os itens subsequentes mostram

alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde si

vam de analise ao projeto a ser desenvolvido.

Fresadora LPKF ProtoMat S103 - produzida pela empresa PKF Laser & Electronics

AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a

Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103

Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012

as principais especificações do produto:

Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103 Área de trabalho (X / Y / Z) (229 x 305 x 38)

Interface de comunicação USB

0.5

Velocidade de fresamento 150 /

17

onde são abordados os


. Em seu projeto foi desenvolvido um sistema de

o a confecção de circuitos im-

Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pas-

so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de automação.

O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocida-


ção por aprendiza-

CNC, os itens subsequentes mostram

alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde sir-

roduzida pela empresa PKF Laser & Electronics

AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a Figura 2

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




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 pro-

duto:

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




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 pre-

cisão 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 deslo-

camento e menores vibrações (Bardelli, 2005).

Idealmente uma máquina precisa ser projetada de forma que a estrutura atenda no mí-

nimo 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 possu-

em transmissão através de fuso de esfera de alta precisão, máquinas com elementos de trans-

missão por correias planas ou dentadas que ficam acopladas ao eixo do motor e também exis-

tem 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 des-

vantagens 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 en-

grenagens) (Stoeterau, 2004).

Para uma máquina ferramenta CNC que utiliza sistemas de eixos coaxiais, o mais in-

dicado 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 coa-

xiais, 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 elé-

tricos influencia diretamente na rotação dos motores de passo. A sequência dos impulsos de-

termina a direção de rotação do eixo do motor. A velocidade de rotação está diretamente rela-

cionada com a frequência dos impulsos de entrada e o comprimento da rotação está direta-

mente 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.

22

• 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 necessi-

dade 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 a-

coplada 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 ener-

gizado (Souza, 2007). A Figura 5 apresenta a seção transversal de um típico motor de relutân-

cia variável.

23

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 bai-

xos, 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 sequên-

cia 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 per-

manente.

Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M.


24

3.5.2.3 Motores Híbridos

Este tipo de motor de passo, Figura 7, possui um custo mais elevado quando compara-

dos 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 mo-

tor 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 con-

tém um ímã magnetizado axialmente concêntrico em torno do seu eixo (Cunha, 1983). A for-

ma 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.


A principal característica deste motor são as duas peças de pólo multi dentadas presen-

tes 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 ex-

tremidade 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.

25

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 gera-

do por cada um dos enrolamentos.

É mais comum de se encontrar este tipo de acionamento para motores de relutância va-

riável, 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 evi-

dente 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

26

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, deduz-

se então que irá ocorrer um aumento da corrente que percorre a bobina gerando a mesma dis-

sipação 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 acio-

namento 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 sequên-

cia 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


27

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 aciona-

mento 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 tran-

sistores 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.

Motores unipolares ainda hoje são populares para aplicações de baixo desempenho,

pois o circuito de acionamento é mais simples podendo facilmente ser implementado com

dispositivos discretos. No entanto, com os circuitos integrados disponíveis hoje em dia, é pos-

sível 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 apenas uma fase do motor é energizada por vez, fazendo 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.

28

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 pos-

sibilidade 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 mes-

mo 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 anteriormen-

te, porém, a posição mecânica não é a mesma. Esta posição é deslocada de metade de um pas-

so 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 pro-

duzido 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 requeri-

do 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 ope-

rando-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

29

Figura 15, que agora passa a possuir oito passos, e não quatro como nos modos descritos ante-

riormente.

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 símbo-

los + 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 i-

guais são obtidas posições intermediárias localizadas exatamente na metade das posições

quando há uma única fase acionada, obtendo o deslocamento de meio passo. Caso sejam apli-

cadas 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 posi-

cionamento 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 acio-

namento 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


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 pola-

ridade 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 enrolamen-

to 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


A única maneira de fazer a corrente subir mais rapidamente é ter uma tensão de acio-

namento 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 di-

minui-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 des-

vantagem 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


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


Nesta topologia, a corrente de pico é definida pela tensão de referência e o valor da re-

sistência 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 bobi-

na, proporcionando um rendimento total bastante elevado.

A corrente média recebida da fonte de alimentação é menor que a corrente no enrola-

mento, 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.

33

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 a-

cionamento L/nR utiliza uma tensão cinco vezes a tensão nominal do motor e um resistor ex-

terno 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 Figu-

ra 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


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 microcontrolado-

res existentes, os mais conhecidos são, Atmel, Freescale, Intel, Microchip e Texas Instru-

ments.

