UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA

WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ

MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA

2018

DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA

WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ

MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO

MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO

Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.

Orientador: Prof. M. Sc. Joel Gonçalves Pereira

CURITIBA 2018

TERMO DE APROVAÇÃO

DANIEL GREFIM RENAN TAVARES DA SILVA

WILLIAN CARLOS TEIXEIRA DA CRUZ

MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS UTILIZANDO

MICROCONTROLADOR E SISTEMA SUPERVISÓRIO

Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 29 de novembro de 2018, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli Coordenador de Curso

Departamento Acadêmico de Mecânica

______________________________ Prof. M Sc. Sérgio Moribe

Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica

BANCA EXAMINADORA

_____________________________ __________________________ Prof. Dr. Valmir de Oliveira Prof. Dr. Luís Alberto Lucas UTFPR UTFPR ___________________________

Prof. M Sc. Joel Gonçalves Pereira Orientador - UTFPR

“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”

AGRADECIMENTO(S)

Daniel Grefim: à minha esposa, Jaqueline, meu maior tesouro, que não me permitiu fracassar nem desistir. Aos professores pelo conhecimento transmitido. Aos colegas por completarem o que eu não podia fazer. Renan Tavares da Silva: à Deus por ter me fortalecido e me provido saúde a ponto de superar as dificuldades e alcançar minhas metas, hoje e sempre. Agradeço imensamente a UTFPR e a toda sua direção. Aos professores eu agradeço a orientação incansável, o empenho e a confiança que ajudaram a tornar possível esta realização, com especial atenção ao professor Anderson Levati, pela essencial orientação neste árduo trabalho. À minha família e amigos que nunca desistiram de mim, sempre me ofereceram amor e tiveram paciência e compreensão para me apoiar nos momentos em que não podia estar com eles. Agradeço aos meus colegas pela parceria e cumplicidade nas realizações desta e de outras tarefas ao longo dos anos. A todas as pessoas que de alguma forma fizeram parte do meu percurso e que por ventura eu tenha me esquecido de citar, eu agradeço de todo o meu coração. Willian Carlos Teixeira da Cruz: à minha família por me prover suporte durante diversas madrugadas em claro trabalhando neste projeto, à minha irmã e ao meu pai, por me apoiar com tudo o que eu não conseguia realizar e ao professor Anderson Levati pelas explicações e orientações sobre o conteúdo abordado nesta monografia.

RESUMO

GREFIM, Daniel; DA SILVA, Renan T.; DA CRUZ, Willian C. T. Máquina de medir por coordenadas utilizando microcontrolador e sistema supervisório. 2018. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. Uma Máquina de Medir por Coordenadas (MMC) consiste em um equipamento sofisticado destinado à medição tridimensional de peças que podem ser bastante complexas ou que exigem um elevado rigor dimensional. A implementação de uma máquina destas em um departamento de controle de qualidade permite a realização de medições com precisão e rapidez impossíveis por meios convencionais. O projeto e construção de uma MMC requer a integração de tecnologias relacionadas a programação, engenharia mecânica, eletrônica e de controle. O projeto desenvolvido resultou na construção de uma MMC com uma satisfatória capacidade de execução de medições, atuando de maneira autônoma e com resolução suficiente para diversas aplicações em metrologia. O desenvolvimento do trabalho envolveu projeto mecânico e contrução da estrutura e mecanismos, projeto eletrônico, fabricação e integração de componentes eletrônicos programação do sistema de controle e programação de um sistema supervisório para interface de operação. O sistema supervisório visa integrar o sistema de controle da MMC, realizado através de um microcontrolador, a um microcomputador, onde o sistema supervisório realiza parte do controle e monitoramento da máquina, assim como sua função principal, que consiste em apresentar os resultados das medições em execução. Esta integração exige a configuração de um protocolo de comunicação que é responsável pela tráfego de dados da máquina. Por meio deste recurso os dados coletados pela máquina podem ser exibidos de forma inteligível em um monitor de computador. O principal controle do equipamento, que diz respeito ao deslocamento do atuador, é realizado manualmente por razões de segurança. A programação do sistema de controle exige não somente a execução do mecanismo de deslocamento da máquina mas também uma lógica que monitore este deslocamento e o apresente em forma de dados ao sistema supervisório. O sistema supervisório processa estes dados e os apresenta como valores de medições na interface desenvolvida para ser mostrada no monitor do computador. Os principais objetivos do trabalho são: implementar a integração do sistema de controle com o sistema supervisório via protocolo de comunicação de rede; e propor a construção de uma máquina capaz de executar medições tridimensionais confiáveis tendo sido construída com relativo baixo custo. Os testes e demonstração dos resultados são partes integrantes do trabalho, bem como a explanação das metodologias aplicadas. Os resultados das medições realizadas após a conclusão da construção da MMC demonstraram a eficiência do equipamento produzido. Embora não tenha a mesma precisão que as MMC desenvolvidas por fabricantes especializados, a máquina mostra-se perfeitamente capaz de ser aplicada a uma grande quantidade de solicitações da indústria. Palavras chave: Máquina de Medir por Coordenadas. Microcontrolador. Modbus. Sistemas Supervisórios.

ABSTRACT

GREFIM, Daniel; DA SILVA, Renan T.; DA CRUZ, Willian C. T. Máquina de medir por coordenadas utilizando microcontrolador e sistema supervisório. 2018. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018. A Coordinate Measuring Machine (CMM) consists of sophisticated equipment for three-dimensional measurement of parts that can be quite complex or require a high standard of quality. The implementation of such a machine in a quality control department allows the realization of measurements at an accuracy and speed impossible by conventional means. The design and construction of an CMM requires the integration of technologies related to programming, mechanical engineering, electronics and control. The developed project resulted in the construction of an CMM with a satisfactory measurement execution capacity, acting autonomously and with sufficient resolution for several applications in metrology. The development of the work involved mechanical design and construction of the structure and mechanisms, electronic design, manufacturing and integration of electronic components programming of the control system and programming of a supervisory system for operation interface. The supervisory system aims to integrate the control system of the CMM, performed through a microcontroller, into a microcomputer, where the supervisory system performs part of the control and monitoring of the machine, as well as its main function, which is to present the results of the measurements in execution. This integration requires the configuration of a communication protocol that is responsible for the data traffic of the machine. Through this feature the data collected by the machine can be displayed intelligibly on a computer monitor. The main control of the equipment, which concerns the displacement of the actuator, called probe, is performed manually for safety reasons. The programming of the control system requires not only the execution of the displacement mechanism of the machine but also a logic that monitors that displacement and presents it in data form to the supervisory system. The supervisory system processes this data and displays it as measurement values on the interface developed to be displayed on the computer monitor. The main objectives of the work are: to implement the integration of the control system with the supervisory system via network communication protocol; and propose the construction of a machine capable of performing reliable three-dimensional measurements having been constructed with relatively low cost. The tests and demonstration of the results are integral parts of the work, as well as the explanation of the methodologies applied. The results of measurements taken after the completion of the CMM have demonstrated the efficiency of the equipment produced. Although not as accurate as a CMM developed by specialized manufacturers, the machine is perfectly capable of being applied to a large number of applications in the industry. Keywords: Coordinate Measuring Machine. Microcontroller. Modbus. Supervisory Systems.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Fotografia de uma Sala de Metrologia Industrial ...................................... 21 Figura 2 – Instrumentos Utilizados em Medição Dimensional ................................... 22 Figura 3 – Principais Formas Construtivas Aplicadas a uma MMC ........................... 23 Figura 4 – MMC em Ponte Formato L ....................................................................... 23 Figura 5 – Réguas Lineares Digitais ......................................................................... 26 Figura 6 – Apalpador Tátil ......................................................................................... 27 Figura 7 – Apalpador por Chave de Contato ............................................................. 28 Figura 8 – Ponteira de Apalpador de MMC ............................................................... 29 Figura 9 – Conceito Construtivo de um Motor de Passo Bipolar de 200 Passos ...... 31 Figura 10 – Motor de Passo Unipolar ........................................................................ 32 Figura 11 – Motor de Passo Bipolar .......................................................................... 32 Figura 12 – Acionamento Passo Completo ............................................................... 33 Figura 13 – Acionamento Alto Torque ....................................................................... 34 Figura 14 – Acionamento Meio Passo ....................................................................... 35 Figura 15 – Gráficos dos Comportamentos das Correntes ....................................... 36 Figura 16 – Módulo de Controle para Motor de Passo Unipolar ............................... 37 Figura 17 – Módulo de Controle para Motor de Passo Bipolar .................................. 37 Figura 18 – Placa Arduino Mega 2560 ..................................................................... 39

Figura 19 – Diagrama Esquemático do Microcontrolador AtMega 2560 .................. 41 Figura 20 – Interface da Plataforma Arduino ............................................................ 42 Figura 21 – Interface da Plataforma CodeVision AVR .............................................. 43

Figura 22 – Chave Fim de Curso de Duplo Contato .................................................. 44

Figura 23 – Pirâmide de Processos .......................................................................... 45 Figura 24 – Interface Homem-Máquina de um Sistema de Climatização Predial...... 46 Figura 25 – Modelo OSI ............................................................................................ 47

Figura 26 – Framing do Protocolo Modbus ASCII ..................................................... 49

Figura 27 – Framing do Protocolo Modbus RTU ....................................................... 49 Figura 28 – Modelo Virtual Tridimensional da Mesa Cartesiana ............................... 53 Figura 29 – Modelo Virtual Tridimensional da Mesa Cartesiana – vista traseira ....... 53 Figura 30 – Modelo Virtual da Mesa Montada ........................................................... 54 Figura 31 – Modelo Virtual do Carro Transversal ...................................................... 55

Figura 32 – Modelo Virtual do Carro Superior ........................................................... 56 Figura 33 – Modelo Virtual do Porta Ferramentas ..................................................... 56 Figura 34 – Réplica do Motor de Passo e Pinhão Acoplado ..................................... 57

Figura 35 – Estrutura da Mesa Construída ............................................................... 58 Figura 36 – Vista Lateral da Estrutura Construída .................................................... 59 Figura 37 – Detalhe do Engrenamento do Conjunto Pinhão Cremalheira ................. 59 Figura 38 – Detalhe das Guias do Porta Ferramentas do Carro Superior ................. 60 Figura 39 – Modelo Virtual do Apalpador .................................................................. 61 Figura 40 – Apalpador da MMC ................................................................................ 61 Figura 41 – Sistema de Coordenadas da MMC ........................................................ 63 Figura 42 – Diagrama de Blocos do Circuito Eletrônico da MMC .............................. 64 Figura 43 – Módulo para Controle de Motor de Passo DVR 8825 ............................ 65 Figura 44 – Conversor MAX485 ................................................................................ 66 Figura 45 – Conversor USB/RS 485 ......................................................................... 66

Figura 46 – Mostrador LCD 20X4 .............................................................................. 67 Figura 47 – Teclado de Controle da MMC ................................................................ 67 Figura 48 – Projeto da Placa de Circuito Impresso ................................................... 68 Figura 49 – Placa de Circuito Impresso para os Módulos DRV 8825 ........................ 70 Figura 50 – Módulos de Controle DRV 8825 Acoplados à Placa .............................. 70 Figura 51 – Instalação Elétrica da MMC ................................................................... 72 Figura 52 – Ligações da Placa Arduino ..................................................................... 72 Figura 53 – Mostrador LCD Conectado à Matriz de Contatos ................................... 73 Figura 54 – Circuito do Sistema de Controle e Acionamento da MMC ..................... 74 Figura 55 – Exemplo de Trajetória da MMC .............................................................. 76 Figura 56 – Contagem dos Pulsos no Movimento de Toque ..................................... 77 Figura 57 – Valor de Medição Exibido no Mostrador LCD ........................................ 79 Figura 58 – Interface Desenvolvida em Plataforma Elipse SCADA ........................... 83 Figura 59 – Configuração das Tags Criadas no Elipse SCADA ................................ 85 Figura 60 – Propriedades do Modbus Serial ............................................................. 86 Figura 61 – Tags Criadas e Configuradas no ScadaBR ............................................ 87 Figura 62 – Propriedades do Data Source Meta Medição Coord .............................. 88 Figura 63 – Propriedades do Data Source Meta Medição XYZ ................................. 88 Figura 64 – Interface Gráfica Desenvolvida para a MMC .......................................... 89 Figura 65 – Desenho Técnico do Mensurando.......................................................... 90 Figura 66 – Modelo Virtual da Morsa Montada na MMC ........................................... 91 Figura 67 – MMC Concluída...................................................................................... 93

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Resultados das Medições Executadas pela MMC................................... 92

Tabela 2 – Resultados das Medições Replicadas pela MMC ................................... 93

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS

A/D Analógico/Digital ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASCII American Standard Code for Information Interchange BIPM Bureau Internacional de Pesos e Medidas CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CC Corrente Contínua CLP Controlador Lógico Programável CNC Comando Numérico Computadorizado CPU Central Unit Process CRC Cyclical Redundancy Check DIN Deutsches Institut für Normung EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory FMS Flexible Manufacturing System GDL Graus de Liberdade HTML HyperText Markup Language ICSP In Circuir Serial Programming ID Identidade IDE Integrated Development Environment IHM Interface Homem-Máquina LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode LRC Longitudinal Redundancy Check Ltda. Limitada MMC Máquina de Medir por Coordenadas NBR Norma Brasileira Regulamentadora NA Normalmente Aberto NF Normalmente Fechado OEE Overall Equipment Effectiveness OSI Open System Interconnection ppr pulsos por rotação PVC Policloreto de Polivinila PWM Pulse Width Modulation RAM Random Access Memory RISC Reduced Instruction Set Computer ROM Read-Only Memory RTU Remote Terminal Unit SAE Society of Automotive Engineers SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SI Sistema Internacional SRAM Static Random Access Memory TPM Total Productive Maintenance TTL Transistor-Transistor Logic USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter USB Universal Serial Bus

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 11 1.1 TEMA ............................................................................................................ 14 1.3 PROBLEMA .................................................................................................. 15 1.4 OBJETIVOS ................................................................................................. 16 1.4.1 Objetivo geral ............................................................................................... 16 1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 16 1.5 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 17 1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ..................................................... 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 19 2.1 SISTEMA DE MEDIÇÃO .............................................................................. 19 2.2 MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS ............................................. 22 2.3 MOTORES DE PASSO ................................................................................ 30 2.3.1 Módulo de Controle para Motor de Passo .................................................... 36 2.4 MICROCONTROLADOR .............................................................................. 38 2.5 CHAVES FIM DE CURSO ............................................................................ 43 2.6 SISTEMA SCADA ......................................................................................... 44 2.7 PROTOCOLO MODBUS .............................................................................. 48 3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ......................................................... 51 3.1 PROJETO CONCEITUAL ............................................................................. 51 3.2 PESQUISA E ESTUDO SOBRE AS TECNOLOGIAS EMPREGADAS ........ 51 3.3 MODELAGEM VIRTUAL DA ESTRUTURA ................................................. 52 3.4 CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DA ESTRUTURA ...................................... 58 3.4.1 Projeto e Construção do Apalpador .............................................................. 60 3.5 PROJETO ELETRÔNICO ............................................................................ 62 3.5.1 Seleção dos Componentes do Circuito Eletrônico ........................................ 64 3.5.2 Projeto Eletrônico para Integração dos Componentes ................................. 67 3.5.3 Fabricação da Placa de Circuito Impresso ................................................... 69 3.6 MONTAGEM DO CIRCUITO ELETRÔNICO ................................................ 71 3.7 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR .......................................... 74 3.8 PROGRAMAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO ...................................... 81 4 MEDIÇÕES E RESULTADOS ..................................................................... 90 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................ 94 REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 95 APÊNDICE A – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO ELETRÔNICO ...... 100

11

1 INTRODUÇÃO

A medição de artefatos fabricados é um processo aplicado no controle de

qualidade da produção de diversos segmentos da indústria, com o objetivo de garantir

os parâmetros dimensionais e funcionais de um produto. O processo de medição é

realizado por instrumento ou sistema de medição, que consiste nos dispositivos e

métodos aplicados à medição de alguma peça ou conjunto. O sistema de medição é

definido como o meio pelo qual as medições são efetuadas (ALBERTASS; SOUZA,

2008). O mensurando, ou objeto a ser medido, pode ser um modelo para a realização

de engenharia reversa, um protótipo em desenvolvimento ou uma amostra de um lote

em produção.

Dentre os vários meios empregados na indústria existe o sistema de medição

tridimensional, realizado por uma Máquina de Medir por Coordenadas (MMC). É um

sistema computadorizado que, segundo Albertass e Souza (2008), comporta a grande

demanda da indústria e promove alta velocidade e confiabilidade na medição por ser

automatizada. É amplamente empregada em medição de peças complexas onde

sistemas convencionais seriam insuficientes. Também empregada em mecânica de

precisão e em Sistemas Flexíveis de Manufatura (FMS), geralmente associados à

robótica e indústria automobilística.

Em tempos passados, as medições eram realizadas de uma forma muito

rudimentar, utilizando-se de instrumentos não padronizados e muito pouco precisos.

Com a evolução da qualidade dos artefatos manufaturados e o desenvolvimento de

conjuntos montáveis foi sendo necessária uma maior acuidade nos processos de

medição.

