PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MESA DE COORDENADAS XY DE BAIXO

CUSTO PARA CORTE E SOLDA

RODRIGO DA SILVA ALVES RODRIGUES1, HELDER BARBIERI LACERDA2

RESUMO

O objetivo deste trabalho é projetar e construir uma mesa de coordenadas XY

computadorizada de baixo custo, para corte e solda de chapas metálicas. Os componentes que

fazem parte da mesa foram projetados e escolhidos visando a facilidade de aquisição,

qualidade, simplicidade, rapidez na fabricação e baixo custo. O acionamento dos eixos de

movimento linear da mesa de coordenadas é realizado por motores de passo, que são

dispositivos eletromecânicos que transformam pulsos elétricos em movimentos angulares

discretos posteriormente convertidos em deslocamentos lineares através de polias e correias

dentadas. Após a construção do protótipo da mesa de coordenadas foram realizados ensaios

geométricos de paralelismo e perpendicularidade de acordo com a norma NBR NM-ISO 230-

1 (ABNT, 1999). O objetivo é obter os erros de paralelismo e perpendicularidade dos

movimentos, ajudando a identificar pontos de melhoria no projeto da mesa XY em conjunto

com técnicas da Qualidade Total, como “Brainstorming”, 5W1H e PDCA (Planejamento,

Execução, Verificação e Atuação Corretiva), de modo a gerenciar os experimentos, promover

as alterações necessárias e melhorar o desempenho do equipamento.

Palavras-chave: mesa de coordenadas, automação de processos, corte e solda.

1 Graduando, Faculdade de Engenharia Mecânica, UFU, Av. João Naves de Ávila, 2121 – Bloco 1M, Uberlândia, 38400-902, rodrigues_eng@yahoo.com.br 2 Orientador, Faculdade de Engenharia Mecânica, UFU, Av. João Naves de Ávila, 2121 – Bloco 1M, Uberlândia

2

DESIGN AND FABRICATION OF A LOW COST XY TABLE FOR CUTTING AND

WELDING

ABSTRACT

The objective of this work is the design and construction of a low cost computerised XY

table, for cutting and welding of metal sheets. The table components were selected in order to

have good quality, simplicity, facility in the fabrication or acquisition of components and low

cost. The XY table have a computerised controller and is powered by step motors, which are

electrical devices capable of transform a sequence of pulses in discrete angular motions,

which are converted in linear motions through pulleys and belts. After the construction of the

prototype, geometrical tests were conducted in order to assess the performance of the

equipment, accordingly with the NBR NM-ISO 230-1 standard (ABNT, 1999). The objective

is to get the parallel and perpendicular motion errors to help in the identification of points

where the design of the XY table must be improved. To do this, total quality techniques, like

brainstorming, 5W1H and the PDCA (Plan, Do, Check, Action) were used to manage the

experiments and to promote the corrective actions (Werkema, 1995) in order to improve the

performance of the equipment.

Key-words: XY table, automation, cutting; welding.

1. INTRODUÇÃO

No processo de corte e solda de

chapas metálicas a geração de geometrias

complexas, compostas por segmentos de

retas, arcos, círculos ou linhas de forma

irregular, é possível através da utilização de

equipamentos com comando numérico.

Porém, os altos custos para aquisição de

3

tais sistemas inviabilizam a sua aplicação,

principalmente por indústrias de pequeno e

médio porte. O equipamento desenvolvido

pela Faculdade de Engenharia Mecânica da

Universidade Federal de Uberlândia em

parceria com o SENAI - Uberaba alia custo

baixo com tecnologia e atende às

expectativas deste segmento de mercado. A

mesa de coordenadas computadorizada

executa ações de corte e solda dentro das

tolerâncias de exatidão exigidas, é de fácil

operação e dispensa mão-de-obra

qualificada.

Este trabalho tem por objetivo

mostrar todos os passos efetuados para a

construção da mesa de coordenadas,

iniciando com a fase de projeto, realizado

com o auxílio do software AutoCad, até a

fase final de testes e ensaios geométricos.

2. PRINCÍPIO DE

FUNCIONAMENTO

• Eletroeletrônico

A comunicação de dados entre os

equipamentos eletroeletrônicos se dá na

seguinte seqüência: do computador para os

acionadores (“drivers”) e destes, para os

motores de passo.

Computador - através de sua porta

paralela envia sinais binários, contendo

informações geométricas da trajetória

desejada do porta-ferramentas, para os

acionadores;

Acionadores - acionam os motores de

passo através de conversão dos sinais

binários em uma seqüência de pulsos

elétricos;

Motores de Passo – dispositivos eletro-

mecânicos que transformam os pulsos

elétricos em movimentos angulares

discretos nas polias, que promovem o

movimento linear no sentido X e Y,

resultando no deslocamento do porta-

ferramenta conforme a trajetória desejada.