Dentre os diversos fabricantes citados acima, no mercado nacional os microcontrola-

dores 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 peque-

na comparação entre PICs com arquitetura de 8, 16 e 32 bits (PREDKO, 1998).

Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC

Arquitetura Linhas Memória de

programa

Frequência de

clock

Desempenho

(frequência máxi-

ma)

8 bits

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

16 bits PIC24F/PIC24H 256 kB 80 MHz 40 MIPS

dsPIC30F/dsPIC33F 256 kB 160 MHz 40 MIPS

32 bits PIC32MX 512 kB 72 MHz 1,5 DMIPS/MHz

Fonte: Saber Eletrônica, 2008

Os microcontroladores PIC suportam programas que utilizem tanto linguagem de má-

quina (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, a-

nálise 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 al-

guns modelos de microcontrolador da família PIC podem ser adotados: PIC18F2550 e

PIC18F4550, a Tabela 5 apresenta uma comparação entre as características destes dois micro-

controladores.

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.

35

Atualmente a maioria dos equipamentos possui integrados a si um módulo de comuni-

cação 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 mes-

ma 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, disposi-

tivo e o host.

O barramento USB é o responsável por conectar os dispositivos que suportam este pa-

drão. 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 e-

xiste apenas um host. A implementação de seu controlador é realizada utilizando uma combi-

nação 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, scan-

ners, impressoras, etc.

• Assíncrona (do inglês, Isochronous) - utilizada quando é necessário haver uma trans-

ferência 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 descri-

tores 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 pre-

sentes nas classes e que podem ser utilizadas por dispositivos que tenham características se-

melhantes. 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 relati-

vamente baixa, os tipos de transferência suportados por esta classe são: controle e in-

terrupção. Uma característica interessante ao utilizar esta classe é que o desenvolvedor

não precisa instalar um driver específico para o sistema operacional, pois se pode uti-

lizar um padrão que já está incluído no sistema.

• MSD (Mass Storage Device Class) - como o próprio nome sugere, é geralmente utili-

zada 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 in-

terrupção 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 co-

municação de dados, como modems. As transferências suportadas são: de controle, in-

terrupção e em bloco. Também possui um driver padrão incluído nos sistemas opera-

cionais. Ao utilizar esta classe para desenvolver softwares que controlam dispositivos,

será criada uma porta serial virtual e a comunicação entre software e firmware é reali-

zada 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 u-

tilizadas certamente possuem pelo menos uma biblioteca de componentes que permi-

tem 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 especifi-

co para o dispositivo, se não, o dispositivo não será reconhecido pelo microcomputa-

dor. Projetar um driver partido do zero não é uma tarefa simples, pois exige conheci-

mentos tanto da arquitetura do computador quanto do sistema operacional utilizado.

38

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 individu-

almente 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 toma-

das pelo equipamento, indicando como e o que a máquina precisa fazer para realizar o proces-

so 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 con-

trole, por exemplo, letras, números, símbolos, etc.;

• Caracteres de endereçamento, instruções alfabéticas enviadas a central de controle on-

de 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 reali-

za a conversão de arquivos dxf em G-Code (Silva, 2005).

40

Atualmente existem diversos softwares que realizam o controle de uma máquina-

ferramenta 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 pla-

cas 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 manufactu-

ring 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 arqui-

vos 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 possí-

vel 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 Figu-

ra 23.

Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber

Fonte: Própria do autor

41

Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo Eagle


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, circui-

to de sensores de fim de curso e circuito regulador de tensão. A alimentação dos cir-

cuitos 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 des-

critas detalhadamente nos subitens a seguir.

Figura

4.1 Detalhamento do sistema mecânico

O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontr

dos em grupos de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC

(http://www.guiacnc.com.br) e o Clube CNC Brasil (

Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto


do sistema mecânico

O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontr

os de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC

(http://www.guiacnc.com.br) e o Clube CNC Brasil (http://www.clubecncbrasil.com.br

43

O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontra-

os de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC

ecncbrasil.com.br) le-

44

vando sempre em consideração os conceitos e sugestões apresentadas nas referências utiliza-

das 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


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:

b

a

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


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;

b a

d c

e

f

h g

46

h) Flange;

i) Bucha;

j) Porca;

k) Acoplamento;

Figura 28 - Imagem CAD eixo Y


4.1.4 Eixo Z

O eixo Z possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Z. As par-

tes 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;

g

h

a j d

c

i

47

Figura 29 - Imagem CAD eixo Z


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 cir-

cuito impresso, a qual tem suas dimensões máximas limitadas a 200 mm por 150 mm. As par-

tes que compõem a área de trabalho (Figura 30) são:

a) Apoio;

b) Tirante.

Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X


k

a

b

48

A Figura 31 apresenta o projeto CAD do sistema para a prototipagem de placas de cir-

cuito impresso.

Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem


4.2 Detalhamento do sistema eletromecânico

4.2.1 Motor de passo

Os motores de passo são os responsáveis pela movimentação e posicionamento dos ei-

xos, neste trabalho foram utilizados três motores de passo (Figura 32) padrão NEMA 23KM-

C051-07V 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 pe-

lo 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 mo-

do 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 ali-

mentação 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 primeiramen-

te 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 subi-

tens 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 a-

través 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 mi-

cro 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


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 Device Package Library Sheet 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 C1 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C2 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C3 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C4 10u CPOL-USE2.5-7 E2,5-7 rcl 1 C5 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C6 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C8 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 D1 1N4148 1N4148 DO35-10 diode 1 IC1 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40 DIL40 microchip 1 IC2 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40 DIL40 microchip 1 LED1 LED5MM LED5MM led 1 MOTORX PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 MOTORY PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 MOTORZ PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 Q1 XTAL/S QS special 1 Q2 XTAL/S QS special 1 R1 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R2 27R R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R3 27R R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R4 330 R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 RELE PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 S1 10-XX B3F-10XX switch-omron 1 SENSORX1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORX2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORY1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORY2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORZ1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORZ2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 X1 USB PN61729 PN61729 con-berg 1

Os elementos principais desta placa são os microcontroladores, responsáveis pela in-

terface 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 decidi-

do que será utilizado no projeto dois microcontroladores PIC18F4550 da fabricante Micro-

chip. 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 auxi-

liam 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 STMicroe-

lectronics, 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


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 cor-

rente 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 Value Device Package Library Sheet 5V 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 24V 24V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 C1 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C2 100nF C2,5-3 C2.5-3 capacitor-wima 1 C3 470uF CPOL-EUE5-10.5 E5-10,5 resistor 1 C4 3n3F C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 COILS COILS PINHD-1X4 1X04 pinhead 1 CONTROL PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 D1 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D2 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D3 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D4 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D5 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D6 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D7 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D8 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 IC1 L297 L297 DIL20 st-microelectronics 1 IC2 L298 L298 MULTIWATT-15 st-microelectronics 1 R1 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R2 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R3 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R4 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R5 5k6 R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R6 1k R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R7 22k R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 SYNC PINHD-1X1 1X01 pinhead 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 con-

trole de motores bipolares.

Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297

Fonte: STMicroelectronics, 2001

Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante


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 aciona-

mentos 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


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 combina-

cional 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, se-

lecionado pelo nível alto (um) na entrada HALF/FULL.

Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step


Os modos de passo completo, full-step, são ambos obtidos saltando alternadamente es-

tados na sequência de oito passos. O que acontece é que o clock de passo salta o primeiro es-

tado 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


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


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, evitan-

do 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


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, impres-

soras, plotters, máquinas de controle numérico, unidades de disquete, máquinas de costura,

caixas registradoras eletrônicas, máquinas de telefax, equipamento fotográfico, válvulas elé-

tricas 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 a-

cionar 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 possí-

vel é de 45V.

Figura 44 - Disposição dos pinos do L298


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 ul-

trapasse o valor projetado pelo desenvolvedor. A Figura 45 apresenta o diagrama interno do

L298.

Figura 45 - Diagrama interno do L298


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 re-

ceptor. A Figura 46 apresenta o esquema elétrico da Placa Sensor.

Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor


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 coman-

dos para que o eixo se desloque naquele sentido.

Optou-se por utilizar a barreira infravermelha por apresentar melhor precisão de esta-

do, 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 mes-

mos.