Em 1848 um mecânico francês desenvolveu o precursor do micrômetro,

visando favorecer a precisão dos resultados das técnicas de determinação de posição

global aplicadas à navegação marítima. Este instrumento foi aprimorado e aplicado à

indústria de armamentos que abastecia os exércitos suecos em 1887.

Com a passar do tempo e o surgimento de mecanismos cada vez mais

sofisticados, tornou-se mandatório aplicar critérios de fabricação mais rigorosos, de

onde se desenvolveram as padronizações e procedimentos a serem respeitados nos

processos de fabricação. Com isso desenvolveu-se a determinação das tolerâncias

geométricas para garantir a réplica física em um lote de peças produzidas, assim como

12

garantir a intercambialidade já requerida, a funcionalidade dos conjuntos montados e

sua durabilidade.

A metrologia dimensional teve seu impulso com o surgimento e

desenvolvimento da indústria automotiva. Iniciada na Alemanha por Karl Benz em

1878, quando construiu o primeiro motor a combustão.

A primeira máquina de medição com o conceito de uma MMC foi desenvolvida

por Ferranti Limitada, e associada ao controle numérico por Harry Ogden em 1956.

Com esta estratégia foi implementado o elemento chave que tornou possível o

desenvolvimento da MMC. A disponibilidade de um sistema de medição digital preciso

(HOCKEN; PEREIRA, 2012).

Através da integração de um sistema numérico de posicionamento, o

mecanismo de uma MMC até então rudimentar, passou a contar com recursos da

eletrônica digital, que proporcionou à máquina uma precisão e confiabilidade até então

nunca alcançadas, replicando o funcionamento das máquinas operatrizes que

executavam seus processos utilizando as mesmas tecnologias.

Carl Zeiss, na Alemanha, em 1973, lançou a primeira MMC considerada

universal, com um apalpador de atuação tridimensional (ZEISS, 2018). Em 1978

lançou o apalpador piezoelétrico, possibilitando maior precisão. Em 1982 introduziu

na indústria a primeira MMC especificamente voltada para a medição de engrenagens

(HOCKEN; PEREIRA, 2012).

Atualmente existe uma grande demanda por controle de qualidade nos

processos de fabricação, tanto em função da flexibilidade como da produtividade das

linhas de produção.

Existem hoje no mercado diversas empresas que produzem MMC das mais

variadas formas e funcionalidades, que empregam tecnologias bastantes sofisticadas.

Os mecanismos atuais contam com componentes de alta precisão, incluindo

tecnologias com sistema de visão e softwares com capacidade de comparar pontos

medidos a um modelo CAD (VAS, 2018).

Os principais fabricantes mundiais fornecem equipamentos que executam

medições por scanning contínuo, LASER ou medição óptica (MITUTOYO, 2018).

As ferramentas desenvolvidas hoje em dia, tanto em aspectos físicos como

de programação, permitem, também, realizar análises de superfície, com habilidade

para realizar engenharia reversa em peças planas muito rapidamente (VAS, 2018).

13

A indústria de artefatos de geometria complexa tem sido cada vez mais ávida

por recursos de apoio à engenharia que sejam capazes de auxiliar o desenvolvimento

de projetos com maior precisão, exatidão e rapidez. Os programas, máquinas e

acessórios desenvolvidos atingem um grande potencial para atender às demandas

causadas por essas indústrias.

As principais indústrias que solicitam estes recursos são a de produção

automotiva, aeroespacial, medicina, energia e plásticos. São indústrias que, em sua

essência, produzem componentes ou conjuntos de geometria bastante complexa

(ZEISS, 2018).

O mecanismo de uma MMC atua através de um sistema de deslocamento

tridimensional onde medições programadas podem ser executadas em uma ou várias

peças simultaneamente, assim como conjuntos montados. Por se tratar de um sistema

automatizado pode ser controlado por computador, o que requer a aplicação de um

protocolo de comunicação padronizado e de um sistema supervisório para aquisição

e processamento de dados.

O sistema de controle do mecanismo de uma MMC pode ser realizado através

de módulos de controle de potência que atuam por Comando Numérico

Computadorizado (CNC), Controladores Lógicos Programáveis (CLP), ou por

microcontroladores. Todos executam seus procedimentos de forma programável, e

necessitam de uma interface gráfica que disponibilize informações ao operador

relativos ao estado da medição, valores, referenciamento assim como todo e qualquer

recurso que se pretenda implementar. O sistema de controle responde aos comandos

dados pelo operador através do sistema supervisório ao mesmo tempo em que

fornece os dados requeridos pelo programa em execução.

O deslocamento dos eixos do mecanismo é realizado por servomotores ou

motores de passo, e compõem o recurso fundamental para o processo de medição de

um mensurando. A leitura pode ser feita por realimentação, via encoders ou réguas

digitais, ou simplesmente pela contagem de pulsos enviados para o deslocamento de

cada eixo em sistema de malha aberta (OGATA, 2010). Essa leitura ou transmissão

de informações é enviada para o sistema supervisório que fornece dados legíveis ao

operador.

Um sistema supervisório, responsável pelo processamento dos dados, inclui

interface ao operador e manipulação dos dados aplicado ao monitoramento de

controle de processos em tempo real (BOYER, 2004).

14

O protocolo de comunicação é o recurso responsável pela transferência de

dados entre sistema supervisório e máquina. Caracterizado por um sistema de duas

vias, permite os procedimentos de receber dados e enviar comandos, integrando o

sistema supervisório com a máquina a ser controlada (BOYER, 2004).

Através da integração fundamental destes recursos é possível desenvolver

um sistema de medição tridimensional automatizado que pode realizar medições de

peças complexas. Uma MMC tem condições de atender a uma demanda de serviço

com rapidez e confiabilidade superiores às conseguidas por sistemas de medições

convencionais.

Ao se desenvolver uma MMC de acordo com recursos tecnológicos facilmente

disponíveis no mercado cria-se uma proposta para a aplicação de máquinas de

medição de baixo custo e com precisão e agilidade satisfatórias para solicitações de

peças de menor porte.

1.1 TEMA

A temática do projeto consiste em desenvolver uma Máquina de Medir por

Coordenadas capaz de atuar de forma automatizada e programável, tendo como

principal escopo implementar a comunicação entre o sistema de controle da máquina

e o sistema supervisório utilizado como Interface Homem-Máquina (IHM). O protocolo

de comunicação deve ser configurado de modo a permitir a troca de dados entre os

sistemas da MMC construída, fazendo com que ela responda adequadamente ao

programa embarcado (firmware), bem como executar a leitura e apresentação dos

dados de medição que se pretende coletar.

O projeto envolve o desenvolvimento da MMC, abrangendo a estrutura

mecânica, transmissão mecânica, cabeamento elétrico, sistema de alimentação

elétrica, sistema de posicionamento, programação do microcontrolador, incluindo as

configurações do protocolo de comunicação e processamento de dados, programação

da IHM via sistema supervisório e projeto e montagem do sistema de deslocamento.

15

1.2 PROBLEMA

Todos os sistemas envolvidos no projeto da MMC são objeto de diversas

aplicações na indústria. As atividades relativas à construção do mecanismo,

programação do microcontrolador no que se refere à operação da MMC, programação

do sistema supervisório e implementação eletrônica, são corriqueiras de qualquer

projeto envolvendo sistemas automatizados.

O problema está na integração entre o sistema supervisório SCADA e o

microcontrolador empregado no projeto.

O Modbus é um protocolo de comunicação serial comumente utilizado em

sistemas automatizados e que atende às necessidades do projeto a ser desenvolvido.

Contudo, devido às limitações referentes a memória e fluxo de dados com o

microcontrolador Arduíno em relação ao SCADA, o desafio para tornar a aplicação

satisfatória para requisitos similares aos que encontramos na indústria se mostra

deveras importante.

Gonçalves, Silva e Batista (2015) desenvolveram um projeto semelhante,

utilizando-se de bibliotecas predefinidas e plataforma de programação do

microcontrolador, própria do fabricante. Foi desenvolvido um protótipo de um

selecionador de esferas, aplicando os mesmos recursos pretendidos no projeto sob

desenvolvimento.

A programação de uma lógica que execute, além do deslocamento do atuador

da máquina, a leitura deste deslocamento em sistema de malha aberta é o principal

desafio a ser transposto no desenvolvimento do projeto, sobretudo pelo fato de

disponibilizar os dados em uma interface gráfica programada através de um sistema

supervisório

É preciso desenvolver uma estratégia lógica que interprete o deslocamento e

o converta em uma unidade de medida inteligível, como o sistema métrico, para que

a máquina consolide uma aplicação prática.

As MMC são máquinas com alto padrão de exatidão, justamente por serem

aplicadas a medições tridimensionais automatizadas. Possuem um alto custo para

aquisição, por isso a proposta de projeto da MMC visa demonstrar a possibilidade de

se construir uma máquina eficiente o bastante para medições corriqueiras e que

agrega um custo muito baixo em relação a um equipamento comercial.

16

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Projetar e construir uma MMC tridimensional dotada de interface SCADA, que

pode realizar medições de peças complexas, visando atender a demanda de

pequenas empresas.

1.3.2 Objetivos Específicos

Projetar e construir a estrutura mecânica, o sistema de transmissão, fixações

e guias necessárias para implementar um sistema de deslocamento tridimensional.

Projetar e construir os circuitos eletrônicos dos acionamentos, controle e

apresentação dos dados via mostrador digital

Desenvolver o apalpador para atuar como efetuador das medições.

Desenvolver a programação (firmware) do microcontrolador, para controle de

todos os processos e configuração do protocolo de comunicação, utilizando linguagem

C.

Estabelecer a comunicação entre microcontrolador Arduino Mega 2560 e o

sistema SCADA, empregado como sistema supervisório, através do protocolo

Modbus, para supervisão, controle e processamento de dados do sistema de medição.

Elaborar a programação dos scripts e configuração das tags do sistema

supervisório para definir a IHM apresentada no monitor de um microcomputador.

Criar uma interface para monitoramento e controle da MMC, contendo

visualização de valores, comparações e ferramentas para controlar configurações e

processo de medição.

Executar medições e validar a eficiência da máquina desenvolvida. Inclui

desenvolver e fabricar uma peça padrão, designada como mensurando, que será

aplicada às medições experimentais realizadas pela MMC.

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1.4 JUSTIFICATIVA

A Máquina de Medir por Coordenadas a ser desenvolvida consiste em uma

aplicação para o sistema de comunicação que se pretende configurar, utilizando-se

do protocolo Modbus para a integração entre microcontrolador e sistema supervisório.

A proposta visa mostrar a possibilidade de se construir uma MMC utilizando

componentes facilmente disponíveis no mercado, desenvolvendo um equipamento

que executa medições com eficiência, embora seja uma máquina construída com

baixo custo.

Pretende-se promover a integração de tecnologias relacionadas a engenharia

mecânica e eletrônica para produzir uma máquina automatizada que processa e

apresenta dados relativos às medições de artefatos usinados.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Com o escopo do projeto já definido, foi discutido o projeto conceitual da MMC,

definindo sistemas e mecanismos que o integraram, como os conceitos da estrutura

mecânica, sistema de acionamento e transmissão mecânica, apalpador, fonte de

alimentação, circuitos eletrônicos e sistema de controle.

Realizou-se uma revisão bibliográfica buscando esclarecer todos os conceitos

e tecnologias envolvidos no projeto, bem como verificar o desenvolvimento de

trabalhos similares.

Utilizando o software SolidWorks 2013, a estrutura mecânica foi projetada,

desenvolvendo-se os modelos virtuais tridimensionais de todos os componentes,

assim como a simulação da montagem.

Concluído o projeto mecânico, procedeu-se à fabricação dos componentes e

à montagem do mecanismo. A MMC contém três eixos de deslocamento linear, sendo

definido como X para deslocamento latitudinal, Y para deslocamento longitudinal e Z

para deslocamento altitudinal. Foi, portanto, definido como um mecanismo de

deslocamento linear tridimensional desenvolvido para integrar microcontrolador e

sistema SCADA. Para o pórtico estrutural, foram utilizados perfis de alumínio e chapas

de nylon, aliando maior rigidez em uma estrutura leve.

18

Os circuitos eletrônicos dos acionamentos, controle e fonte de alimentação

foram implementados de acordo com os requisitos de potência do mecanismo de

deslocamento. A alimentação elétrica que foi definida provém de fonte de 12 V da

ordem de 2 A. Os sistemas de controle, posicionamento e módulos de controle para

motores de passo também são especificados conforme requisitos de potência,

selecionados dentre os componentes disponíveis comercialmente.

O apalpador eletrônico que atua como efetuador das medições é fabricado de

material metálico para executar um impulso de contato por curto-circuito. Consiste de

uma estrutura rígida com ponta, que faz contato com o mensurando, realizando a

queda de tensão de uma porta de entrada do microcontrolador que está sendo

monitorada. Esta queda de tensão é resultante do desvio de corrente que ocorre na

peça sob medição, que também é metálica e encontra-se aterrada.

A programação do microcontrolador foi desenvolvida através da plataforma

CodeVision AVR, utilizando linguagem C. O algoritmo contém a lógica de

funcionamento da MMC e os parâmetros para registros das medições, comparações

e as configurações necessárias para possibilitar a comunicação entre o

microcontrolador e o SCADA, via biblioteca incluída no algoritmo.

A comunicação foi estabelecida, especificamente, entre microcontrolador

Arduino Mega 2560 e o software ScadaBR, através do protocolo Modbus serial, para

supervisão, controle e processamento de dados do sistema de medição. Definiu-se o

sistema supervisório como mestre da rede Modbus.

Depois de terminadas as etapas de construção, programação e comunicação,

foi criada uma interface para monitoramento e controle da MMC. Essa interface está

contida no software ScadaBR e permite a visualização de valores, comparações e

ferramentas para controlar configurações e processo de medição.

19

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A fundamentação teórica trata de uma breve exposição dos conceitos

relativos às tecnologias aplicadas à da Máquina de Medir por Coordenadas (MMC).

2.1 SISTEMA DE MEDIÇÃO

Sistema de medição consiste no meio pelo qual as medições são efetuadas,

ou seja, remete aos dispositivos utilizados em um processo de medição

(ALBERTASS; SOUZA, 2008).

Medição é o processo de determinar experimentalmente um valor de

magnitude numérica para uma característica que possa ser atribuída a um objeto ou

evento, no contexto de um quadro ou referência que permita fazer comparações com

outros objetos ou eventos, determinados como padrão. É definido no Vocabulário

Internacional de Metrologia (VIM) como a obtenção experimental de um ou mais

valores de quantidade que podem ser razoavelmente atribuídos para uma quantidade

(VIM, 2012).

Os diferentes recursos empregados para a medição de uma determinada

grandeza compõem o que é definido como Sistema de Medição. O conceito abrange

o ambiente, ferramentas, métodos e mecanismos que estejam à disposição para a

medição de alguma grandeza.

Não são somente grandezas relacionadas a tamanhos de objetos ou

distâncias que podem ser medidas, mas qualquer grandeza física que possa

apresentar um comparativo ou que possa ser representada em uma escala

quantitativa, como por exemplo, pressão, vazão, temperatura, tempo, velocidade.

O processo de medição é definido como o conjunto de métodos e meios

aplicados a uma medição (ALBERTASS; SOUZA, 2008). São, portanto, os

componentes integrantes de um sistema de medição.

O método de medição remete à descrição genérica de uma organização lógica

de operações usadas em uma medição (VIM, 2012). Consistem no modo de execução

da medição de distintos tipos de grandezas, respeitando critérios e normas definidas

20

para garantir sua confiabilidade. Dentre estes critérios, os de maior relevância são:

precisão de medição e resolução.

A precisão de medição é a proximidade do acordo entre indicações ou valores

medidos obtidos por replicar medições em objetos iguais ou semelhantes sob

condições especificadas (VIM, 2012). Significa que entre medidas iguais tomadas de

mensurandos diferentes existe uma maior ou menor semelhança de valores obtidos,

cuja discrepância pode ser resultado de diversos fatores que podem influenciar na

réplica de uma medição, incluindo erros.

A resolução consite na menor mudança em uma quantidade a ser medida que

provoca uma alteração perceptível na correspondente indicação (VIM, 2012). A menor

divisão de unidade corresponde à menor variação de quantidade capaz de ser medida

pelo sistema em questão. Os procedimentos de medição devem, por razões de

confiabilidade, seguir critérios bem definidos a fim de obter resultados absolutamente

verossímeis. Em processos de ensaios e calibração, os procedimentos exigem,

inclusive, obediência a normas desenvolvidas para esse fim.

Conforme descrito por Albertass e Souza (2008), os métodos usuais de

medição são por comparação, indicação e diferencial. O método de comparação é

feito por comparação direta com uma grandeza de mesma natureza com valor

conhecido, como a medição com uma fita métrica, por exemplo. O método de

indicação, também conhecida como medição direta, é feito pela leitura de uma escala

graduada referente a uma grandeza a ser medida, como exemplo o valor de uma

pressão indicada pelo ponteiro de um manômetro, apontando para um valor de uma

escala aferida. O método diferencial consiste no valor da diferença encontrada entre

um mensurando e uma medida padrão, que pode ser um bloco, régua, esfera,

gabarito, ou referências semelhantes.