• Mecânico

O funcionamento mecânico é

baseado na transmissão de movimentos:

Na direção X - o movimento rotativo do

motor de passo gira duas polias que através

4

de correias dentadas produzem o

deslocamento do carro longitudinal (eixo-

X) sobre duas guias prismáticas.

Na direção Y – o eixo-X transporta o eixo-

Y, que possui um funcionamento

semelhante ao do eixo X, deslocando o

porta-ferramenta. A combinação dos

movimentos produz a trajetória desejada.

A Figura 1 ilustra esquematicamente

uma mesa de coordenadas XYZ comandada

por computador.

3. PROJETO DA MESA DE

COORDENADAS

3.1 Escolha dos componentes

Todos os componentes foram

escolhidos e/ou projetados para que

pudessem garantir:

Qualidade – equipamentos eletrônicos

confiáveis e robustos e componentes

mecânicos rígidos;

Facilidade de Fabricação – A estrutura

da mesa e alguns componentes foram

projetados de maneira simples, visando

a facilidade na fabricação do protótipo;

Fácil Aquisição – Foram escolhidos

componentes facilmente encontráveis

no mercado, facilitando aquisição e

reposição de peças;

Baixo Custo – Ponto importante do

projeto, feito para que a pequena

indústria possa construir a estrutura e

várias outras partes do equipamento,

reduzindo o seu custo.

3.2 Desenho da mesa XY

Figura 1 – Princípio de Funcionamento de uma Mesa de Coordenadas.

5

Toda parte estrutural e de

transmissão da mesa de coordenadas foi

projetada e desenhada usando um programa

CAD. A estrutura é de perfis laminados de

aço de seção quadrada com 50 mm de lado,

e está mostrada na Figura 2.

As Figuras 3 e 4 mostram o desenho

em 3D dos equipamentos de acionamento,

bem como sua disposição na mesa de

coordenadas.

Figura 2 – Estrutura e eixos de movimento

Figura 3 -Mancais de Apoio

Figura 4 - Motores, correias e polias

3.3 Fabricação da Mesa de Coordenadas

A estrutura da mesa de coordenadas

XY foi construída no Laboratório de

Soldagem da Faculdade de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal de

Uberlândia e a montagem dos componentes

elétricos e eletrônicos foi feita nas oficinas

do SENAI-Uberaba. Para a execução desta

fase de projeto foram utilizados os

desenhos de conjunto e de detalhe da mesa

de coordenadas. A Figura 5 mostra uma

fotografia da mesa de coordenadas, durante

a realização de testes e ensaios geométricos,

que foram realizados para melhorar o

projeto. Algumas técnicas da Qualidade

Total, como “Brainstorming”, “5W1H” e

PDCA foram utilizadas para propiciar um

caminho metódico para a identificação dos

MANCAIS

MOTOR

MOTOR

POLIA

CORREIA

6

Figura 5 – Mesa XY na fase de testes

problemas do equipamento, buscar as suas

causas e chegar a várias propostas de

aperfeiçoamento, sendo que algumas são

citadas:

• Proteção das guias e correias, com o uso

de chapas dobradas, para ambos os

eixos;

• Eliminação de ruídos e interferência

entre os equipamentos eletrônicos;

• Construção de uma caixa metálica para

colocação dos componentes eletro-

eletrônicos;

• Dispositivos de ajuste para as guias

lineares, por meio de parafusos de rosca

fina;

A Figura 6 mostra alguns detalhes

da mesa de coordenadas.

a) motor , mancal e eixo

b) microcomputador e painel

c) parte elétrica

Figura 6 – Detalhes do equipamento

7

4. ENSAIOS GEOMÉTRICOS

Os ensaios geométricos da mesa de

coordenadas foram realizados de acordo

com a norma NBR NM-ISO 230-1 (ABNT,

1999), que trata da exatidão geométrica de

máquinas-ferramenta operando sem carga

ou em condições de acabamento. O objetivo

é obter os erros de paralelismo e

perpendicularidade dos movimentos para

ajudar a identificar os pontos de melhoria

no projeto da mesa XY, em conjunto com

técnicas citadas.

A técnica do PDCA (Werkema,

1995) foi aplicada para gerenciar os

experimentos, com o objetivo de

estabelecer uma metodologia padrão para

obter dados, identificar em que pontos o

projeto da mesa XY pode ser melhorado,

atuar e verificar os ganhos obtidos. A

Figura 7 mostra o esquema do ciclo PDCA.