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 con-

duzir, 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 Value Device Package Library Sheet 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 PIC-IO PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 R1 220R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R2 1k5 R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 TIL32 LED3MM LED3MM led 1 TIL78 BPX81 BPX81 BPX81 opto-trans-siemens 1

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 enro-

lado em volta de um núcleo ferromagnético e uma armadura com contatos metálicos. Ao ali-

mentar 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


No trabalho desenvolvido o relé tem a função de fechar e abrir um contado elétrico pa-

ra 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 24V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 110V 110Vac AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 D1 1N4148 1N4148DO35-10 DO35-10 diode 1 K1 RELÉ 24V JS-M1F-12V-5 JS-M relay 1 LED1 LED5MM LED5MM led 1 PIC-IO PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 R1 2k2 R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R2 1k R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 RETIFICA AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 T1 BD139 BD139 TO126 transistor 1

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


4.3.6 Placa Reguladora de tensão

Na subseção anterior foram apresentadas as características da fonte de alimentação uti-

lizada 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 pla-

cas 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 apli-

cados 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 dissipa-

dor 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


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 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 24V 24V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 C1 1000uF CPOL-USE5-13 E5-13 rcl 1 C2 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C3 470pF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C4 100uF CPOL-USE3.5-8 E3,5-8 rcl 1 C5 100uF CPOL-USE3.5-8 E3,5-8 rcl 1 C6 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C7 470pF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C8 100uF CPOL-USE3.5-8 E3,5-8 rcl 1 D1 1N4148 1N4148DO35-7 DO35-7 diode 1 D2 1N4148 1N4148DO35-7 DO35-7 diode 1 IC1 7812TV 7812TV TO220V linear 1 IC2 7805TV 7805TV TO220V linear 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 módu-

los para o controle do eixo Y e a Figura 52 os módulos para o controle do eixo Z.

Figura 50 - Interligação módulos eixo X


66

Figura 51 - Interligação módulos eixo Y


Figura 52 - Interligação módulos eixo Z


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 comuni-

car 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 ele-

trônicas 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


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


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


• 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


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?

Fecha arquivo

original

Retorna

Sim

Lê próxima linha

do arquivo original

Não

Dados

coordenada

de X ou Y?

Dados

coordenada

de X?

Sim

Gerar

imagem

de X?

Calcular

coordenada X

Sim

Sim

Memorizar valor

da coordenada X

Dados

coordenada

de Y?

Gerar

imagem

de Y?

Calcular

coordenada Y

Memorizar valor

da coordenada X

Não

Sim

Sim

Monta

coordenada no

novo formato

Não

Escreve no

arquivo de

conversão

Não

Não

Tratar dados

coordenada X

Não

Tratar dados

coordenada X


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 coman-

dos do protocolo utilizados no software possuem o mesmo significado para o firmware.

72

Tabela 11 - Protocolo de comunicação

Código Descrição A Configura sinais Eixo X (enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). B Configura sinais Eixo X (enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). C Configura sinais Eixo X (enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). D Configura sinais Eixo X (enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). E Configura sinais Eixo X (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). F Configura sinais Eixo X (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). G Configura sinais Eixo Y (enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). H Configura sinais Eixo Y (enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). I Configura sinais Eixo Y (enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). J Configura sinais Eixo Y (enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). K Configura sinais Eixo Y (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). L Configura sinais Eixo Y (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). M Configura sinais Eixo Z (enable = 1, cw = 0, hf = 1, reset = 1). N Configura sinais Eixo Z (enable = 1, cw = 1, hf = 1, reset = 1). O Configura sinais Eixo Z (enable = 1, cw = 0, hf = 0, reset = 1). P Configura sinais Eixo Z (enable = 1, cw = 1, hf = 0, reset = 1). Q Configura sinais Eixo Z (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 1). R Configura sinais Eixo Z (enable = 0, cw = x, hf = x, reset = 0-1). S Liga a Retífica T Desliga a Retífica

Xxxxx Informa a quantidade de passos o motor X deve girar, onde “xxxx” representa um valor entre 0 e 9999.

Yxxxx Informa a quantidade de passos o motor Y deve girar, onde “xxxx” representa um valor entre 0 e 9999.

Zxxxx 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.

4.5 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 re-

ceber 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 refe-

rentes às placas sensores e interrupções de temporizadores do microcontrolador, caso estas

interrupções fossem implementadas no mesmo microcontrolador responsável pela comunica-

ção USB à conexão entre o computador e o equipamento será perdida como constatado atra-

vés 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 interrup-

ções 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 co-

municação serial presente no PIC18F4550 realizar a troca de informações com outro micro-

controlador que está interligado aos outros módulos eletrônicos, enviando os sinais para acio-

namento 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 - FT-

DI. Este serve para converter dados USB para Serial. Sendo assim, seria preciso utilizar ape-

nas 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


4.5.3 PIC.CPU

O PIC.CPU é o microcontrolador responsável pela comunicação com os outros módu-

los eletrônicos do projeto. Este troca informações com o PIC.USB através do módulo de co-

municação 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


4.5.4 Biblioteca de funções

O compilador utilizado possui várias bibliotecas de funções extras que tornam transpa-

rente 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 comuni-

cação CDC. Sendo assim o dispositivo é reconhecido como uma interface de transmissão a-

través 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 a comunicação;

• usb_detach(): 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 refe-

rem-se ao descritor de dispositivo, descritor de configuração, descritor de interface de confi-

guração, 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 microcontrola-

dor 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 fre-

quência de entrada fornecida pelo cristal de 20 MHz é dividido por 5, gerando assim uma fre-

quência 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 CPU-

DIV1 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 vír-

gula.