Metrologia é definida como a ciência da medição e suas aplicações (VIM,

2012). Diz respeito a toda e qualquer atividade relacionada a quantificação de valores,

que podem ser obtidos por comparação com valores predefinidos ou por instrumentos

escalares. Também trata da padronização dos sistemas de medição e da calibração

de instrumentos.

A Figura 1 apresenta a fotografia de uma sala de metrologia industrial aplicada

à medição dimensional. Contém uma MMC computadorizada empregada no controle

de qualidade de lotes de produto e na assistência ao departamento de projetos. O

21

ambiente climatizado e os equipamentos presentes na sala configuram um sistema

de medição.

Figura 1 – Fotografia de uma Sala de Metrologia Industrial

Fonte: Techpol ( 2018).

Ainda na Figura 1 pode-se notar os controles em forma de joystick que são

utilizados para o controle do deslocamento da ferramenta no processo de medição

executado em modo manual. Embora o microcomputador seja responsável pela

supervisão do processo de medição sendo realizado pela MMC, o controle de

movimentação do equipamento é manual.

Juntamente com a MMC estão dispostos na sala os instrumentos de medição

manual, calibradores e padrões. Todo o conjunto dos recursos presentes em uma sala

como esta configuram um sistema de medição, assim como um simples paquímetro e

seu operador.

A Figura 2 mostra uma série de instrumentos utilizados em medição

dimensional. Entre alguns dos que estão expostos constam: paquímetros,

micrômetros, altímetros, calibradores, relógios comparadores, entre outros

acessórios. Estes instrumentos também configuram um sistema de medição.

22

Figura 2 – Instrumentos Utilizados em Medição Dimensional Fonte: Imperium Instrumentação (2018).

2.2 MÁQUINA DE MEDIR POR COORDENADAS (MMC)

A Máquina de Medir por Coordenadas é um instrumento ou sistema de

medição automatizado.

Segundo Albertass e Souza (2008), a grande demanda da indústria atual

requer mecanismos ágeis de medição, que promovam a flexibilidade suficiente para

suprir suas linhas produtivas, estando atentos não só à quantidade como também à

qualidade dos produtos fabricados, mantendo altos os níveis de produtividade. A MMC

aplicada a um sistema de medição industrial também favorece as etapas de projeto e

engenharia reversa, quando empregados.

Essa grande demanda da indústria é atendida por sistemas conectados a um

computador, porque a medição fornece maior velocidade e confiabilidade quando é

automatizada (ALBERTASS; SOUZA, 2008). Da mesma maneira que em trabalhos

executados por robôs, uma MMC consegue uma boa repetibilidade nos processos em

execução.

A MMC é dotada de um sistema de deslocamento tridimensional que pode ser

montada de diversas formas construtivas, como ponte móvel, ponte fixa, cantilever,

23

braço horizontal, pórtico (HOCKEN; PEREIRA, 2012). A Figura 3 apresenta as

principais formas construtivas que podem ser aplicadas à uma MMC.

Figura 3 – Principais Formas Construtivas Aplicadas a uma MMC Fonte: Adaptado de Hocken e Pereira (2012).

Hocken e Pereira (2012) ainda citam outras formas específicas, como pórticos

adaptados e braços robóticos. Estes geralmente aplicados a finalidades bem

específicas e com uma demanda de complexidade muito maior, assim como

capacidade dimensional e flexibilidade.

A Figura 4 mostra uma forma construtiva baseada no modo pórtico, mas que

apresenta fixação por colunas, assumindo um formato de ponte rolante. Este é

designado como Ponte em Formato L.

Figura 4 – MMC em Ponte Formato L Fonte: Hocken e Pereira (2012).

24

A estrutura da MMC deve ser rígida, construída com materiais favoráveis à

rigidez necessária, pois flexões ou qualquer tipo de deformação produzirá erros na

medição. Pela mesma razão deve ser minimizado o seu peso próprio, assim como

possuir baixo coeficiente de expansão térmica e alta condutividade térmica para

favorecer a dispersão de calor. Um alto índice de amortecimento também é

recomendável, visando eliminar danos causados por impactos ou vibrações capazes

de produzir variações nas medições a curto ou a longo prazo (HOCKEN; PEREIRA,

2012).

A MMC precisa ter um mecanismo de deslocamento tridimensional que

também seja rígido, livre da possibilidade de deformação por esforço mecânico e por

variação de temperatura (BEER; JOHNSTON; DEWOLF, 2010). Este deslocamento

pode ser realizado por transmissão direta utilizando pinhão e cremalheira ou correias

sincronizadas. Outra forma de deslocamento mais sofisticado é realizada por meio de

fuso de esferas recirculantes, que proporciona maior precisão e estabilidade à

movimentação da máquina. Entretanto uma significativa limitação com o uso do fuso

de esferas é a sua incapacidade de desacoplar facilmente para operação manual.

Outro modo de deslocamento menos comum emprega rodas de fricção. (HOCKEN;

PEREIRA, 2012).

A cinemática do mecanismo é definida pelo número de graus de liberdade

(GDL) que ele possui. Norton (2010) define o GDL como o número de parâmetros

independentes (medidas) necessários para definir uma única posição no espaço. Para

se definir um ponto dentro de um espaço em três dimensões, o que é objeto de uma

MMC tridimensional, é exigida a definição das coordenadas dos três eixos

correspondentes, comumente designados como X, Y e Z. Isso classifica o sistema ao

GDL de número 3, ou seja, é dito que o sistema possui 3 graus de liberdade.

Para isso o mecanismo depende de um sistema de coordenadas. Este

sistema determina um ponto de origem e a orientação ortogonal dos três eixos que

determinam um espaço tridimensional a partir do qual uma medição pode ser

realizada.

O processo de medir através de um sistema de medição disposto de uma

MMC consiste em determinar as coordenadas dos pontos de um corpo (objeto) ou

espaço com suas relações algébricas, associados à uma unidade de medida. Este

conceito abrange todas as relações dimensionais de um mensurando relacionados às

distâncias e aos ângulos. Contudo os ângulos não podem ser medidos diretamente

25

em uma MMC, mas podem ser determinados trigonometricamente a partir dos pontos

de referência definidos na medição. A análise é feita considerando um plano

cartesiano tomando, portanto, duas dimensões na disposição espacial. Assim a

posição de um ponto pode ser definida por meio de um vetor de posição que parte do

ponto de origem do sistema de coordenadas. Planos ortogonais, por sua vez,

determinam uma posição no espaço tridimensional, em relação à origem (NORTON,

2010).

Norton (2010) ainda explica que os eixos de referência possuem orientação

arbitrária, e a partir deles podem ser determinados os pontos de interesse em um

espaço de medição nele contido. O vetor de posição pode ser representado na forma

cartesiana ou polar. A forma cartesiana fornece os componentes ortogonais do vetor,

X e Y, Y e Z ou X e Z. A forma polar fornece o módulo e o ângulo do vetor no plano

correspondente.

A conversão de uma forma à outra pode ser feita trigonometricamente, da

mesma maneira que a definição dos valores obtidos para a análise de uma medição.

A forma polar possui três ângulos associados ao módulo de um vetor,

correspondentes aos respectivos eixos ortogonais do sistema de coordenadas a que

um sistema de medição está inserido.

Para a execução de um processo de medição uma MMC depende de um

mecanismo que permita o deslocamento do dispositivo de leitura das medidas, o

atuador, seja ele de qualquer tipo. Norton (2010) explica o conceito de deslocamento

através de rotação pura e translação pura. A rotação pura é um deslocamento que

possui um ponto central de um corpo que não apresenta movimento enquanto os

outros descrevem um arco em torno dele, podendo ser realizado ordenado a apenas

um eixo do sistema de coordenadas, dois ou todos os três, simultaneamente. Estes

deslocamentos são conhecidos como rolamento, guinada e arfagem. A translação

pura é o deslocamento em que todos os pontos de um corpo descrevem um

movimento paralelo, que pode ser retilíneo ou curvo. Quando ocorre a combinação

dos dois deslocamentos caracteriza-se o deslocamento complexo.

A base de fixação do mensurando na MMC é feita sobre uma mesa

rigorosamente plana e nivelada chamada mesa de desempeno, geralmente

constituída de granito em uma moldura que impede deformação, para garantir o

comportamento do corpo rígido da superfície de referência (HOCKEN; PEREIRA,

26

2012). Esta mesa é apoiada sobre coxins e amortecedores que visam eliminar

vibrações oriundas do piso em que o equipamento está alocado.

Para que um mecanismo de deslocamento tenha efeito em um sistema de

medição este precisa ter um meio de registrar e analisar as distâncias do movimento

realizado no processo de medir. Isto é feito por uma leitura que processa uma unidade

de deslocamento em razão a uma unidade de medida determinada para o sistema em

questão, ou seja, uma determinada distância de avanço do mecanismo no espaço em

medição é processada e traduzida para uma unidade em uma escala definida, que

torna mensurável o referido deslocamento para a sua finalidade.

A leitura do deslocamento pode ser realizada através de instrumentos de

medição de deslocamento, como encoders ou réguas lineares digitais (OGATA, 2010).

A Figura 5 mostra a foto de réguas lineares digitais. Este equipamento atua

de modo a informar a um sistema de controle a distância percorrida por um mecanismo

de deslocamento linear.

Figura 5 – Réguas Lineares Digitais Fonte: Logismarket (2018).

O encoder, por sua vez, monitora a rotação de um eixo a ele acoplado. O

deslocamento linear relacionado à transmissão acoplada ao motor é processado pelos

sinais fornecidos pelo encoder, tratando esses dados com a devida conversão visto

que o motor possui deslocamento rotativo. Ambos, régua digital e encoder, são

designados por Hocken e Pereira (2012) como transdutores de deslocamento.

27

Outro item fundamental da MMC é o sensor de medição. Ele pode ser tátil ou

ótico, efetuando as medições com ou sem contato, respectivamente. De acordo com

sua forma, atua de maneira contínua ou discreta (HOCKEN; PEREIRA, 2012). O

sensor tátil consiste de uma ponta de contato, que pode ser singular ou de múltiplos

contatos. Pode ser acionada eletricamente, mecanicamente ou pneumaticamente,

além de outras formas mais incomuns (ALBERTASS; SOUZA, 2008).

A Figura 6 mostra um apalpador tátil com uma ponteira simples acoplada.

Figura 6 – Apalpador Tátil Fonte: Renishaw (2018).

Arenhart (2007) apresenta os conceitos construtivos dominantes de

apalpadores táteis (ou por toque), diferenciando os comutadores e os medidores. Os

comutadores funcionam através de chaves de contato ou por cristais piezelétricos,

acionados quando a ponta do sensor toca o mensurando. Quando se trata de cristais

piezelétricos o sinal de contato ocorre pela diferença de potencial elétrica (tensão)

gerada pelo cristal quando submetido à uma compressão mecânica.

Silva et al. (2014) explicam o funcionamento dos comutadores por chaves de

contato. Consiste em três pinos cilíndricos dispostos no entorno do halo da haste do

28

apalpador que está apoiado em esferas. Quando a ponta da haste promove o

deslocamento do conjunto, um dos pinos abrirá o contato com as esferas, fazendo

com que a corrente conduzida por ele seja interrompida, assim o sensor detecta que

ocorreu o toque com a superfície do mensurando.

A Figura 7 ilustra o funcionamento do comutador de um apalpador por chave

de contato.

Figura 7 – Apalpador por Chave de Contato Fonte: Silva et al., 2014 (adaptado).

Segundo Arenhart (2007) o apalpador deve conter uma haste rígida que

previna a deflexão em função da força de contato. Explica também a necessidade de

se conhecer e considerar o deslocamento sobressalente que ocorre entre o momento

do toque e o processamento do sinal pelo sistema de controle que registra a

coordenada e comanda a parada ou o retorno do apalpador. Além disso menciona

considerar o raio de atuação da ponta do contato do apalpador ao configurar o

processamento da coordenada.

O contato da esfera da ponteira deve ser o mais normal possível em relação

à superfície sendo avaliada para evitar ou minimizar o erro causado pela variação do

valor de raio compensado na ponteira do apalpador (ARENHART, 2007).

As pontas de contato são constituídas de esferas de rubi, aço temperado ou

metal duro (VAS, 2017). Os referidos materiais têm por finalidade a dureza e

respectiva resistência a compressão e deformação, assim como ao desgaste.

29

A Figura 8 apresenta uma ponteira de cinco pontas com esferas de rubis. Esta

configuração favorece a solicitação de contato normal à superfície do mensurando.

Figura 8 – Ponteira de Apalpador de MMC Fonte: Apisensor (2018).

Albertass e Souza (2008) explicam que uma unidade de tratamento de sinais

é responsável pela amplificação, filtragem, processamento e integração dos sinais

para que torne possível a comunicação entre os dispositivos de controle e o de

supervisão, onde estão os mostradores e registradores. Neste tratamento são

empregados decodificadores para a transmissão de dados e controle do sistema de

acionamento.

Atualmente o desenvolvimento das tecnologias, especialmente na área de

computação, permite o emprego de uma gama muito grande de recursos para otimizar

o desempenho das MMC. Existem programas desenvolvidos para o controle e

processamento de dados obtidos nos processos de medição dos equipamentos

tridimensionais. São também a interface para o operador.

Outros sistemas utilizam tecnologia de visão de máquina para realizar

medições tridimensionais sem contato. Equipamentos eletrônicos de captura de

imagem são empregados para uma medição precisa e rápida de peças complexas,

podendo operar em 2D ou em 3D. Podem ainda ser integrados com sistemas CAD e

CAM, aplicados a comparações de medidas de um modelo virtual com uma peça real

(VAS, 2017).

30

2.3 MOTORES DE PASSO

Motores de passo são máquinas elétricas constituídas de estatores bobinados

e um rotor composto por ímãs permanentes ou de relutância variável acoplados a um

eixo (ALCIATORE; HISTAND, 2014). Funcionam baseados nos princípios do

eletromagnetismo, pela atuação de forças sobre polos magnéticos norte e sul. Sua

função é transformar energia elétrica em energia mecânica.

O rotor consiste de um cilindro com saliências, que dispensa enrolamentos

bobinados, como ocorre em outros tipos de motores por indução, como os motores

CC (Corrente Contínua) paralelo e shunt, por exemplo. O acionamento é realizado

pela tendência do rotor a se alinhar com a onda de fluxo produzida pelo estator

(FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006).

Alciatore e Histand (2014) explicam que esses motores se movem por

incrementos angulares precisos, em ambos os sentidos, controlados por circuitos

digitais conhecidos como módulos de controle de motores de passo. Estes processam

comutações nos enrolamentos do estator.

Os módulos de controle recebem pulsos gerados por um sistema de controle

que, em função da quantidade e frequência solicitados, definem ângulo, velocidade e

sentido da rotação do motor. As comutações são realizadas de maneira ordenada em

relação à disposição dos enrolamentos bobinados presentes no estator do motor de

passo.

Esse princípio de funcionamento está relacionado ao número de saliências no

rotor e no estator de um motor de passo, o que determina a resolução angular. O

alinhamento das saliências do estator e rotor tendem à posição de menor relutância

magnética, buscando um fluxo ordenado para definir sua posição de equilíbrio

(FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006).

Os motores que são constituídos de rotores com ímãs permanentes, mesmo

não estando energizados, apresentam um torque estático, isto é, quando parado o

motor possui uma força de retenção, podendo atuar como freio.

Os enrolamentos bobinados caracterizam os polos e o rotor magnético é o

elemento responsável pela geração de torque e movimento do motor, a uma

determinada força chamada de conjugado.

A Figura 9 mostra o conceito construtivo de um motor de passo de duzentos

passos.

31

Figura 9 – Conceito Construtivo de um Motor de Passo Bipolar de 200 Passos Fonte: Multilógica Shop (2017).

Os motores de passo constituídos por ímãs permanentes podem ser

unipolares ou bipolares. O motor unipolar possui dois enrolamentos por fase sendo

um para cada sentido. O motor bipolar tem um único enrolamento por fase, assim a

corrente precisa ser invertida a fim de inverter um polo magnético (BRITES; SANTOS,

2008).

Segundo Alciatore e Histand (2014), motores de passo podem ser

alimentados por duas fontes ou uma fonte de polaridade comutável, sempre em

corrente contínua. Por possuírem seu movimento controlado por pulsos que podem

ser programados em um método de contagem, dispensam realimentação, podendo

operar em sistema de malha aberta.

A polaridade do rotor é definida em função do ímã permanente nele presente.

A polaridade do estator é gerada em função da corrente que alimenta a bobina, pois

é uma magnetização induzida. Existem várias formas de ligação para os motores de

passo, que correspondem a maior ou menor torque, maior ou menor potência. Os

motores unipolares possuem polarização de corrente elétrica em um único sentido

para cada enrolamento da bobina, sendo necessárias fontes diferenciadas para

realizar a inversão. O motor bipolar possui sentido bidirecional de corrente que

proporciona maior torque por haver fluxo de corrente pela extensão completa da

bobina, enquanto no motor unipolar apenas o sentido em regime de trabalho

apresenta fluxo, partindo da derivação central da bobina (MICROCHIP, 2004).