Os equipamentos utilizados para a

realização dos ensaios geométricos foram:

• Relógios comparadores com faixa de

medição de 10mm e resolução de 0,01

mm;

Figura 7 - Ciclo PDCA

• Uma régua de ensaios de 1000 mm de

comprimento;

• Bases de fixação magnéticas;

• Tablados de madeira, para apoio dos

equipamentos de medição;

4.1 Resultados

Em cada ensaio foram efetuados

cinco ciclos de medição, totalizando dez

leituras em cada ponto, com espaçamento

de 50 mm. As Tabelas 1 e 2 mostram os

erros de paralelismo de movimento na

direção X antes e depois das melhorias

sugeridas, como a aplicação do ciclo

PDCA. Por motivo de espaço são

mostrados apenas os valores obtidos dos 7

primeiros pontos, de cada ensaio, para um

total de 20 pontos. As Tabelas 3 e 4

8

mostram os desvios de perpendicularidade

de movimento, determinados antes e depois

da aplicação do ciclo PDCA. As Figuras 8 e

9 mostram graficamente os resultados

destes ensaios.

Tabela 1 – Ensaio de Paralelismo direção X, antes do PDCA. Valores em mm.

Ponto Posição d. padrão sentido +

d. padrão sentido -

erro médio sentido +

erro médio sentido -

Erro Sistemático

Histerese Erro Aleatório

1 0 0,00 0,03 0,00 0,03 0,00 0,00 0,06 2 50 1,38 0,02 0,36 0,01 0,87 -1,02 0,03 3 100 1,81 0,02 0,67 0,02 1,24 -1,14 0,04 4 150 1,81 0,03 0,63 0,02 1,22 -1,18 0,05 5 200 1,18 0,04 0,21 0,01 0,69 -0,97 0,05 6 250 0,76 0,01 0,00 0,03 0,38 -0,75 0,04 7 300 0,67 0,01 -0,08 0,02 0,30 -0,75 0,03

Médias 1,09 0,02 0,26 0,02 0,67 -0,83 0,04

Tabela 2 – Ensaio de Paralelismo direção X, após PDCA. Valores em mm.

Ponto Posição d. padrão sentido +

d. padrão sentido -

erro médio sentido +

erro médio sentido -

Erro Sistemático

Histerese Erro Aleatório

1 0 0,03 0,02 0,04 0,00 0,04 0,01 0,02 2 50 -0,07 0,01 -0,11 0,00 -0,09 -0,04 0,02 3 100 0,02 0,01 -0,07 0,00 -0,03 -0,09 0,01 4 150 -0,05 0,01 -0,11 0,01 -0,08 -0,07 0,01 5 200 -0,13 0,01 -0,22 0,00 -0,17 -0,09 0,01 6 250 -0,29 0,01 -0,31 0,01 -0,30 -0,01 0,02 7 300 -0,35 0,01 -0,4 0,00 -0,38 -0,05 0,01

Médias -0,12 0,01 -0,17 0,01 -0,14 -0,05 0,01

-1 ,5 0

-1 ,0 0

-0 ,5 0

0 ,0 0

0 ,5 0

1 ,0 0

1 ,5 0

2 ,0 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0

P o s iç ã o n o E ix o X [m m ]

Des

vio

[mm

]

E rro S is t e m á t ic oE rro +E rro -P D C A - E rro S is t e m á t ic oP D C A - E rro +P D C A - E rro -

Figura 8 - Erros de paralelismo entre eixos

9

Tabela 3 – Ensaio de Perpendicularidade, antes do PDCA. Valores em mm.

Ponto Posição d. padrão sentido +

d. padrão sentido -

erro médio sentido +

erro médio sentido -

Erro Sistemático

Histerese Erro Aleatório

1 0 -0,03 0,02 -0,04 0,01 -0,04 -0,01 0,02 2 50 -0,57 0,02 -0,58 0,01 -0,57 -0,02 0,02 3 100 -1,11 0,02 -1,13 0,02 -1,12 -0,02 0,04 4 150 -1,68 0,01 -1,70 0,02 -1,69 -0,02 0,03 5 200 -2,00 0,01 -2,00 0,01 -2,00 -0,01 0,02 6 250 -2,37 0,02 -2,38 0,01 -2,37 -0,01 0,03 7 300 -2,79 0,09 -2,78 0,01 -2,78 0,01 0,10

Médias -1,51 0,03 -1,52 0,01 -1,51 -0,01 0,04

Tabela 4 – Ensaio de Perpendicularidade, após PDCA. Valores em mm.