• 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


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 comuni-

car-se com o equipamento.

Figura 62 - Novo driver instalado


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 ei-

xos.

4.6.1 Resolução de deslocamento

Os cálculos para a determinação da resolução de deslocamento dos eixos do equipa-

mento em condições ideais, ou seja, não são considerados os erros dos elementos. Primeira-

mente são definidas as características dos elementos para os cálculos:

• Fusos compostos por barras roscadas padrão M14-MA: mmS f 2=∆ ;

• Motores com resolução de passo completo: mm φϕ /8,1 °=∆ ;

Onde,

• ϕ∆ : 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 mm φϕ /8,1 °=∆ , logo mf φϕ /8,1 °=∆ . 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:

Equação 4.6.1.1

Atribuindo os valores as respectivas variáveis encontra-se que a cada passo do motor o

deslocamento linear do eixo

será de 0,01 mm.

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 seg-

mento 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 ei-

xos 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 pas-

sos 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 cir-

cuito.

Figura 63 - Exemplo de um traçado de reta que compõe um circuito

f

mf

t

SS

φ

ϕ∆×∆=∆

mt mmmm

S φ/01,0360

8,12=

°°×

=∆

81

Fonte: Própria do autor.

• Cálculo do comprimento total ( rd ) da reta r;

Equação 4.6.2.1

• Cálculo do coeficiente de inclinação (m) da reta r;

Equação 4.6.2.2

• Decomposição da reta r em relação aos eixos do plano cartesiano x e y;

Equação 4.6.2.3

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 yx tt = , isolando os termos e igualando as equações temos que:

Equação 4.6.2.6

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 xv temos que:

Equação 4.6.2.7

22 xyd r ∆+∆=

tvd ×=

y

y

x

x

v

d

v

d=

°°×

×=θθ

cos

senv

d

dv x

y

x

ym

∆∆

=°= θtan

°×= θcosrx dd

°×= θsendd ry

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 microcontrola-

dor possuam uma frequência de sinal correspondente a esta relação.

Antes de prosseguir com os cálculos será feita uma breve abordagem sobre os tempo-

rizadores 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 deno-

minado overflow e o contador do temporizador é decrementado. O PIC18F4550 possui inter-

namente 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 a-

cionamento 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 se-

gundo 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 xv e yv com respectivas frequências de

estouro dos temporizadores. Sabe-se que:

Equação 4.6.2.8

Tf

1=

83

Onde, f (frequência) é dado em Hz e o T (período) é dado em segundos, logo, é pos-

sível estabelecer uma relação com a Equação 4.6.2.5. Isolando os termos T a t e igualando as

equações, chega-se a:

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:

Equação 4.6.2.10

Como se sabe, o deslocamento linear dos eixos é de mmm φ/01,0 (Equação 4.6.1.2),

valor atribuído a variável d e que o valor de xf é igual a 1460 Hz, então, substituindo os valo-

res e simplificando a Equação 4.6.2.10 temos que:

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.

fdv ×=

xd

yfdf x

y ∆×∆××

=

x

yf y ∆

∆×=

1460

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 ferra-

mentas 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 varia-

ção 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 Quantidade Custo Unidade Custo Total Chapa Polipropileno 20 x 300 x 500 (mm)

1 R$ 100,00 R$ 100,00

Chapa Polipropileno 10 x 300 x 500 (mm)