A Figura 10 mostra a configuração esquemática das bobinas de um motor de

passo unipolar. O fluxo partindo da fonte 1 em direção ao terminal a induz a

32

magnetização de apenas parte da bobina, criando apenas um polo. A alteração do

fluxo para o terminal b causa a inversão da polaridade do eletroímã induzido na

bobina. Entretanto o sentido da corrente na fonte permanece o mesmo.

Figura 10 – Motor de Passo Unipolar Fonte: Electronica-pt (2018).

A Figura 11 mostra a configuração esquemática das bobinas de um motor de

passo bipolar. O fluxo partindo da fonte 1b em direção ao terminal 1a cria ambos os

polos no estator. A inversão da polaridade somente pode ocorrer com a inversão do

fluxo de corrente na fonte.

Figura 11 – Motor de Passo Bipolar Fonte: Electronica-pt (2018).

Pelo princípio da atração entre polos opostos o rotor tende a alinhar seus

polos aos opostos correspondentes induzidos no estator. Um circuito de controle de

corrente é necessário para induzir a geração dos polos de modo que o motor produza

o movimento desejado

Os circuitos de controle são montados de maneira a gerar os polos induzidos

no estator para produzir o movimento ou posicionamento solicitado no rotor. O polo

do rotor, seja ele norte ou sul, é atraído pelo seu oposto induzido no estator,

assumindo uma posição definida. Mesmo sem corrente o motor possui um torque em

33

regime parado em função do campo magnético do ímã permanente do rotor. Quando

a bobina do estator é energizada o polo gerado promove a atração magnética e o

motor atua em regime de freio ou trava. As comutações das bobinas reposicionam o

rotor de forma que produz movimento e torque. Alciatore e Histand (2014) explicam

que as ligações dos motores de passo são definidas pelos fabricantes por cores para

diferenciar as ligações das bobinas. Assim é possível estabelecer o método de

controle.

A Figura 12 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor

de passo em um modo de acionamento chamado passo completo, onde uma bobina

é polarizada de cada vez, ocasionando um passo integral ao rotor.

Figura 12 – Acionamento Passo Completo Fonte: Unesp (2018).

A Figura 13 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor

de passo em modo de acionamento chamado passo alto torque, onde duas bobinas

34

são polarizadas de cada vez, ocasionando um passo integral de alto torque ao rotor,

em função da atração magnética maior.

Figura 13 – Acionamento Alto Torque Fonte: Unesp (2018).

O método de acionamento mais comum é o acionamento meio passo. Com

este método a resolução dos passos executados pelo motor é maior, proporcionando

a realização de movimentos mais definidos e o posicionamento de parada mais

preciso.

As bobinas são polarizadas de maneira alternada entre passo pleno e alto

torque, ocasionando um passo intermediário ao rotor. Com isso se duplica a

quantidade de posições que o rotor pode assumir, ou seja, o número de passos.

Em todos estes acionamentos a indução magnética é realizada por corrente

integral fornecida pelos módulos de controle de motores de passo, executando ele

somente as comutações necessárias à movimentação do motor.

A Figura 14 mostra o esquema de ligação para o funcionamento de um motor

de passo em modo de acionamento chamado meio passo.

35

Figura 14 – Acionamento Meio Passo Fonte: Unesp (2018).

36

O modo de acionamento mais preciso é realizado por meio de micropassos. O

controle do avanço da rotação do motor ocorre através da transferência gradual de

corrente de uma bobina para outra (MICROCHIP, 2004). Essa transferência de

corrente gera uma corrente média que caracterizaria o modo halfdrive, contudo o

módulo responsável pelo controle do acionamento do motor regula a corrente em cada

par de bobinas adjacentes de forma que o rotor assume múltiplas posições, ou passos,

de acordo com a intensidade de fluxo magnético gerado em cada combinação.

A Figura 15 apresenta gráficos representando o comportamento das correntes

nas bobinas do motor de passo em modos fulldrive, halfdrive e micropasso,

respectivamente.

Figura 15 – Gráficos dos Comportamentos das Correntes Fonte: Fernandok (2018).

As bobinas adjacentes geram uma combinação de campos magnéticos que

possibilitam diversas posições angulares do rotor em função da relutância magnética.

A quantidade de posições é proporcional à quantidade de níveis de intensidade de

correntes que o módulo de controle consegue produzir.

2.3.1 Módulo de Controle para Motor de Passo

O acionamento do motor de passo é executado por um circuito de

processamento de sinal chamado Módulo de Controle. Este dispositivo é responsável

pelo controle do chaveamento das correntes que alimentam as bobinas do estator de

37

um motor de passo. Esse chaveamento determina o sentido e a intensidade de

corrente por meio de circuitos digitais (AKIYAMA, 2009).

Os módulos de controle operam de diversas maneiras, conforme o tipo de

motor, assumindo um circuito apropriado para cada aplicação. A Figura 16 mostra a

configuração de um módulo para acionamento unipolar, aplicados em motores de

passo unipolares.

Figura 16 – Módulo de Controle para Motor de Passo Unipolar Fonte: Akiyama (2009).

Esta configuração realiza a passagem de corrente pela metade das bobinas

do motor a cada pulso elétrico nas chaves C1 e C2. Desta forma o sentido da corrente

é constante. A corrente altera sentido quando as chaves opostas comutam, invertendo

o sentido do fluxo magnético e, consequentemente, a rotação do motor visto que os

polos são invertidos também (AKIYAMA, 2009).

O módulo de acionamento bipolar comuta um conjunto de quatro chaves em

uma configuração conhecida como Ponte H. Esta configuração possibilita a passagem

de corrente por toda a bobina do motor, produzindo maior torque. A corrente inverte o

sentido a cada comutação nas chaves C1, C4 e C2, C3, alternadamente (AKIYAMA,

2009).

A Figura 17 mostra a configuração de um módulo para acionamento bipolar,

aplicados em motores de passo bipolares.

Figura 17 – Módulo de Controle para Motor de Passo Bipolar Fonte: Akiyama (2009).

38

O sinal de passo é digital do tipo trem de pulsos, que deverá ter amplitude e

frequência limitadas conforme modelo do módulo de controle. Conforme se varia a

frequência do trem de pulsos a velocidade de rotação do motor de passo é alterada

(AKIYAMA, 2009).

A maioria dos módulos de controle de motores de passo possuem uma

terceira entrada de habilitação digital onde um sinal de nível baixo faz a interrupção

imediata do movimento, que pode ser usada como parada de emergência ou entrada

para uma chave fim de curso (AKIYAMA, 2009).

A disposição das bobinas em um motor de passo configura duas fases, por

onde circulam as correntes em sentidos opostos e que, portanto, geram os polos

opostos. Essas fases são geralmente designadas como A e B. Os terminais dos

enrolamentos destas bobinas são designados como A-A’ e B-B’, respectivamente.

Outras derivações são possíveis de acordo com o tipo de ligação adotado. Podem ser

derivações em aberto ou, como os terminais C. Os motores de passo possuem

arquiteturas construtivas que apresentam 4, 6 ou 8 terminais de ligação. De acordo

com esta arquitetura é possível fazer a ligação dos motores em modo unipolar, série

ou paralelo (AKIYAMA, 2009).

Uma conexão série promove um alto valor de indutância e com isto um melhor

torque em baixas velocidades, ao passo que uma conexão paralela produzirá um

perceptível aumento do torque em velocidades maiores (AKIYAMA, 2009).

2.4 MICROCONTROLADOR

Um microcontrolador corresponde a um microprocessador e seus periféricos

típicos, todos juntos em um único chip. Um microcomputador processa dados a partir

de um microprocessador com o auxílio de outros circuitos como memórias, timers e

controladores. Um microcontrolador possui integrados estes recursos em um único

circuito.

Segundo Alciatore e Histand (2014), microcontrolador é um circuito integrado

simples, contendo circuitos especialistas e funções aplicadas no desenvolvimento de

sistemas mecatrônicos. É dotado de um núcleo processador, onde se processam

cálculos lógicos e aritméticos, gerenciam-se memória e periféricos de entrada e saída

programáveis.

39

Fundamentalmente se trata de um componente eletrônico programável capaz

de executar programas desenvolvidos para controle de uma infinidade de propósitos.

Alciatore e Histand (2014) citam o microcontrolador como um dispositivo versátil, de

baixo custo, com tamanho reduzido e de fácil programação. É largamente utilizado em

aplicações domésticas, entretenimento, telecomunicações, assim como na indústria

automotiva, aviação, robótica e controle de processos.

Os microcontroladores são classificados em famílias, de acordo com a

arquitetura e tecnologia neles embutidos. São ainda categorizados conforme a

quantidade e capacidade dos recursos que apresentam (ATMEL, 2016).

A Figura 18 mostra uma placa Arduino Mega 2560 contendo um

microcontrolador AVR ATmega 2560, construído com a arquitetura Harvard

modificada, desenvolvida pela Atmel Corporation, que foi adquirida pela Microchip

Tecnology em 2016. Este é o sistema de processamento utilizado no projeto, pois

todos os membros da equipe possuem este modelo disponível, e o mesmo atende às

necessidades do projeto.

Figura 18 – Placa Arduino Mega 2560 Fonte: Arduino (2018).

A placa fornece circuitos apropriados para regulação de tensão, comunicação

via porta USB (Universal Serial Bus), proteção e comunicação entre dispositivos.

A estrutura do microcontrolador conta com pinos para a recepção e

transmissão de sinais. Estes pinos compõem conjuntos de portas, que podem ser de

entrada ou saída, em grupos digitais e analógicos. A maneira como estas portas irão

se comportar são definidas pela configuração de registros.

40

Existem pinos específicos para alimentação, interrupções, reset,

comunicação serial e modulação PWM (Pulse Widht Modulation). A diferença básica

entre um modelo de microcontrolador e outro é a quantidade de pinos disponíveis,

bem como a capacidade de hardware e software a eles disponíveis (ATMEL, 2016).

A arquitetura do microcontrolador é designada como RISC (Reduced

Instruction Set Computer), a qual é definida como dispositivo que tem a característica

de operar com um conjunto de instruções simples. O acesso a dados e instruções é

realizado via registradores ao invés de memórias (TANENBAUM; WETHERALL,

2011).

Diversos tipos de memória são responsáveis pelo armazenamento de dados,

instruções e processamento de informações em um programa rodando no

microcontrolador. Algumas das memórias mais comumente disponíveis são:

EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory), SRAM (Static

Random Access Memory) e Flash.

Os microcontroladores mais sofisticados contam ainda com módulos

conversores A/D (Analógico/Digital), comparadores analógicos e portas de

comunicação USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)

para transmissão bidirecional de dados em forma serial.

O núcleo de processamento (CPU) é responsável pelas operações aritméticas

e lógicas das instruções programadas que resultam no sistema de monitoramento e

controle em que o microcontrolador atua.

Na robótica os microcontroladores são amplamente empregados devido à sua

capacidade para controle de sistemas digitais, especificamente para o acionamento

de servomotores e motores de passo.

O Arduíno Mega 2560 possui 54 pinos de entrada e/ou saída digitais (dos

quais 15 podem ser usados como saídas PWM), 16 entradas analógicas, 4 portas

USART (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão

USB, conector de alimentação, um conector ICSP, e um botão de reset.

A Figura 19 apresenta o diagrama esquemático da arquitetura do

microcontrolador ATmega 2560, mostrando a disposição dos recursos em seu

barramento.

41

Figura 19 – Diagrama Esquemático do Microcontrolador ATmega 2560 Fonte: Alldatasheet (2018)

A programação do microcontrolador é feita via microcomputador através de

plataformas de programação. A linguagem empregada para isso é a Linguagem

C/C++.

As plataformas de programação são softwares dirigidos à programação de

microcontroladores, geralmente desenvolvidos pelos próprios fabricantes dos

componentes, que possuem uma série de bibliotecas já definidas, ou que podem ser

inseridas para que se possa implementar os recursos exigidos no programa a ser

carregado no microcontrolador.

O software é composto de uma interface que apresenta ferramentas para a

execução da escrita do programa, bem como recursos de verificação de erros. A

disponibilidade e sofisticação das ferramentas presentes é uma propriedade de cada

plataforma.

42

O compilador é parte integrante da interface e responsável pela conversão da

escrita do programa na estrutura binária equivalente que irá compor o conjunto de

instruções a ser executado pelo programa embarcado no microcontrolador.

O programa carregado em um microcontrolador é designado como firmware

e pode ser manipulado através do respectivo compilador, da mesma forma que um

programa desenvolvido para computador.

Existem plataformas específicas e genéricas. As específicas são direcionadas

a uma gama definida de microcontroladores. As genéricas destinam-se a qualquer

microcontrolador que seja integrante de uma mesma família (ATMEL, 2016).

A Figura 20 apresenta uma imagem da interface da Plataforma Arduino de

programação de microcontroladores. É uma plataforma específica desenvolvida para

microcontroladores Arduino.

Figura 20 – Interface da Plataforma Arduino Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 21 mostra uma imagem da interface da plataforma CodeVision AVR.

É uma plataforma genérica na qual se pode programar qualquer microcontrolador da

família AVR, ARM e alguns microprocessadores também.

43

Figura 21 – Interface da Plataforma CodeVision AVR Fonte: Ershivamgupta (2018).

2.5 CHAVES FIM DE CURSO

Chaves fim de curso são componentes eletromecânicos usados para abrir e

fechar conexões em circuitos (ALCIATORE; HISTAND, 2014). Consistem de um

comutador que pode ser simples ou duplo, alternando o percurso de um circuito

elétrico entre aberto e fechado.

Pode ser normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF). O tipo

simples possui apenas um contato que estará normalmente aberto ou normalmente

fechado, alternando seu estado por ocasião da comutação. O tipo duplo comuta

ambos os estados alternadamente por vias distintas. O acionamento pode ser feito

por pino, gatilho, roldana, haste, entre outros.

O contato pode gerar diversos picos de tensão durante o fechamento, pela

dinâmica da corrente elétrica nos contatos, provocando muitas transições de abertura

e fechamento em um efeito chamado bounce. Este efeito causa a interpretação

equivocada de um sinal por parte de sistemas digitais, fazendo o controle entender

que houve diversas comutações sucessivas quando na verdade somente ocorreu

apenas uma (ALCIATORE; HISTAND, 2014).

44

Devido ao efeito bounce, existe a necessidade de se implementar uma lógica

que processe a variação da tensão do sinal ao invés de seu nível. Existem várias

maneiras de prevenir este infortúnio por meio de circuitos ou estratégias conhecidas

como debounce.

A chave fim de curso é amplamente aplicada para delimitar o deslocamento

de mecanismos, servindo como dispositivo de segurança e também de

referenciamento.

A Figura 22 mostra a imagem e o esquema de funcionamento de uma chave

fim de curso de duplo contato.

Figura 22 – Chave Fim de Curso de Duplo Contato Fonte: Saladaeletrica (2018).

Os bornes, onde são feitas as ligações dos fios condutores do circuito, são

conectados aos contatos da chave. Outro contato está conectado a um pino com mola

ou é uma palheta que assume a função de mola. Uma haste recebe um acionamento

mecânico e causa o deslocamento dos contatos, comutando seu estado atual e

alterando o estado da tensão conduzida pelos contatos entre passando e

interrompida, enquanto o acionamento estiver presente. A mola ou palheta realizam o

retorno ao estado normal da chave por ocasião da retirada do acionamento.

2.6 SISTEMA SCADA

Um sistema de controle supervisório e aquisição de dados (SCADA) é um

software que se aplica ao monitoramento e controle de processos. Pode ser

representado como a tecnologia que permite um usuário coletar dados e enviar

instruções de controle a um dispositivo distante (BOYER, 2004). Inclui interface ao

operador e manipulação dos dados programados e proporciona controle em tempo

45

real. Boyer (2004) define o SCADA como um sistema de duas vias, que recebe dados

e envia comandos.

Segundo Ogata (2010), o sistema supervisório consiste em um conjunto de

programas gerados e configurados no software básico de supervisão, implementando

controle e supervisão, com interfaces gráficas que facilitam a visualização do estado

atual, a aquisição e processamento de dados, assim como a gerência de relatórios e

alarmes onde o controle de processos é aplicado.

Para Aihara et al. (2001) o sistema de supervisão é responsável pelo

monitoramento das variáveis de controle de um processo automatizado, para dar

subsídio ao operador em monitorar ou controlar esse processo.

Moraes e Castrucci (2012) apresenta a hierarquia dos processos em uma

empresa classificando as competências de cada nível e seu desempenho na cadeia

produtiva. O sistema supervisório é nivelado como o elo de ligação entre o controle

de processos e o gerenciamento industrial, caracterizado como nível 3. Os níveis de

gerenciamento dependem das informações coletadas e armazenadas no banco de

dados do SCADA, que estão relacionadas a todos os processos realizados pelos

níveis que comportam os elementos de controle automático das atividades da planta

e os elementos controláveis, como máquinas, atuadores e sensores. Significa que um

sistema supervisório serve também como ferramenta para otimização da utilização de

recursos, como equipamento e matéria-prima.

A Figura 23 ilustra a pirâmide de processos, de acordo com Moraes e

Castrucci (2012) em uma abordagem genérica da hierarquia de um sistema de

supervisão de uma empresa.

Figura 23 – Pirâmide de Processos Fonte: Adaptado de Moraes e Castrucci (2012).