Ponto Posição d. padrão sentido +

d. padrão sentido -

erro médio sentido +

erro médio sentido -

Erro Sistemático

Histerese Erro Aleatório

1 0 0,04 0,03 0,05 0,02 0,05 0,01 0,04 2 50 -0,05 0,03 -0,04 0,02 -0,05 0,02 0,05 3 100 -0,13 0,07 -0,11 0,02 -0,12 0,01 0,09 4 150 -0,26 0,03 -0,24 0,02 -0,25 0,02 0,04 5 200 -0,26 0,03 -0,24 0,02 -0,25 0,02 0,05 6 250 -0,19 0,03 -0,17 0,02 -0,18 0,02 0,04 7 300 -0,20 0,03 -0,19 0,01 -0,20 0,02 0,04

Médias -0,15 0,03 -0,13 0,02 -0,14 0,02 0,05

y = 0 ,0014x - 0 ,3982

y = -0 ,0067x - 0 ,5336

-8,00

-7,00

-6,00

-5,00

-4,00

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

1,00

2,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Po sição n o Eixo Y [mm]

Des

vio

[mm

]

E rro S is tem ático

P DCA - E rro S is tem ático

Linear (P DCA - E rro S is tem ático)

Linear (E rro S is tem ático)

Figura 9 - Erros de perpendicularidade de movimento entre os eixos X e Y.

10

Através dos resultados

apresentados, pode-se observar que na

primeira intervenção realizada, utilizando a

metodologia definida pelo ciclo PDCA, já

houve uma significativa melhoria no

desempenho da mesa de coordenadas. O

desvio máximo de paralelismo foi reduzido

de 2 para menos de 0,5 mm. Além disso,

nota-se que a histerese do movimento foi

quase eliminada.

Quanto ao resultado do ensaio de

perpendicularidade de movimento,

mostrado na Figura 9, observou-se pelos

coeficientes angulares da reta de regressão

linear, que houve uma redução de quase

cinco vezes no desvio de ortogonalidade,

cujo valor residual (0,0014 rad) não é

significativo.

5. ESTIMATIVA DE CUSTO

O objetivo deste projeto é o

desenvolvimento de uma mesa XY

computadorizada de baixo custo. A

estrutura da mesa pode ser fabricada na

própria indústria, a parte elétrica pode ser

montada por um técnico, com a ajuda do

"Manual de Montagem e Operação", já

elaborado. Os programas computacionais

desenvolvidos na Faculdade de Engenharia

Mecânica da UFU serão disponibilizados

gratuitamente para as indústrias

interessadas. O maior custo do projeto é o

programa CAD e se a empresa já dispuser

do programa, o custo total cai para

aproximadamente R$10.000,00. Uma mesa

XY CNC para corte e solda, capaz de

funcionar a partir de um desenho feito em

um programa CAD, como o protótipo

descrito neste artigo, foi cotada a R$

70.000,00 durante a FEIMAFE 2001 (Feira

Internacional de Máquinas Ferramenta,

realizada em julho de 2001, em São

Paulo).

6. CONCLUSÃO

Para uma pequena e média indústria

metalúrgica, a aquisição de uma mesa XY

computadorizada para corte e solda, muito

11

contribui para aumentar a competitividade,

pela redução do tempo de fabricação e

padronização das peças fabricadas. O

problema é o alto custo de aquisição deste

tipo de equipamento. O protótipo

desenvolvido é fácil de operar, confiável e

tem um custo muito inferior ao de

equipamentos comerciais, como foi

mostrado no item anterior. Os ensaios

geométricos preliminares mostraram que a

mesa XY têm exatidão suficiente para a

finalidade a que se destina. É importante

salientar que os resultados obtidos nos

ensaios geométricos podem ser

melhorados, com a realização de novos

testes.

As técnicas de Qualidade Total

foram muito úteis, pois indicaram um

procedimento metódico para o

aperfeiçoamento do projeto e a melhoria

do funcionamento do equipamento.

Obteve-se com isso, um ganho

significativo no tempo de desenvolvimento

do protótipo.

7. AGRADECIMENTOS

O primeiro autor agradece

primeiramente a Deus, por ter iluminado

seu caminho durante este projeto

científico, a instituição SENAI-Uberaba,

por ter dado auxílio necessário para a

execução deste projeto e ao CNPq/UFU

pela bolsa de iniciação científica que

possibilitou a realização deste trabalho.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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condições de acabamento, p. 1- 83. 1991.

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12

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em Fabricação) – Universidade Federal de

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partir de funções CAM integradas no

CAD. Uberlândia. Dissertação (mestrado

em Fabricação) – Universidade Federal de

Uberlândia - Faculdade de Engenharia

Mecânica, 1999.

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