1 R$ 55,00 R$ 55,00

Perfil quadrado Me-talon 14 x 50 x 50 (mm) por metro

3 R$ 13,35 R$ 40,05

Eixo Retificado Li-near 16 mm por me-

tro 3 R$ 36,00 R$ 108,00

Barra Roscada M14 por metro

2 R$ 30,00 R$ 60,00

Kit C/8 Rolamentos Abec 9- 608-zz

1 R$ 11,00 R$ 11,00

Tarugo Bronze TM23 RED 22,22 x 500 (mm) por metro

0,5 R$ 100,82 R$ 50,41

Mini Fresa Ponta Dupla Carboneto 30º

0,1 mm 2 R$ 18,98 R$ 37,96

Total R$462,42

5.2 Sistema eletromecânico

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

85

Tabela 13 - Lista dos elementos do sistema eletromecânico

Material Quantidade Custo Unidade Custo Total Micro Retifica 135W

c/ 10 Acessórios 100V

1 R$ 89,90 R$ 89,90

Motor de Passo Uni-polar/Bipolar As-

trosyn 23KM-C051-07V

3 R$ 29,00 R$ 87,00

Total R$176,90

5.3 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 Quantidade Custo Unidade Custo Total BORNE KRE 2 pon-

tos 1 R$ 0,70 R$ 0,70

PIC18F4550-I/P 2 R$ 23,00 R$ 46,00 Capacitor multica-mada 470nF 50v

1 R$ 0,05 R$ 0,05

Cristal 20,000 MHz HC-49S

2 R$ 0,50 R$ 1,00

Conector USB B1 DIP 90º

1 R$ 2,00 R$ 2,00

Capacitor de Disco 50V 22pF

4 R$ 0,10 R$ 0,40

Capacitor de Disco 50V 100nF

2 R$ 0,10 R$ 0,20

LED DIFUSO 5mm 1 R$ 0,15 R$ 0,15 Capacitor ELCO

50V 10uF 2 R$ 0,05 R$ 0,05

Diodo 1N4148 1 R$ 0,05 R$ 0,05 Resistor CR25 27

Ohms 2 R$ 0,05 R$ 0,10

Resistor CR25 1,0 KOhms

2 R$ 0,05 R$ 0,10

Resistor CR25 330 Ohms

1 R$ 0,05 R$ 0,5

Soquete Torneado 40 Pinos

2 R$ 2,00 R$ 4,00

Chave Táctil 6x6x5mm

1 R$ 0,10 R$ 0,10

Total R$55,40

86

Tabela 15 - Lista dos elementos Placa Driver


tos 2 R$ 0,70 R$ 1,40

Dual Full Bridge Driver L298

1 R$ 8,40 R$ 8,40

Driver para motor de passos L297

1 R$ 10,00 R$ 10,00

Diodo Retificador Ultra Rápido

UF4007 8 R$ 0,15 R$ 1,20

Resistor PR01 1 Ohms

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

Capacitor 470uF x 50V

1 R$ 0,50 R$ 0,50


2 R$ 0,10 R$ 0,20

Capacitor de Disco 50V 3,3nF

1 R$ 0,10 R$ 0,10

Soquete Torneado 20 Pinos SLIN

1 R$ 1,00 R$ 1,00

DISSIPADOR CPP702 / 30mm

NATURAL 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


tos 2 R$ 0,70 R$ 1,40

Regulador de tensão Positiva 1A 7805

1 R$ 1,00 R$ 1,00

Regulador de tensão Positiva 1A 7812

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


2 R$ 0,10 R$ 0,20

Capacitor de Disco 50V 470pF

2 R$ 0,10 R$ 0,20

DISSIPADOR CPP812 / 20mm

NATURAL 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 Quantidade Custo Unidade Custo Total Fototransistor 3mm

TIL78 1 R$ 0,30 R$ 0,30

Fotodiodo TIL32 3mm - Emissor

1 R$ 0,30 R$ 0,30


1 R$ 0,05 R$ 0,05

Resistor CR25 220 Ohms

1 R$ 0,05 R$ 0,05

BORNE KRE 2 pon-tos

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 Quantidade Custo Unidade Custo Total RELE 24V-10A H-

JR-3FF-SZB 1 R$ 1,50 R$ 1,50

Diodo 1N4148 1 R$ 0,05 R$ 0,05 Resistor CR25 1,0

KOhms 2 R$ 0,05 R$ 0,10

Transistor BD139

1 R$ 0,50 R$ 0,50

BORNE KRE 2 pon-tos

3 R$ 0,70 R$ 2,10

LED DIFUSO 5mm 1 R$ 0,15 R$ 0,15 Total R$4,40

Tabela 19 - Outros elementos

Material Quantidade Custo Unidade Custo Total Fonte 2414 24V

14,6A METÁLICA I 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 2013

ATIVIDADES 09

10

11

12

01

02

03

04

05

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

7 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 proble-

mas, 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 fu-

ros, 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 con-

seguem girar devido o eixo estar travado.

89

Figura 64 - Empeno dos Carros


A Figura 65 apresenta o resultado construção da estrutura mecânica, os erros apresen-

tados por elas não são visíveis a olho nu.