46

Este conceito é designado por Coelho (2010) como hierarquia dos sistemas

de automação, no qual descreve as funções de operação e as funções de controle.

A Figura 24 mostra a interface homem-máquina (IHM) de um sistema de

climatização predial, gerado a partir de um software SCADA, para monitoramento e

controle do sistema.

Figura 24 – Interface Homem-Máquina de um Sistema de Climatização Predial Fonte: Idealhome (2017).

Coelho (2010) apresenta suscintamente os elementos de um sistema SCADA,

dos quais relaciona os componentes lógicos: núcleo de processamento, comunicação

com computadores e redes, gerenciamento de alarmes, banco de dados, históricos,

lógicas de programação interna ou controle, interface gráfica, relatórios, comunicação

com outras estações SCADA, comunicação com sistemas externos ou corporativos.

Apresenta também os elementos monitoráveis, como alarmes, registradores de

tendência, históricos e relatórios.

Assim como qualquer sistema programável, um supervisório trabalha com a

compilação de uma linguagem que utiliza recursos como tipos de variáveis, funções

ou blocos lógicos, operadores (ELIPSE, 2018).

A rede de comunicação é a plataforma por onde fluem as informações dos

dispositivos para o sistema SCADA (COELHO, 2010). Consiste na estrutura física que

compõe os recursos para tráfego de dados na forma de sinais elétricos.

47

As redes industriais são padronizadas por modelos e protocolos, com a

finalidade de integrar diferentes dispositivos em uma cadeia de processos, de modo

que se possa obter dados e executar tarefas a partir de uma central de controle, seja

ela local ou remota. O sistema de comunicação interconecta as informações dos

equipamentos presentes na planta e uma topologia conhecida como mestre- escravo,

ou cliente-servidor (SENAI, 2010).

A disposição física da infra-estrutura e seu interligamento assume algumas

topologias características que melhor atendem ao padrão da corporação onde está

instalada.

O padrão aplicado industrialmente é o Modelo OSI (Open System

Interconnect). Tanenbaum e Wetherall (2011) explicam que não se trata da

arquitetura de rede, mas da definição dos parâmetros exigidos para um funcionamento

padronizado, dentre os quais se determina capacidade de tráfego de informações,

velocidade, quantidade de dispositivos, distância, entre outros.

A Figura 25 mostra uma representação gráfica do Modelo OSI, com suas

camadas e respectivas funções. O sistema SCADA se enquadra na camada de

aplicação, pois trata-se do software que processará informações e os disponibilizará

ao operador ou gerente de um processo produtivo.

Figura 25 – Modelo OSI Fonte: Adaptado de SENAI (2010).

48

Tanenbaum e Wetherall (2011) expõem que os sistemas de redes atuam com

endereçamentos pelos quais os dados trafegam simultaneamente no mesmo meio

físico, por isso a necessidade de um controle de serviços, para o correto tráfego de

informação. Existem meios para determinar erros ou falhas no envio de mensagens,

evitando leituras ou interpretações erradas.

Todos os sistemas SCADA possuem ferramentas que configuram os

parâmetros de processamentos de dados de um sistema que está sendo monitorado

e controlado, para que as informações sejam inteligíveis e armazenáveis. O pacote

de dados fornecidos pelos dispositivos em campo e que trafegam pela rede consistem

de palavras binárias que precisam ser interpretadas para uma representação legível

para o operador ou gerente, na forma de imagem, valor numérico, texto, gráfico, entre

outros.

2.7 PROTOCOLO MODBUS

O Modbus é um protocolo de comunicação industrial que atua utilizando a

topologia mestre-escravo, podendo conter até 247 escravos na rede. A camada física

é definida como livre, de acordo com o modelo OSI, que se refere ao meio de

transporte dos dados da comunicação. Pode ser feito pelo meio físico de padrão

elétrico RS 485 (ÁVILA, 2008). Os modos de transmissão podem ser RTU (Remote

Terminal Unit) ou ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Estes

modos definem como os dados serão empacotados (ALFA INSTRUMENTOS, 2017).

A determinação do meio físico deve considerar a demanda de informações a

trafegar por ele, distância e blindagem contra interferências que podem ocasionar

erros na transmissão de dados. Quando dispositivos diferentes são conectados em

uma rede por vezes se faz necessário a inserção de conversores que regulam os

níveis de tensão e a forma de transmissão de pacotes de dados.

Os procedimentos definidos para transmissão e recepção de mensagens,

recuperação de erros e sincronismo entre equipamentos são tratados na camada de

enlace que caracteriza o vínculo de dados conforme o modelo OSI, definindo início e

término da mensagem, endereçamento, função (requisição ou ordem), dados e

verificação de erros (ALFA INSTRUMENTOS, 2017).

49

A formação da palavra de dados, definida como framing, consiste em

caracteres hexadecimais, que formam uma mensagem que transporta informações

sobre as configurações da rede e os dados de processo requeridos pelo mestre (ALFA

INSTRUMENTOS, 2017).

Os erros de mensagens são detectados por diferentes métodos que são

implementados no framing, conferidos no escravo quando solicitação e no mestre

quando resposta. Se detectado algum erro a mensagem é descartada e solicitado

reenvio (ALFA INSTRUMENTOS, 2017).

No modo ASCII cada palavra da mensagem é transmitida por dois caracteres

no padrão ASCII. A mensagem possui caracteres que definem início e término da

mesma (VILELA, 2013).

A Figura 26 mostra o esquema de uma mensagem enviada pelo protocolo

Modbus em modo ASCII.

Figura 26 – Mensagem do Protocolo Modbus ASCII Fonte: Ávila (2008).

Após enviada a palavra de início de mensagem (start) pode ocorrer um

intervalo de até 1 segundo entre as palavras. Caso esse tempo seja maior o escravo

assume ocorrência de erro.

O modo RTU transmite suas palavras em padrão hexadecimal e distingue

suas mensagens por um intervalo de 3,5 caracteres, cujo tempo está em função do

número de bits da mensagem pela taxa de transferência (VILELA, 2013).

A Figura 27 mostra o esquema da mensagem do protocolo Modbus em modo

RTU.

Figura 27 – Mensagem do Protocolo Modbus RTU Fonte: Ávila (2008).

50

Contudo o pacote de dados que compõe a mensagem deve ser enviado de

maneira contínua, não podendo exceder um intervalo maior que 1,5 caractere de

dados. Caso ocorra a mensagem será descartada por caracterizar erro. Da mesma

forma se uma nova mensagem for iniciada antes do intervalo de 3,5 caracteres, haverá

erro, porque o escravo assumirá que se trata da continuação da mensagem anterior

(ALFA INSTRUMENTOS, 2017).

O framing é composto por campos, que abrigam caracteres, ou palavras, que

definem o funcionamento da mensagem. O campo endereço indica qual escravo está

sendo solicitado, sendo que o endereço 0 é reservado para acesso geral (broadcast).

O campo função é responsável por definir ao escravo qual é o processo a ser

executado, como leitura, escrita ou ativação, por exemplo. O campo de dados

transmite a mensagem propriamente dita, contendo as informações fornecidas do

escravo ao mestre ou as instruções fornecidas do mestre ao escravo (ALFA

INSTRUMENTOS, 2017).

O campo de checagem da mensagem verifica a integridade da mensagem

transmitida ou recebida. Um dos métodos é o da paridade, onde é conferida a

quantidade de bits em nível 1 na mensagem. Transmissor e receptor da mensagem

precisam estar configurados na mesma lógica (ALFA INSTRUMENTOS, 2017).

A checagem LRC (Longitudinal Redundancy Check) é aplicada na mensagem

em modo ASCII. Consiste, fundamentalmente, no cálculo do conteúdo dos campos da

mensagem que resulta em caracteres que são integrados à mensagem em ordenação

definida, de modo que mestre e escravo possam comparar o resultado para verificar

que as palavras da mensagem não foram alteradas em algum momento (ALFA

INSTRUMENTOS, 2017).

A checagem CRC (Cyclical Redundancy Check) é aplicada na mensagem em

modo RTU. Consiste em um cálculo realizado de forma semelhante à checagem LRC,

mas que considera a mensagem como um todo, e não como palavras distintas. Da

mesma forma o caractere resultante é integrado à mensagem. O receptor recalcula o

caractere integrado e o compara para validar ou não a mensagem (ALFA

INSTRUMENTOS, 2017).

O protocolo Modbus foi empregado para o projeto da MMC pela sua

versatilidade ao ser aplicada em ambiente industrial utilizando o padrão RS 485.

51

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

O desenvolvimento do projeto envolveu tecnologias relacionadas a disciplinas

de mecânica, eletrônica e programação. Cada área foi desenvolvida de maneira

independente e a integração delas ocorreu gradualmente à medida que as etapas da

construção física foram sendo concluídas. Após a conclusão da construção foram

realizados os testes e ensaios com a finalidade de validar o propósito do projeto.

3.1 PROJETO CONCEITUAL

No projeto conceitual foram definidos os materiais a serem empregados,

componentes comerciais, plataformas de projeto e programação. Também foi definida

proposta de projeto e analisados os prazos possíveis e o custo estimado.

Optou-se por construir uma estrutura rígida em alumínio e nylon, empregar

motores de passo para o acionamento com transmissão direta via pinhão e

cremalheira e o respectivo módulo de controle de motores de passo, placa Arduino

com o microcontrolador ATmega 2560 para controle e acionamento, o programa

Elipse SCADA como sistema supervisório e o protocolo Modbus para a rede de

comunicação.

A estrutura do protótipo foi idealizada em um carro superior contendo uma

régua de deslocamento vertical, sobre uma ponte transversal que fica apoiada em

uma mesa rígida, permitindo os três graus de liberdade necessários para um

mecanismo de deslocamento tridimensional.

3.2 PESQUISA E ESTUDO SOBRE AS TECNOLOGIAS EMPREGADAS

Com a definição da parte estrutural e das tecnologias envolvidas no

mecanismo, acionamento e controle da mesa, foi realizada uma revisão técnica dos

conhecimentos relacionados aos componentes a serem empregados.

O estudo visou definir os procedimentos mais adequados e econômicos para

o desenvolvimento do projeto. Também por ocasião do estudo, foram produzidas as

52

fundamentações teóricas da proposta de projeto e deste relatório. A revisão

bibliográfica consistiu em rever conceitos de projeto assistido por computador,

mecânica geral, resistência dos materiais, engenharia dos materiais, sistemas

mecânicos, elementos de máquinas, processos de fabricação, circuitos elétricos,

eletrônica, acionamentos, sistemas microcontrolados, sistemas supervisórios, redes

industriais, programação e teoria de controle.

Foram realizadas, ainda, pesquisas relacionadas a trabalhos similares já

concluídos, envolvendo consultas a monografias, artigos técnicos e relatórios de

trabalhos técnicos.

3.3 MODELAGEM VIRTUAL DA ESTRUTURA

A estrutura mecânica foi idealizada e projetada via software SolidWorks 2013

SP5, seguindo a forma construtiva de um pórtico padrão. A estrutura física da MMC

consiste em:

a. Mesa;

b. Carro Transversal;

c. Carro superior;

d. Régua porta ferramentas

e. Apalpador.

A estrutura é formada por um carro superior movimentando transversalmente

sobre um segundo carro que está sobre uma mesa. A mesa compõe a base fixa de

toda a estrutura. Ela está apoiada sobre uma base em chapa de nylon que está dotada

de pés ajustáveis que possibilitam o nivelamento da máquina. O carro inferior se

desloca sobre trilhos guias da mesa. Sobre este carro se desloca o carro superior em

sentido transversal, de igual maneira por trilhos guias. O carro superior possui uma

régua de deslocamento vertical (sentido altitudinal), cumprindo o deslocamento

tridimensional do equipamento ferramenta.

As Figuras 28 e 29 mostram o modelo tridimensional virtual desenvolvido

para a construção da mesa cartesiana.

53

Figura 28 – Modelo Tridimensional Virtual da Mesa Cartesiana Fonte: Autoria própria (2018).

Figura 29 – Modelo Tridimensional Virtual da Mesa Cartesiana – vista traseira Fonte: Autoria própria (2018).

54

O mecanismo de deslocamento do carro transversal foi definido pelo

acionamento de dois motores de passo que atuam sincronizadamente, eliminando a

necessidade de um longo eixo de transmissão que pode sofrer torção e comprometer

o deslocamento paralelo das bases do carro.

A estrutura da mesa foi projetada com perfis em alumínio com formato que

oferece baixo peso e contém guias apropriadas aos rolamentos dos carros.

As estruturas em nylon acomodam a base dos carros e elementos do

mecanismo de deslocamento, os motores de passo e as cremalheiras. As estruturas

laterais da mesa foram projetadas com um conjunto de dois perfis de cada lado,

visando fornecer resistência a forças de torção causadas pelo carro transversal. A

modelagem da mesa foi executada peça a peça para posteriormente ser montada,

adequando os ajustes necessários para o correto funcionamento mecânico. A cada

peça foi atribuída a configuração de material para que o programa de modelagem

possa executar ensaios e cálculos a fim de fornecer informações pertinentes ao

comportamento mecânico da estrutura. Este recurso também fornece uma

representação gráfica.

A Figura 30 apresenta o modelo virtual da mesa montada.

Figura 30 – Modelo Virtual da Mesa Montada Fonte: Autoria própria (2018).

55

Os perfis estão unidos por cantoneiras e uma junção em nylon posiciona perfis

paralelos formando as guias laterais do carro transversal. Perfis e tampas de

policloreto de polivinila (PVC) são usados para acabamento. As cantoneiras estão

firmemente fixadas por conjunto de fixação composto por parafusos Allen de cabeça

cilíndrica com sextavado interno DIN 912 M6 x 30 classe 12.9, arruelas de pressão

DIN 127 M6 e porcas sextavadas DIN 934 M6 classe 8.

O carro transversal é montado sobre bases de nylon que acomodam os

motores. Possui, também, dois perfis paralelos que são os trilhos guias do carro

superior. Dois perfis chatos estriados nas extremidades são aplicados para a fixação

dos motores, da mesma maneira que na lateral do carro superior. O carro se move

sobre rolamentos radiais de uma carreira de esferas 6002 2RS, que foram montados

sob pressão em eixos de nylon.

A Figura 31 apresenta o modelo virtual do carro transversal. É previsto nele o

posicionamento das chaves fim de curso para o carro superior.

Figura 31 – Modelo Virtual do Carro Transversal Fonte: Autoria própria (2018).

O carro superior foi todo projetado em peças de nylon montadas e fixas com

parafusos Allen de cabeça cilíndrica com sextavado interno DIN 912 M5 x 20 classe

12.9. Os rolamentos utilizados são do mesmo modelo já especificado. Em ambos os

56

casos ele se aloja muito bem na guia dos perfis da estrutura, com uma folga de 0,2

mm. A estrutura do carro superior aloja uma régua de deslocamento vertical que é

guiada por seis rolamentos 685 2Z. Os rolamentos guias da régua são montados em

pinos usinados em aço prata SAE 52100.

A Figura 32 apresenta o modelo virtual do carro superior.

Figura 32 – Modelo Virtual do Carro Superior Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 33 mostra o modelo virtual da régua, que consiste na régua porta

ferramentas da máquina. A cremalheira montada nela é replicada do modelo

comercial empregado (detalhe em azul).

Figura 33 – Modelo Virtual do Porta Ferramentas Fonte: Autoria própria (2018).

57

Dois pinos em aço prata SAE 51200 são posicionados para atuar como

limitadores mecânicos do curso do deslocamento da régua.

Os motores são posicionados de forma executar a transmissão do pinhão com

a cremalheira. O pinhão também é replicado a partir do modelo comercial adotado,

que é ajustado com a cremalheira. Está diretamente acoplado ao eixo do motor por

um acoplamento projetado e usinado em aço carbono SAE 1020. A fixação é realizada

por adesivo anaeróbico.

O motor de passo também é replicado a partir do modelo comercial

empregado no projeto. A Figura 34 apresenta a réplica virtual do motor com o pinhão

acoplado.

Figura 34 – Réplica do Motor de Passo e Pinhão Acoplado Fonte: Autoria própria (2018).

Após concluída a modelagem virtual tridimensional os materiais foram

adquiridos e deu-se início ao processo de fabricação e montagem dos conjuntos. Não

foram gerados os desenhos técnicos nem o detalhamento das peças modeladas,

sendo a fabricação executada tão somente a partir dos dados constantes na

modelagem tridimensional. Para isso foram utilizadas as ferramentas de avaliação do

software de modelagem, verificando dimensões, posicionamentos e limites. As

especificações dos materiais também constam nos modelos.

58

3.4 CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DA ESTRUTURA

Os componentes da estrutura foram fabricados conforme as dimensões

previstas em projeto e com os materiais designados, não tendo sido necessária

nenhuma alteração. A montagem pode ser executada sem maiores dificuldades,

sendo prevista a necessidade de ajustagem para a montagem de rolamentos e

pinhões, que requerem interferência.

Os processos de fabricação envolvidos incluem: corte, fresamento, furação,

rebaixamento, lixamento, conformação, usinagem, roscamento, ajustagem,

montagem, fixação e colagem.

O ajuste adotado para a montagem dos rolamentos dos carros foi a de padrão

m6 da norma NBR 6158 da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Os

rolamentos da régua e os acoplamentos dos pinhões foram montados com ajuste no

padrão k6 da norma NBR 6158.

As Figuras 35 e 36 mostram a estrutura da mesa construída.

Figura 35 – Estrutura da Mesa Construída Fonte: Autoria própria (2018).

59

Figura 36 – Vista Lateral da Estrutura Construída Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 37 mostra o engrenamento do conjunto pinhão cremalheira. A

Figura 38 mostra as guias do porta ferramentas do carro superior.

Figura 37 – Detalhe do Engrenamento do Conjunto Pinhão Cremalheira Fonte: Autoria própria (2018).

60

Figura 38 – Detalhe das Guias do Porta Ferramentas do Carro Superior Fonte: Autoria própria (2018).

3.4.1 Projeto e Construção do Apalpador

O apalpador de uma MMC possui conceitos construtivos relativamente

simples, mas que requerem um funcionamento muito preciso, e são constituídos de

materiais de alto custo.

A idealização do apalpador foi direcionada para algo de simples

funcionamento, que atendesse a necessidade de executar a leitura de uma posição,

visto que o maior empenho do projeto consistiu em integrar as tecnologias.

A solução pensada para o apalpador foi o de envio de sinal por curto circuito.

Através do toque do apalpador energizado com uma tensão elétrica, fecha-se um

curto circuito com o mensurando, que é posicionado em um sistema de fixação

conectado a uma diferença de potencial. O sinal passa a ser transmitido ao sistema

de controle que executa o retorno do atuador e o registro das coordenadas. Logo, o

apalpador precisa ser metálico e o mensurando também, o que limita a MMC a

executar medições em mensurandos metálicos, apenas.

A Figura 39 mostra o modelo virtual do apalpador desenvolvido para a MMC.

61

Figura 39 – Modelo Virtual do Apalpador Fonte: Autoria própria (2018).

O dispositivo consiste em uma ponteira em aço cromo vanádio SAE 6150,

embutido em uma bucha de nylon, fixos por uma abraçadeira em alumínio. A

abraçadeira é fixa à régua porta ferramentas por parafusos e porcas.

A bucha acomoda um parafuso de fenda utilizado para a conexão com o

condutor de tensão que energiza a ponteira para o contato com o mensurando.

A Figura 40 mostra a ponteira construída e instalada na MMC.

Figura 40 – Apalpador da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

O aço empregado na ponteira é justificado por sua elevada resistência ao

desgaste por sua alta dureza, assim como uma ótima resposta contra deflexão pelo

62

esforço ao contato com o mensurando, minimizando erros de medição. O material

também possui ótimas propriedades de resistência a corrosão e oxidação, mantendo

sua geometria e aparência.

3.5 PROJETO ELETRÔNICO

A etapa do projeto eletrônico foi executada para definir o meio de acionamento

dos mecanismos de deslocamento da máquina.

Devido ao fato de ser comum desenvolver mecanismos semelhantes para

máquinas que trabalham com canetas acopladas à régua porta ferramentas,

considerou-se pensar em algo diferente. Assim a ideia foi construir uma Máquina de

Medir por Coordenadas (MMC).

Esta ideia favoreceu a programação do sistema de controle no sentido de que

era desnecessário implementar uma lógica matemática para a interpolação de eixos,

contudo era preciso uma lógica para trabalhar com valores a serem armazenados em

memória, para representar as coordenadas de uma medição e as medidas

propriamente ditas.

Com esta definição foram necessários estudos adicionais, tanto para compilar

a fundamentação teórica como para desenvolver o projeto em si.

A determinação dos eixos cartesianos visa definir qual a orientação do

deslocamento da máquina e o referenciamento para o sistema de coordenadas e as

medições. Também impacta na construção do circuito eletrônico e, sobretudo, na

programação do sistema de controle e do sistema supervisório. Além do mais, o

conceito empírico de qualquer mecanismo de deslocamento bidimensional ou

tridimensional, com ou sem monitoramento, exige a definição de sua forma de

trabalho.

O modelo adotado foi o mais comumente encontrado na indústria, tanto em

máquinas de medir como em máquinas operatrizes em geral, como centros de

usinagem ou fresadoras. Contudo, conforme mencionado anteriormente na

fundamentação teórica, esta definição é arbitrária.

A Figura 41 mostra a disposição dos eixos cartesianos do sistema de

coordenadas da MMC.

63

Figura 41 – Sistema de Coordenadas da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

O sistema de coordenadas determina o modo de funcionamento da MMC com

relação ao acionamento, controle e monitoramento das medições. O deslocamento

destes eixos, executados por motores de passo, foi configurado com dois motores

para o eixo Y, visando eliminar a necessidade de uma longa barra de transmissão.

Após a definição dos conceitos supra citados foi elaborado um diagrama de

blocos para representar o circuito eletrônico da MMC

A Figura 42 apresenta o diagrama de blocos do circuito eletrônico projetado

para a MMC. Este diagrama tem por finalidade facilitar a compreensão da disposição

e funcionamento dos componentes. A partir do diagrama o projeto eletrônico foi

desenvolvido.

EIXO Z

64

Figura 42 – Diagrama de Blocos do Circuito Eletrônico da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

3.5.1 Seleção dos Componentes do Circuito Eletrônico

Os motores de passo foram tomados como ponto de referência para a

determinação de dimensionamento do circuito eletrônico, visto que são os

componentes responsáveis pela conversão de energia do mecanismo. Por serem

componentes que dispendem maior potência no circuito, toda a demanda deve ser

dimensionada para suportar as solicitações deles.

O eixo Y realiza o deslocamento por dois motores de passo híbridos modelo

42SHD0001-24 de 200 passos, que apresenta torque de 3,5 kgf.cm, alimentado por

tensão de 12 V com 400 mA de corrente nominal.

Os eixos X e Z são acionados por um motor de passo cada. São motores de

passo híbridos modelo 17HD4411-12, com as mesmas características do anterior.

Sendo assim, o cabeamento recomendado para esta demanda é de

condutores com vias de 0,5 mm² com isolamento em PVC. Foram empregados

jumpers com terminais para a conexão de componentes e placas. Condutores com

vias de 0,5 mm² suportam correntes de até 7 A.

65

Em função da demanda para os motores, foi selecionado o módulo de controle

DRV8825, que opera de 8,2 a 45 V, fornecendo corrente de até 2,5 A. Esse módulo

permite o modo de acionamento em micropasso, podendo produzir até 32

micropassos para cada passo do motor. Para o caso de um motor de 200 passos são

produzidos 6400 micropassos. A tensão de sinal é de 3,3 a 5 V. O controle do motor

ocorre por módulo PWM (Pulse Width Modulation).

Um módulo de controle foi empregado para cada eixo da MMC, apesar do

eixo Y atuar através de dois motores, o módulo suporta fornecer a corrente drenada

pelos dois, não sendo necessário um módulo para cada motor, mas simplesmente a

derivação das correntes de operação, que atuam de forma sincronizada, fazendo com

que os motores trabalhem com deslocamento idêntico.

A Figura 43 apresenta o módulo de controle para motor de passo DRV 8825

e seu esquema de ligação para controle de um motor de passo bipolar. O acionamento

de motores de passo híbridos é realizado de forma semelhante.

Figura 43 – Módulo para Controle de Motor de Passo DVR 8825 Fonte: Reprag ( 2018).

O sistema de controle da MMC é realizado pela placa Arduino contendo o

microcontrolador ATmega 2560. Ele é responsável por fornecer os pulsos ao módulo

de controle de motor de passo, controlar o mecanismo de deslocamento, monitorar o

sinal do apalpador e transmitir os dados ao sistema supervisório via protocolo Modbus

A transmissão dos dados é feita de forma serial através dos módulos de

comunicação USART utilizando os pinos Rx/Tx da placa Arduino. Os módulos USART

enviam sinais em nível TTL, por isso, para que sejam compatíveis com o protocolo

Modbus precisam ser convertidos ao padrão RS 485. Os dados trafegam do

microcontrolador para um microcomputador, e vice-versa. O cabo RS 485 apenas

torna possível embarcar outros dispositivos ou escravos na rede e prolongar

66

significativamente a distância de transmissão dos dados podendo chegar a 1200

metros. Entretanto os dados podem ser igualmente transmitidos sem esta conversão,

mas para distâncias de no máximo 45 metros.

A Figura 44 mostra o conversor TTL/RS485

Figura 44 – Conversor MAX485 Fonte: Autoria própria (2018).

Para ser conectado ao microcomputador uma rede de dados em padrão RS

485 precisa de um conversor USB/RS 485, ou precisa ter uma placa de rede com a

pinagem serial no padrão RS 485.

A Figura 45 apresenta o conversor USB/RS485 empregado na comunicação

da MMC.

Figura 45 – Conversor USB/RS 485 Fonte: Autoria própria (2018).

Os monitoramentos dos processos de medição são apresentados em um

mostrador LCD (Liquid Crystal Mostrador) 20X4, conforme ilustra a Figura 46. Ele foi

empregado para apresentar os valores das coordenadas e medições, assim como o

processo em andamento.

67

Figura 46 – Mostrador LCD 20X4 Fonte: Autoria própria (2018).

Um teclado de controle foi montado em matriz de contatos, utilizando botões

interruptores e quatro LED aplicados como indicadores de funções em execução. O

diagrama apresentado na Figura 47 indica as funções indicadas.

Figura 47 –Teclado de Controle da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

3.5.2 Projeto Eletrônico para Integração dos Componentes

O circuito foi projetado em software de desenho, utilizando o AutoCAD 2007

versão SP1. O Apêndice A mostra o diagrama esquemático do circuito projetado.

68

O projeto visa detalhar o circuito que integra os componentes para o

funcionamento do acionamento e do sistema de controle da MMC. Não contempla o

detalhamento das placas do microcontrolador, módulos e conversores.

Os componentes selecionados para a montagem do circuito, conforme

descritos anteriormente, atendem a demanda dos processos realizados pela MMC. O

projeto eletrônico foi dimensionado de acordo com estes componentes.

A implementação dos módulos de controle de motor de passo empregados

para o mecanismo de deslocamento da MMC exigiu o desenvolvimento de uma placa

de circuito impresso (PCI). A finalidade é integrar em uma mesma adaptação física

todos os módulos utilizados e centralizar os componentes responsáveis pelo controle

de deslocamento.

Esta PCI também foi projetada em Auto Cad 2007 SP1. A Figura 48 mostra o

projeto do PCI aplicado à integração dos módulos de controle dos motores de passo.

Figura 48 – Projeto da Placa de Circuito Impresso Fonte: Autoria própria (2018).

O desenho das trilhas foi desenvolvido considerando a disposição dos

componentes sobre a placa, representando o circuito necessário para a transmissão

dos sinais necessários ao funcionamento do mecanismo de deslocamento. Depois de

verificada a correta configuração das trilhas, visando atender a demanda de corrente

necessária, o desenho foi espelhado para poder ser impresso em papel fotográfico e

servir como matriz para o decalque do desenho do circuito na placa.

Concluída a etapa de projeto do circuito eletrônico se deu início à fabricação

da PCI projetada e montagem e integração dos componentes.

69

3.5.3 Fabricação da Placa de Circuito Impresso

Os itens utilizados para a fabricação da placa foram: percloreto de ferro,

esponja de aço, caneta para retroprojetor, placa fenolite, ferro de solda, fluxo de solda

em pasta, ferro de passar roupa, perfurador e estanho.

Para fixação dos módulos de controle e demais pinos foram empregados

pinos conectores fêmea.

A placa foi fabricada pelo método de impressão térmica, o desenho do circuito

foi desenvolvido no programa AutoCAD 2017.

A placa fenolite foi polida com esponja de aço para adquirir aparência

brilhante. O objetivo desse procedimento é favorecer o decalque do desenho do

circuito impresso projetado. O desenho foi impresso em papel fotográfico A4 180 g

Glossy. Posicionado sobre a placa fenolite procedeu-se a transferência do desenho

pelo método térmico utilizando um ferro de passar roupa na temperatura máxima,

durante aproximadamente 20 minutos em toda área da folha, seguido do resfriamento

da placa. Após o resfriamento da placa o papel foi removido deixando o decalque das

trilhas do circuito, conforme desenhado. As falhas foram corrigidas com a utilização

da caneta para retroprojetor.

Em seguida foram executadas as furações com auxílio do perfurador, nos

pontos definidos para conexão. Após a perfuração a placa foi mergulhada no

percloreto de ferro permanecendo submersa até corroer o cobre exposto. Com a

conclusão deste processo, ficou revelada na placa fenolite o circuito projetado no

software de desenho. As trilhas da placa foram estanhadas com auxílio do fluxo de

solda em pasta e estanho. Após a placa ter sido estanhada foram inseridos os

conectores fêmea no circuito impresso, executando-se a soldagem com auxílio do

ferro de solda.

A placa foi montada com a pinagem configurada para a conexão dos módulos

de controle dos motores de passo, formando slots, possibilitando a integração simples

dos motores de passo a serem controlados.

A Figura 49 mostra a Placa de Circuito Impresso fabricada para o acoplamento

dos módulos de controle dos motores de passo DVR 8825.

70

Figura 49 – Placa de Circuito Impresso para os Módulos de Controle DVR 8825 Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 50 apresenta a conexão dos módulos DRV 8825 acoplados à placa,

sendo um aplicado para cada eixo do mecanismo de deslocamento da MMC.

Figura 50 – Módulos de Controle DVR 8825 Acoplados à Placa Fonte: Autoria própria (2018).

Nesta mesma placa foi acoplado um regulador de tensão LM 7809 que, ligado

à fonte de 12 V com capacitores de 100 nF em paralelo, regula a tensão do circuito

posterior em 9 V, para alimentar a placa Arduino. O sinal de controle dos módulos

DRV 8825 é de 5 V, fornecido pela placa Arduino, assim como a tensão de

alimentação e sinais do teclato e mostrador LCD.

71

No Apêndice A são apresentados os detalhamentos do circuito visando a

visualização das conexões realizadas no circuito eletrônico da MMC. Desta maneira

é possível identificar os pontos de ligação de cada componente e verificar a forma de

integração entre eles. Também é possível comparar as portas utilizadas no

microcontrolador com a programação definida para ele.

O esquema de ligação do regulador de tensão está contemplado no diagrama

esquemático apresentado e detalhado no Apêndice A.

Os detalhamentos da ligação dos motores de passo aos seus respectivos

módulos de controle também estão detalhados, assim como os conversores

empregados para a conversão de sinal utilizado na comunicação entre o sistema de

controle da MMC e o microcomputador que apresenta o sistema supervisório.

3.6 MONTAGEM DO CIRCUITO ELETRÔNICO

O circuito eletrônico foi montado de acordo com o projeto utilizando fios

condutores de 0,5 mm com terminais. Os terminais formam conexões que podem ser

facilmente conectados e desconectados. Em algumas conexões foram aplicados fios

curtos designados como jumpers. Algumas conexões foram executadas por processo

de soldagem em estanho, por necessitarem ser permanentes e garantidas.

Os motores de passo foram posicionados conforme o projeto mecânico. As

chaves fim de curso nas extremidades do curso de deslocamento de cada eixo da

máquina. O cabeamento necessário para a ligação destes componentes é protegido

e guiado por esteiras porta-cabos. Elas visam conduzir os cabos ao longo do

deslocamento dos carros uma vez que os motores dos eixos se deslocam juntamente

com os carros.

A Figura 51 mostra a instalação elétrica da estrutura da MMC, com a ligação

dos motores de passo e chaves fim de curso. Mostra também a disposição da esteira

porta cabos no equipamento.

72

Figura 51 – Instalação Elétrica da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 52 apresenta as ligações da placa Arduino realizadas

provisoriamente para a execução de testes da programação.

Figura 52 – Ligações da Placa Arduino Fonte: Autoria própria (2018).

73

O mostrador LCD também foi conectado através de uma matriz de contatos

com o objetivo de mostrar os resultados dos processos de medição e também das

etapas de execução do programa embarcado no microcontrolador. A pinagem do

mostrador foi soldada em um slot para facilitar sua conexão e remoção do circuito da

MMC

A Figura 53 apresenta o mostrador LCD conectado à matriz de contatos. Esta

implementação foi realizada para ensaiar o funcionamento do sistema de controle da

MMC, visto que, até então, ainda não se havia sido desenvolvido o sistema

supervisório, logo o mostrador assume a função de interface.

Figura 53 – Mostrador LCD Conectado ao Matriz de Contatos Fonte: Autoria própria (2018).

Os módulos DRV 8825 foram conectados à placa Arduino de modo a ativar

todos os bornes do controle de micropasso, proporcionando a maior resolução

possível, contendo 6400 micropassos

Em outra matriz de contatos foi implementado um circuito de controle manual

utilizando-se chaves eletromecânicas tipo botão. Consistem de interruptores manuais

utilizados para executar o chaveamento de sinais. No projeto da MMC foram

implementados como chaves para o controle do acionamento dos motores de passo,

via placa Arduino, executando comando de avanço e retrocesso de cada eixo,

independentemente.

A PCI contendo os módulos de controle de motor de passo e a placa Arduino

foram acomodadas em um caixa. Todo o circuito de controle e o circuito de

acionamento foi estruturado conforme mostra a Figura 54.