Figura 65 - Estrutura mecânica desenvolvida


Para o desenvolvimento das interfaces eletrônicas utilizadas no projeto, necessitou-se

de um grande embasamento teórico sobre a funcionalidade de cada circuito, como foi apre-

sentado 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 Fi-

gura 70, aprestam a vista do lado dos componentes dos protótipos.

Figura 66 - Protótipo placa controladora


Figura 67 - Protótipo placa reguladora


91

Figura 68 - Protótipo placa driver


Figura 69 - Protótipo placa relé


Figura 70 - Protótipo placa sensor


92

Como foi dito anteriormente, testes finais envolvendo a estrutura mecânica não pude-

ram 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 co-

ordenadas 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 conheci-

mento amplo sobre geometria analítica e matemática computacional, o desenho na i-

magem 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.


• 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 comu-

nicação 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 multi-

disciplinar, 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

REFERÊNCIAS

BARDELLI, Rubens. Bard HP. 2012. Disponível em <http://www.vabsco.com/bardhp> A-cesso em 02 de fev. 2013. BROCKS. Micro retífica 135w., 2013. Disponível em: <http://www.brocksferramentas.com.br/>. Acesso em: 20 fev. 2013. CRISTO, E. F. Implementação de técnicas de controle de motor de passo em aplicações CNC, 2009, 92 f. Dissertação (Mestre em Engenharia de Produção) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2009. CUNHA, H. Tipos e especificações de motores de passo. Revista Controle e Instrumentação, p 24-32. Dezembro de 1983. DESKTOP BOARDS, Troubleshooting Computer Accessory Issues. 2013. Disponível em: <http://www.intel.com/support/motherboards/desktop/sb/CS-023466.htm>. Acesso em 25 fev. 2013. EXCITECH. Cnc Router. , 2012. Disponível em: <http://www.excitechcnc.com/>. Acesso em: 02 fev. 2013. FILHO, L. B. P. Projeto de controle numérico para uma mesa de coordenadas, 2008, 34 f. Trabalho de conclusão de curso (Engenharia de Controle e Automação), Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2008. GLOBETECK INDUSTRIAL PARTS. Nema 23km-c051-07v. , 2013. Disponível em: <http://www.globeteck.com.br/>. Acesso em: 20 fev. 2013. HENRY DAN FALK, W. S. R. The Enhanced Machine Control - Developer Handbook. New York: [s.n.], 2003. HOPKINS, T. Stepper motor driving. Application Note AN235, STMicroelectronics. 2012. Disponível em: < http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00003774.pdf?s_searchtype=keyword>. Acesso em: 20 fev 2013. ICHK. Iec Desktop CNC Router. , 2012. Disponível em: <http://iehk.net/>. Acesso em: 02 fev. 2013. LABORATÓRIO DE GARAGEM. Tutorial motor de passo: Introdução, Tipos, Modos de Acionamento. , 2012. Disponível em: <http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-sobre-motor-de-passo>. Acesso em: 20 fev. 2013. LIBUSB., 2012. Disponível em: <http://www.libusb.org/>. Acesso em: 02 fev. 2013. LPKF LASER & ELECTRONICS AG. Lpkf., 2012. Disponível em: <http://www.lpkf.es/>. Acesso em: 02 fev. 2013.