74

Figura 54 – Circuito de Controle e Acionamento da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

O desenvolvimento do circuito até este ponto não contemplou, ainda, o

sistema de comunicação com o microcomputador. Com o circuito montado desta

forma, procedeu-se ao desenvolvimento da programação do microcontrolador, ou

seja, o firmware.

3.7 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR

A placa Arduino é o componente responsável pelo controle do acionamento

MMC, assim como o fornecimento dos dados do deslocamento que serão

processados pelo sistema supervisório. A placa assume a função de escravo no

sistema de comunicação da MMC.

Esta placa, que contém o microcontrolador ATmega 2560, é programável em

Linguagem C. A plataforma de programação empregada foi o CodeVision AVR,

embora algumas funções para testes tenham sido programadas em plataforma

Arduino IDE (Integrated Development Environment). Esta estratégia teve por

75

finalidade facilitar a verificação da confiabilidade do sistema de monitoramento e

controle por parte do sistema supervisório.

A ferramenta CodeVision Wizard foi utilizada para definir as configurações de

entrada e saída do microcontrolador e também as demais funções de comunicação,

interrupções e processamento de dados. As declarações de variáveis e definições de

parâmetros foram inseridas de acordo com o avanço do desenvolvimento do

programa.

Inicialmente a programação atuava apenas no acionamento dos motores de

passo para o mecanismo de deslocamento. Os pulsos gerados pelo microcontrolador,

fornecidos aos módulos de controle de motor de passo, produzem a rotação dos

motores de acordo com a direção e número de rotações definidas. O sistema de

controle do deslocamento via matriz de contatos foi implementado e testado,

juntamente com as chaves fim de curso. Os eixos deslocam-se individual e

independentemente, isto é, não foi implementado recurso de interpolação entre os

eixos.

Após concluída a etapa de desenvolvimento do controle do mecanismo de

deslocamento, foi determinada a maneira de efetuar as medições em uma peça. A

MMC atua em dois modos de operação, sendo uma pela medição da peça

propriamente dita e outra por coordenadas.

Ambos os modos realizam o monitoramento do deslocamento pela contagem

dos pulsos fornecidos aos módulos de controle. A razão da medida do deslocamento

foi tomada com base na fração do deslocamento executado por cada passo do motor.

O funcionamento da MMC consiste em duas etapas. Na primeira etapa é

executada a gravação dos deslocamentos via teclado, na segunda a execução dos

deslocamentos gravados.

Ao ser ligada, a MMC não reconhece seu posicionamento dentro do seu

espaço de atuação. A função de inicialização executa o referenciamento do sistema

de coordenadas da máquina por meio das chaves fim de curso. Ao executar o

deslocamento dos eixos no sentido de retorno, as chaves fim de curso determinam o

ponto zero de cada eixo.

A gravação dos pontos de deslocamento é realizada pelo acionamento via

teclado. A contagem dos pulsos fornecidos aos motores é registrada em vetores toda

vez que um deslocamento é executado. Cada novo deslocamento, ainda que seja a

continuação do anterior é registrado no vetor seguinte. A contagem inicia com o

76

acionamento do respectivo botão juntamente com o movimento do motor a ele

associado. Quando interrompido este acionamento o número de pulsos relativos ao

deslocamento é registrado no vetor. Desta maneira o movimento pode ser replicado

de forma autônoma executando, via programa do microcontrolador, os deslocamentos

registrados nos vetores, qualquer que seja sua distância ou direção.

A contagem dos pulsos que determinam a direção ou o sentido do

deslocamento, é realizada por lógica de incremento e decremento. Ao tocar o

mensurando, o apalpador interrompe o deslocamento indicando um ponto de toque.

Este ponto torna-se referência para uma coordenada de medição, assim como os

demais que forem realizados. Depois de gravados todos os pontos desejados, os

movimentos são replicados automaticamente.

A Figura 55 apresenta o exemplo de uma trajetória, dando uma ilustração de

como os movimentos são executados,

Figura 55 – Exemplo de Trajetória da MMC Fonte: Autoria própria (2018).

Cada movimento, ou deslocamento, está programado em uma variável,

conforme mostra a Figura 55, as quais definem qual é o motor que irá atuar e em qual

sentido de rotação. A lógica do acionamento está atrelada ao teclado de controle,

onde cada botão corresponde a um acionamento.

Ao executar a gravação dos deslocamentos o movimento em que ocorre o

toque do apalpador no mensurando (movimento 4) tem sua contagem de pulsos

descartada e o movimento passa a ser livre tornando-se referência para a medição.

O vetor a ele associado é substituído por uma lógica que repete o deslocamento

77

relacionado a este vetor, mas descarta a contagem dos pulsos, ou a distância que

deve ser percorrida. A referência agora passa a ser a peça sendo medida, onde a

nova coordenada registrada ao ser tocada pelo apalpador pode ou não ser a mesma.

Se a peça apresenta discrepâncias dimensionais ou sua posição foi alterada

a MMC registra a nova coordenada. Todos os pontos registrados são então

comparados para apresentar uma medição em escala métrica.

Na etapa de gravação as coordenadas registradas no movimento em que

ocorre o toque é desconsiderado pelo programa da MMC e a execução autônoma

deste movimento possui o seu módulo de deslocamento, isto é, a contagem dos

pulsos em aberto, executando o deslocamento do apalpador até que este toque o

mensurando (peça).

A Figura 56 mostra como a MMC executa a contagem dos pulsos no

movimento de toque do apalpador no mensurando.

Figura 56 – Contagem dos Pulsos no Movimento de Toque Fonte: Autoria própria (2018).

78

De acordo com a discrepância da coordenada da peça medida em relação ao

deslocamento gravado, a diferença é adicionada ou subtraída do valor original com o

objetivo de preservar o posicionamento do movimento 5. Na etapa de gravação o

movimento 5 corresponde ao afastamento do apalpador após tocar a peça sendo

medida.

A numeração dos movimentos representados nas Figuras 55 e 56 são

meramente respresentativas no exemplo. A lógica permite assumir qualquer número,

que está em função da quantidade de movimentos executados até que o apalpador

toque a peça sendo medida. Portanto a MMC executa qualquer forma de movimento

que o operador realize para a gravação dos movimentos, sejam tantos quantos forem

os movimentos intermediários para todos os toques.

O teclado contem indicativos luminosos que representam estado do programa

que são: LED vermelho indica teclado desligado; LED verde indica teclado ligado; LED

amarelo indica reset automático pelo programa; e LED azul indica quando o apalpador

toca no mensurando ou a cada vetor incrementado (início seguinte do próximo

movimento).

Uma programação inicial foi produzida para verificar o deslocamento dos

eixos e o monitoramento deles pelo microcontrolador. Ao executar 200 passos, que

consiste em uma volta completa do rotor do motor de passo, verificou-se, por meio de

altímetro e relógio comparador, que o deslocamento dos eixos em uma rotação

completa do motor é de 15 mm.

O cálculo pode ser feito a partir do diâmetro primitivo do pinhão acoplado ao

motor de passo, através das medidas do seu módulo e número de dentes. A

formulação em sistemas mecânicos fornece todos os dados relevantes para um

sistema de transmissão como este, no entanto se faz desnecessário a aplicação de

cálculo, uma vez que a medida de deslocamento pode ser ensaiada por instrumentos

de medição. Os cálculos podem ser aplicados para confirmar matematicamente a

medida deste deslocamento. As medidas ensaiadas apresentaram os mesmos

resultados para os três eixos da MMC.

Definida a medida de deslocamento para uma rotação do motor de passo o

cálculo do deslocamento por passo é dado por:.

Deslocamento=15mm/200 passos

79

Logo cada passo é igual a 0,075 mm. Este valor foi averiguado por medição

com o relógio comparador e confirmado. Com o objetivo de se obter a melhor

resolução possível o modo de acionamento por micropassos foi programado,

configurando os módulos de controle de motor de passo para atuar na razão de 1/32,

produzindo assim 6400 micropassos. Assim foi definida a resolução do deslocamento

da MMC por:

Deslocamento=15mm/6400 micropassos

Logo, cada micropasso é igual a 0,00234375 mm. Novamente os ensaios

foram executados e os valores confirmados. A resolução do relógio comparador

empregado para medir o deslocamento de cada micropasso dos motores é de 0,001

mm.

Os ensaios das medições foram realizados considerando deslocamentos

parciais ou múltiplos à razão de uma rotação completa. Os resultados obtidos foram

todos coerentes com a lógica e o cálculo fornecidos ao programa. A repetição de

medições já realizadas foi feita para consolidar a confiabilidade do método utilizado,

de forma que o modo de monitoramento foi considerado definitivo.

Os valores de medidas armazenados em um vetor programado no

microcontrolador são exibidos no mostrador LCD, em milímetros, com uma resolução

de 0,01 mm, conforme mostra a Figura 57.

Figura 57 – Valor de Medição Exibido no Mostrador LCD Fonte: Autoria própria (2018).

Os modos de operação, por medição ou por coordenadas são selecionados

através de um botão ou tecla do teclado, como também através de um botão

programado no sistema supervisório.

80

O modo por medição realiza a medição direta da peça, calculando o diferencial

do posicionamento dos pontos medidos na peça. Todo o deslocamento é monitorado

e registrado pelo microcontrolador na forma de contagem dos pulsos que acionam o

mecanismo de deslocamento. Por este método o sistema de controle registra e grava

o deslocamento ordenado dos eixos na definição de uma trajetória para a execução

das medições.

Cada deslocamento é registrado pelo incremento da contagem dos pulsos

dados aos módulos de controle dos motores de passo e cada movimento completo é

gravado em um vetor cujo índice também é incrementado para poder registrar e gravar

o movimento seguinte. O programa está limitado em 200 posições, ou seja, podem

ser gravados até 200 deslocamentos, incluindo todos os eixos atuando

simultaneamente, pois os botões também estão configurados no programa como

vetores para armazenar seu código específico, dentre os quais existem funções

específicas ocupadas por alguns índices.

A sequência dos vetores gravados com seus respectivos valores pode ser

replicada em processos de medição subsequentes. O registro do deslocamento e

incremento dos vetores é realizado pela interrupção causada pelo apalpador da MMC.

A lógica aplicada no programa executa a gravação da trajetória e dos pontos e

também executa um recuo do apalpador quando efetua medição interna e termina o

processo de medição.

Em função do diâmetro da ponteira do apalpador é necessário considerar a

diferença de medida que ocorre pela direção em que o toque acontece. O diâmetro é

conhecido e calibrado, apresentando valor de 3,05 mm. Devido a essa diferença, a

medição interna deve ser executada por uma função própria. A medição interna é

selecionada em tecla própria no teclado de controle.

No modo medição o ponto inicial é comparado com o ponto oposto e a

contagem dos pulsos registrados entre um e outro é calculado pelo microcontrolador

e apresentado como medida no mostrador, aplicando o cálculo da unidade de medida

por micropasso. A medição externa considera descontar o diâmetro conhecido da

ponteira do apalpador, enquanto a execução da medição interna considera

acrescentar esse diâmetro. Por esta distinção na função é necessária a

implementação de um algoritmo próprio.

A medição é executada desta forma para os eixos X e Y. O eixo Z não

necessita de uma estratégia semelhante porque o ponto de medição do apalpador é

81

a ponta, que executa somente medições de cima para baixo, não ocasionando

alteração de posição pelo sentido de medição.

O modo de medição por coordenadas considera todo o espaço de atuação da

MMC. O referenciamento determina o zeramento do sistema de coordenadas da MMC

e também o ponto zero máquina, a partir do qual o deslocamento passa a ser

registrado e as medições solicitadas podem ser calculadas pela mesma medida da

unidade de micropassos. A distinção entre o modo medição e o modo por

coordenadas consiste em que o primeiro registra e apresenta as medidas efetivas do

mensurando, enquanto que o segundo apresenta as coordenadas registradas no

espaço em que o mensurando está inserido e posicionado.

O modo de medição é apropriado para obter medidas diretas e realizar

comparações com medições de peças em lotes. O modo por coordenadas serve para

comparações com modelos virtuais tridimensionais.

As informações registradas são fornecidas ao sistema supervisório via porta

USART de comunicação. O microcontrolador é configurado para enviar dados ao

sistema supervisório via protocolo Modbus. Para isso o programa possui incluído em

seu código fonte a biblioteca SimpleModusSlave V10 que determina os parâmetros

do framing dos dados das medições e a execução de comandos.

3.8 PROGRAMAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO

A programação do sistema supervisório para aplicação à MMC necessita de

biblioteca apropriada incluída no programa do microcontrolador, com a finalidade

estabelecer a comunicação entre microcontrolador e sistema supervisório via

protocolo Modbus.

Esta biblioteca estabelece os parâmetros de funcionamento do protocolo de

comunicação em uma rede. De maneira semelhante o sistema SCADA possui drivers

que configuram os parâmetros de verificação e interpretação das mensagens

transitadas pela rede utilizando o referido protocolo.

A biblioteca incluída no firmware do microcontrolador da MMC é o

SimpleModbusSlave v10

O buffer serial do Arduino tem 64 bytes ou 32 registradores. Na maioria das

vezes conecta-se o arduino a um mestre via serial usando um adaptador MAX485 ou

82

similar. Configurado como função 3, o mestre executará leitura a partir do seu escravo

e 5 bytes serão usados para ID (identidade) do dispositivo, função a ser executada,

número de bytes do framing e dois bytes para verificação de erros pelo método CRC.

O mestre só poderá usar 58 bytes ou 29 registros.

Configurado como função 16, o mestre executará escrita no seu escravo e 9

bytes serão usados para ID do dispositivo, função a ser executada, endereço do

dispositivo, número de registros, número bytes e dois bytes para verificação de erros

pelo método CRC. O mestre só poderá escrever 54 bytes ou 27 registros.

Utilizando um conversor USB para Serial, o máximo de bytes que se pode

enviar é limitado ao seu buffer interno, que difere entre os fabricantes.

A instrução “enum” permite um método hábil para adicionar e remover

registros. Isto facilita a construção da matriz de registros, pois o usuário pode adicionar

registros ao protocolo informando o layout de sua declaração de escravos. Para

declarar os registros basta adicionar ou remover os mesmos com seus respectivos

nomes.

O primeiro registro declarado começa no endereço 0 e segue

sucessivamente. O número total de registros para a função 3 e 16 compartilham a

mesma ordem de registradores, isto é, o mesmo espaço de endereço. O uso da

instrução “enum” não é obrigatório, ficando isto a critério do usuário.

Declarações dentro de “void setup” são realizadas através da declaração

“modbus_configure(&Serial,...)”, com a qual é possível setar as configurações da porta

de comunicação como baudrate, paridade e outros.

Para a configuração dos parâmetros de comunicação, os formatos válidos

para o byte do modbus são:

a. SERIAL_8N2 – 1 start bit, 8 data bits, 2 stop bits;

b. SERIAL_8E1 – 1 start bit, 8 data bits, 1 Even parity bit, 1 stop bit;

c. SERIAL_8O1 – 1 start bit, 8 data bits, 1 Odd parity bit, 1 stop bit.

Esses formatos de byte já estão definidos no espaço de nome global do

Arduino. A declaração “modbus_update_comms” não é obrigatoriamente necessária,

mas permite a atualização das variáveis de porta e do ID do escravo dinamicamente

em qualquer função, isto é, constantemente e em tempo real.

83

Já as declarações dentro de “void loop” possuem uma única declaração

chamada “modbus_update ()”. Este retorna a contagem total de erros desde o início

do programa ou configuração do escravo. Este método atualiza a matriz de registros

e verifica comunicação.

A comunicação empregada na MMC executa funções de controle, embora o

deslocamento do atuador seja feito por teclado externo. A principal aplicação da

comunicação é informar ao supervisório a dimensão do deslocamento do atuador em

seus eixos. Como o deslocamento é medido via contagem de pulsos enviados aos

motores de passo, logo o tipo de variáveis a eles associados é “int”, pois executa a

contagem crescente ou decrescente de forma binária.

Conforme a proposta de projeto da MMC, o sistema supervisório foi

programado em plataforma Elipse SCADA. A finalidade é proporcionar uma interface

que apresenta os resultados dos processos das medições, além de algumas funções

de controle.

A Figura 58 apresenta a interface desenvolvida em plataforma Elipse SCADA.

Os recursos presentes mostram valores de referência das medições e as medidas

efetivamente obtidas, de acordo com cada eixo.

Figura 58 – Interface Desenvolvida em Plataforma Elipse SCADA Fonte: Autoria própria (2018).

84

Depois de realizadas as configurações do sistema supervisório as leituras das

medições obtidas no Elipse SCADA mostraram-se incoerentes para um valor inferior

a 65536 pulsos contados pelo microcontrolador, independentemente do tipo de

memória ou variável configurada no sistema supervisório. A máxima medida coerente

obtida foi de 153,6 mm.

Notou-se então que estava ocorrendo um estouro (overflow) do valor obtido

na memória do sistema supervisório, o que causava a limitação. Ao se verificar o

funcionamento do código da biblioteca SimpleModbusSlave foi observado que a

transferência de dados está limitada a 16 bits por mensagem.