95

KENJO, T. Stepping motors and their microprocessor controls. 1.ed. Oxford University Press, 1986. KUO, B. C. Theory and applications of step motors. 5.ed. Urbana, Illinois, West Publishing company, 1974. MICROCHIP TECHNOLOGY INC.. Pic18f2455/2550/4455/4550 data sheet: 28/40/44-Pin, High-Performance, Enhanced Flash, USB Microcontrollers with nanoWatt Technology. Estados Unidos, 2009. 436 p. Disponível em: <http://www.microchip.com>. Acesso em: 02 fev. 2013. MICROCHIP TECHNOLOGY INC.. Products, 2013. Disponível em: < http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=69>. Acesso em: 02 jan. 2013. MICROSOFT. Winusb. , 2012. Disponível em: <http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/hardware/ff540196(v=vs.85).aspx>. Acesso em: 02 fev. 2013. OÑATIVIA, Geronimo. Jpicusb. , 2009. Disponível em: <http://httphttp://sourceforge.net/projects/jpicusb/>. Acesso em: 02 fev. 2013. PEREREIRA, F. Microcontroladores PIC programação em C. São Paulo: Érica, 2010. PREDKO, M. Handbook of microcontrollers. USA: McGraw Hill, 1998. SABER ELETRÔNICA. Pic32 - microcontroladores de 32 bits da microchip. , 2008. Dispo-nível em: <http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/504>. Acesso em: 20 dez. 2012. SANTOS, Aldeci Vieira dos, BEZERRA, Alexandre Araújo, MACHADO, Álisson Rocha, HELLENO, André Luíz, NETTO, Antonio Borges, LANDI, Domenico Carmino, OLIVEI-RA, Fernando Garcia de, MARCONDES, Francisco Carlos, CAVICHIOLLI, Francisco de Assis, TANIO, Franco Hiroyoshi, SCHULZ, Herbert, GOMES, Jefferson de Oliveira, GA-MARRA, José Roberto, SCHÜTZER, Klaus, SILVA, Marcio Bacci da, ORNAGHI, Marco Antônio, ICE, Marcos Soto, COELHO, Reginaldo Teixeira, VALLEJOS, Rolando Vargas, BAUCO, Silvio Antonio, “Usinagem em altíssimas velocidades”, 2ª edição, Editora Érica Ltda., 2003. SEIDLE, N. Lecture 8 - Eagle: Schematics. Sparkfun, 2010. SILVA, Sidnei Domingues da - "CNC: Programação de comandos numéricos computadoriza-dos: torneamento" 4a edição - Editora Érica Ltda., 2005. SOUZA, M. A. A. Implementação de sistema controlador de motor de passo em malha fecha-da utilizando tecnologia baseada em controlador digital de sinais. São Carlos: 2007. STEPPER MOTOR BASICS. Industrial Circuits Application Note, 2012. Disponível em: <http://www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2013. STMicroelectronics. L297: STEPPER MOTOR CONTROLLERS. Itália, 2001. 11 p. Dispo-nível em: <http://www.st.com>. Acesso em: 02 dez. 2012.

96

STMicroelectronics. L298: DUAL FULL-BRIDGE DRIVER. Itália, 2000. 13 p. Disponível em: <http://www.st.com>. Acesso em: 02 dez. 2012. STOETERAU, R. L. Comportamento Estático e Dinâmico de Mancais Aerostáticos Cilíndri-cos para Guias Lineares. Florianópolis: UFSC, 1992. Dissertação. STOETERAU, R. L. Introdução ao Projeto de Máquinas-Ferramenta Modernas, Notas de aula, UFSC, 2004. TECNOLOGIA ELETROMECÂNICA. Apostila 1600.231.01 BR. Parker Automation. Outu-bro de 2006. TRENTO, A. PILATO, F. P. R. Fresadora microcontrolada para placas de circuito impresso, 2010, 72 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universi-dade Federal do Paraná, Curitiba, 2010. TUTORIAL SOBRE MOTORES PASSO A PASSO. Ilustração Sequência de fases. Disponí-vel em: < http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-tutorial.htm >. Acesso em: 20 fev. 2013. UCAMCO. The Gerber file format: Specification. Bélgica, 2013. 107 p. (L2). Disponível em: <http://www.ucamco.com/>. Acesso em: 20 mai. 2013. USB - Universal Serial Bus. 2007. Disponível em: <http://www.gta.ufrj.br/grad/07_1/wusb/TopologiadoUSB.html>. Acesso em: 25 fev. 2013. USB.ORG. Universal Serial Bus: Class Definitions for Communication Devices. Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 1999. 110 p. (Version 1.1). USB.ORG. Universal Serial Bus: Specification. Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 2000. 642 p. (Version 2.0).

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

APÊNDICE L. Layer para confecção da Placa Controladora

APÊNDICE M. Máscara da Placa

para confecção da Placa Controladora

Máscara da Placa Controladora

104

APÊNDICE N. Layer Bottom

APÊNDICE O. Layer Top

Bottom para confecção da Placa Driver

Top para confecção da Placa Driver

105

APÊNDICE P. Máscara da Placa

APÊNDICE Q. Layer para confecção da Placa Sensor

APÊNDICE R. Máscara da Placa Sensor

Máscara da Placa Driver

para confecção da Placa Sensor

Máscara da Placa Sensor

106

APÊNDICE S. Layer para confecção da Placa Relé

APÊNDICE T. Máscara da Placa Relé

APÊNDICE U. Layer para confecção da Placa Reguladora

para confecção da Placa Relé

Máscara da Placa Relé

para confecção da Placa Reguladora

107

APÊNDICE V. Máscara da Placa ReguladoraMáscara da Placa Reguladora

108