Em todas as configurações testadas para a biblioteca Modbus, o número

máximo de bits transmitidos na mensagem é de 16, ou seja, a contagem máxima

possível é de 65536 pulsos. Entretanto como o sistema SCADA processa os dados

de forma “signed int”, isto é, inteiro sinalizado, o fato de podermos atuar tanto em

sentido positivo como negativo do sistema de coordenadas, foi preciso limitar os

vetores que armazenam a contagem dos pulsos do deslocamento no microcontrolador

em 32000, fornecendo uma contagem de -32000 a 32000.

Cada vetor precisa ser vinculado a uma tag criada no sistema SCADA, visto

que é um registro portador da informação requerida. Contudo 32000 pulsos promove

um deslocamento muito inferior à capacidade dimensional da MMC, pois 32000 pulsos

no motor de passo correspondem a 75 mm.

Para resolver este problema foram implementados vetores indexáveis para

cada eixo, tanto quanto necessário para obter o deslocamento suficiente para a maior

medição possível, dentro do espaço dimansional da MMC. Sendo assim, foram

criados os vetores Ax, Bx, Cx, Dx, Ay, By, Cy, Dy, Az, Bz, Cz e Dz, os quais acumulam

uma contagem de 32000 pulsos cada um, indexando o seguinte, se necessário até

atingir o deslocamento integral realizado pelo mecanismo de deslocamento da MMC.

Se o deslocamento ocorre no eixo X, por exemplo, a uma contagem de 84631

pulsos, 32000 serão armazenados no vetor Ax, 32000 no vetor Bx e 20631 no vetor

Cx, permanecendo o vetor Dx inutilizado. A programação prevê 4 vetores para cada

eixo, totalizando 128000 pulsos que podem ser contados, o que corresponde a 300

mm.

Como cada eixo pode ocupar até 4 vetores para medir seu deslocamento,

cada medição requer 4 tags configuradas no sistema supervisório, que de acordo com

a proposta de projeto, refere-se ao Elipse SCADA.

85

Por se tratar de uma licença estudantil, o Elipse SCADA disponibiliza um limite

de 20 tags para a programação de um sistema supervisório. Deste total, 4 são

utilizadas para definir um único ponto, então verificou-se ser inviável o emprego do

Elipse SCADA como plataforma para a programação do sistema supervisório da

MMC. Por essa razão o projeto passou a adotar a plataforma ScadaBR para esse fim.

Como o ScadaBR é uma plataforma “open source” (código aberto) o número

de tags possíveis é bastante expressivo mas a quantidade não é informada no manual

(SCADABR, 2018).

Visto que esta plataforma atende à quantidade de tags necessárias para o

processo de medição da MMC foi criada a interface, de forma ainda rudimentar, para

testes iniciais e verificação da confiabilidade do sistema. Concluída esta etapa e

verificada a funcionalidade efetiva do sistema a interface foi desenvolvida de fato.

O ScadaBR atua com fontes de dados (data sources). A configuração da

interface da MMC contempla 3 data sources para manipular os dados das medições.

O primeiro deles é configurado como Modbus para receber e enviar dados para o

Arduino. O segundo, Medição_Coord, trabalha para concatenar as variáveis

referentes às medições por coordenadas. O terceiro, Medicao_XYZ, trabalha da

mesma maneira, porém para as medições por deslocamento.

A Figura 59 mostra a configuração das data sources.

Figura 59 – Configuração das Tags Criadas no Elipse SCADA Fonte: Autoria própria (2018).

Em ambos os modos, 4 tags correspondentes aos 4 vetores programados no

firmware do microcontrolador executam a leitura do mecanismo de deslocamento de

cada eixo da MMC. Uma quinta tag executa a operação matemática de soma dos

vetores, mesmo que alguma receba valor 0 (zero) e também a multiplicação pelo fator

0,00234375 para converter a contagem de pulsos em milímetros. Deste modo, são

aplicadas 5 tags para cada medição de cada eixo.

86

Foram implementadas 5 medições para cada eixo da MMC, totalizando 15

medições. Logo, são implementadas 75 tags no sistema supervisório tão somente

para leitura das medições, sendo que 15 delas são tags virtuais configuradas apenas

no sistema supervisório. Outras 60 são implementadas para medição direta. Outras

são configuradas para executarem funções de inicialização, modo de operação,

reporte de erro, gravação, entre outros. Existe um total de 132 tags declaradas no

microcontrolador que são correspondentes no sistema supervisório. Estão presentes

no índice enum referente aos registros declarados. Além destes existem mais 15 tags

virtuais empregadas no cálculo da medida do deslocamento do atuador. Ao todo são

147 tags criadas e configuradas no sistema supervisório programado na plataforma

ScadaBR.

A configuração da comunicação é simples e deve respeitar o que foi definido

na rotina escrita no algoritmo do Arduino, como baudrate, paridade, bit de dados, entre

outros. Antes de salvar definitivamente esta configuração é necessário realizar a

“pesquisa por nós” na respectiva área, cuja função é confirmar as propriedades de

comunicação entre mestre e escravo.

A Figura 60 apresenta as propriedades do Modbus serial configurado no

sistema supervisório.

Figura 60 – Propriedades do Modbus Serial Fonte: Autoria própria (2018).

87

Após configurar o data source dentro dele é necessário criar os data points

(pontos de dados). São essas as chamadas tags de comunicação, cada uma de

acordo com seu tipo de dado. Todas as tags devem utilizar a área de memória do

enum.

Uma relação parcial das tags criadas e configuradas é mostrada na Figura 61.

Elas estão relacionadas às respectivas variáveis programadas no algoritmo do

microcontrolador.

Figura 61 – Tags Criadas e Configuradas no ScadaBR Fonte: Autoria própria (2018).

Para os meta data source a configuração é mais simples pois não há

comunicação. Porém são os seus data points que fazem as somas dos valores que

entram no data source Arduino. No exemplo abaixo pode se ver um script que

apresenta esta soma de um dos data points contido no meta data source Medição

Coord. Essas propriedades são mostradas na Figura 62.

A mesma configuração é válida para o meta data source Medicao XYZ,

conforme mostra a Figura 63.

88

Figura 62 – Propriedades do Data Source Meta Medição Coord Fonte: Autoria própria (2018).

Figura 63 – Propriedades do Data Source Meta Medição XYZ Fonte: Autoria própria (2018).

89

A imagem da interface gráfica foi desenvolvida a partir da biblioteca interna

do programa. A maior parte dos elementos dispostos na interface gráfica devem ser

declarados como arquivos em formato HTML (HyperText Markup Language).

Nesta interface são exibidos os valores de medição bem como o modo de

operação e o processo em execução. Os cinco pontos possíveis de medição previstos

no programa do microcontrolador são exibidos na interface, carregados a medida em

que são executados, mantidos em zero quando não são executados.

A Figura 64 apresenta a interface gráfica desenvolvida para a MMC.

O algoritmo do microcontrolador foi sendo aprimorado de acordo com a

implementação do sistema supervisório e a versão definitiva foi desenvolvida para

atender as solicitações dos processos de medição da MMC.

Figura 64 – interface Gráfica Desenvolvida para a MMC Fonte: Autoria própria (2018).

90

4 MEDIÇÕES E RESULTADOS

Toda a execução dos projetos, construção e programação da MMC foram

concluídos juntamente com os testes iniciais. A etapa seguinte consistiu em realizar

medições para verificar a autenticidade do funcionamento da máquina, atestar sua

confiabilidade e examinar sua capacidade de repetir os mesmos processos obtendo

resultados similares. Essa etapa é chamada de validação do projeto.

Os testes iniciais foram realizados fixando-se o mensurando em uma morsa

de bancada comum e peças metálicas aleatórias. Esta estratégia teve por finalidade

manter seguro o posicionamento do mensurando, que por ser de dimensões

relativamente pequenas pode ser facilmente arrastado pelo apalpador da MMC.

Entretanto, para a realização dos testes de validação do projeto foi

desenvolvido um mensurando padrão e um mecanismo de fixação acoplado à base

da mesa de modo a fixar o mensurando seguramente, além de promover o correto

alinhamento deste em relação à mesa da máquina.

A Figura 65 mostra o desenho técnico do mensurando fabricado para os testes

de validação da MMC. Foi fabricado em aço SAE 1020 por processos de usinagem,

Figura 65 – Desenho Técnico do Mensurando Fonte: Autoria própria (2018).

A

B

E C

F D

G

I

J

H

91

O mecanismo de fixação do mensurando consiste de uma morsa simples

acoplada diretamente aos pés da mesa da MMC. Executado por um rigoroso controle

dimensional nos processos de usinagem, assim como as demais peças de toda a

estrutura da máquina, garante o alinhamento do mensurando em relação à mesa.

Uma base em chapa de nylon é inserida como base para o mensurando

apenas para garantir a planicidade do apoio em que o mensurando está posicionado.

Abaixo desta base foram instalados pés reguláveis que ajustam o nivelamento da

MMC. Desta forma, é possível realizar medições mesmo onde a superfície na qual a

mesa está não seja confiável.

A Figura 66 mostra o modelo virtual da morsa construída e montada na MMC,

que destina-se à fixação do mensurando. É constituída do mesmo perfil em alumínio

que compõe a estrutura, com dois manípulos em tirante de aço com rosca M8X1,0. O

aperto dos perfis, através dos manípulos, fixa a peça com faces planas em

alinhamento com as guias laterais da MMC.

Figura 66 – Modelo Virtual da Morsa Montada na MMC Fonte: Autoria própria (2018).

92

O mensurando foi fixado na morsa e o processo de medição foi executado. A

Tabela 1 apresenta os resultados das medições por deslocamento e por coordenadas.

As medições por deslocamento fornecem valores referentes a medição direta, então

é feita a comparação pela medição realizada por instrumentos convencionais, a saber,

paquímetro e micrômetro.

Cada dimensão do mensurando está assinalada no seu desenho técnico

(Figura 66) então é possível verificar a coerência das medidas obtidas com os

instrumentos em comparação com as medidas nominais do desenho técnico.

Tabela 1 – Resultados das Medições Executadas pela MMC

Ref. Medida Nominal Medição por Instrumentos

Medição por Deslocamento

Medição por Coordenadas

A 20 mm 20,04 mm 20,038 mm 20,038 mm

B 12 mm 12,02 mm 12,022 mm 12,022 mm

C 10,50 mm 10,48 mm 10,490 mm 10,486 mm

D 22 mm 22,00 mm 22,006 mm 22,008 mm

E 3 mm 3,10 mm 3,126 mm 3,126 mm

F 8 mm 8,08 mm 8,084 mm 8,082 mm

G 32 mm 32,00 mm 32,002 mm 32,000 mm

H 50 mm 50,02 mm 49,998 mm 49,996 mm

I 16 mm 16,08 mm 16,086 mm 16,086 mm

J 22 mm 22,12 mm 22,082 mm 22,080 mm

Fonte: Autoria própria (2018).

O processo de medição foi replicado para verificar a repetibilidade dos

resultados. Toda a execução das medições foi realizada repetindo as mesmas

trajetórias gravadas na primeira medição e os resultados coletados de acordo com os

valores apresentados na interface do sistema supervisório. A posição do mensurando

também foi mantida, de modo que as variações reveladas são indicador da precisão

da execução dos processos de medição da MMC. Ao verificar ambos os resultados é

notável que a MMC realiza os processos de medição de maneira confiável. As

variações percebidas ficaram dentro de uma margem média de 0,002 mm, ou seja,

uma variação que está dentro da resolução executada pela máquina.

A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos na réplica da medição..

Tabela 2 – Resultados das Medições Replicadas pela MMC

93

Ref. Medida Nominal Medição por

Instrumentos Medição por

Deslocamento Medição por Coordenadas

A 20 mm 20,04 mm 20,030 mm 20,032 mm

B 12 mm 12,02 mm 12,020 mm 12,020 mm

C 10,50 mm 10,48 mm 10,500 mm 10,488 mm

D 22 mm 22,00 mm 22,008 mm 22,008 mm

E 3 mm 3,10 mm 3,126 mm 3,128 mm

F 8 mm 8,06 mm 8,070 mm 8,070 mm

G 32 mm 32,02 mm 32,012 mm 32,008 mm

H 50 mm 50,02 mm 49,994 mm 49,994 mm

I 16 mm 16,08 mm 16,076 mm 16,074 mm

J 22 mm 22,12 mm 22,018 mm 22,016 mm

Fonte: Autoria própria (2018).

A Figura 67 apresenta a fotografia da MMC concluída.

Figura 67 – MMC Concluída Fonte: Autoria própria (2018).

94

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O escopo do projeto foi bem-sucedido. Ao final do trabalho a integração do

sistema de controle com o sistema supervisório foi executada conforme a proposta de

projeto.

A Máquina de Medir por Coordenadas foi projetada e construída utilizando

recursos facilmente disponíveis no mercado, possibilitando uma proposta de se

construir máquinas destinadas a medição tridimensional que atendam

satisfatoriamente às solicitações de empresas que trabalham com fabricação de

artefatos e peças mecânicas que exigem um alto padrão de qualidade.

O equipamento se presta à funcionalidade de executar medições de pequenas

peças usinadas em material metálico com precisão e rapidez maiores do que é

possível por meios convencionais. Além disso, é possível executar a medição de

peças complexas que seriam muito difíceis de serem medidas sem o auxílio de uma

máquina de medição trimensional.

Embora o software originalmente proposto para o sistema supervisório não

tenha atendido às necessidades do projeto devido à limitação de recursos em função

da licença, a migração para outro similar de licença livre resolveu a questão.

A programação do microcontrolador tornou-se extensa devido a grande

quantidade de variáveis previstas no algoritmo, assim como a quantidade de funções

a ser executadas. A biblioteca incluída para configuração do protocolo de

comunicação também apresentou limitação que exigiu uma estratégia na

programação do microcontrolador para atender a função de executar os processos de

medição do mensurando.

Embora a construção e funcionamento da máquina tenha sido concluído com

sucesso, as dificuldades com a integração entre microcontrolador e sistema

supervisório superaram as expectativas.

Assim, pretende-se estabelecer uma ideia inicial para que outros trabalhos

semelhantes sejam encorajados e projetos sejam executados a fim de favorecer

empresas que necessitem de máquinas e ferramentas mais sofisticadas e que

possam ser adquiridas com baixo custo.

95

REFERÊNCIAS AIHARA, C. K. et al. Desenvolvimento de Aplicativos para Monitoramento de Variáveis de Controle de Processos Industriais. São Carlos: 1ª Escola Brasileira de Aplicações em Dinâmica e Controle. 2001. AKIYAMA. Treinamento de Motores de Passo, Drivers e Introdução a Servo Acionamentos. Curitiba: Akiyama Soluções Tecnológicas, 2009. 27p. ALBERTASS, Armando; SOUZA, André R. de S. Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial. Barueri: Editora Manole, 2008. ALCIATORE, David G.; HISTAND, Michael B. Introdução à Mecatrônica e aos Sistemas de Medições. 4 ed. Porto Alegre: AMGH Editora. 2014. ALFA INSTRUMENTOS. Protocolo de Comunicação Modbus RTU/ASCII. Disponível em: <https://www.dca.utrn.br/~affonso/FTP/DCA447?modbus/modbus_ manual.pdf>. Acesso em: set. 2017. ALLDATASHEET. [Diagrama Esquemático do Micorcontrolador ATmega 2560]. Disponível em: <https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/352694/ATMEL/ ATMEGA2560-16CU.html>. Acesso em: set 2018. APISENSOR. [Ponteira de Apalpador de MMC]. Disponível em: <http://www. apisensor.com.br/probe-ponta-apalpador-de-medicao-inspecao.html>. Acesso em: set. 2018. ARDUINO. [Placa Arduino Mega 2560]. Disponível em: <https://store.arduino.

cc/usa/arduino-mega-2560-rev3>. Acesso em: set. 2018.

ARENHART, Franscisco A. Desempenho Metrológico de Máquinas de Medição por Coordenadas no Âmbito Industrial Brasileiro. Florianópolis, 2007. ABCM Journal. Disponível em: <http://www.abcm.org.br/downloads/3Y_monografia.pdf>. Acesso em: set. 2018 ATMEL. ATmega328/P Datasheet Complete. San Jose, CL, USA: Atmel Corporation, 2016. 442p. Disponível em: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf>. Acesso em: set. 2018.

96

ÁVILA, Tiago José. Módulo Modbus I/O. 2008. 53f. Trabalho Final (Especialização em Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos) ̶ Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina, Florianópolis, 2008. BEER, Ferdinand; JOHNSTON, E. Russel, JR.; DEWOLF, Jonh T. Resistência dos Materiais. 4 ed. Porto Alegre: AMGH Editora. 2010. BOYER, Stuart A. SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition. 3 ed. ISA ̶The Instrumentation Systems and Automation Society. USA, 2004. BRITES, Felipe G.; SANTOS, Vinícius P. de A. Motor de Passo. Universidade Federal Fluminense, 2008. Disponível em: <https://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/ tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf>. Acesso em: fev. 2018. COELHO, Marcelo S. Apostila de Sistema Supervisórios. Sistemas Supervisórios Modernos. Julho 2010. Apostila. Instituto Federal de São Paulo. ELECTRONICA PT. [motor de passo bipolar]. Disponível em: <https://www.

electronica-pt.com/motores-passo>. Acesso em: jul. 2018.

ELECTRONICA PT. [motor de passo unipolar]. Disponível em: <https://www.

electronica-pt.com/motores-passo>. Acesso em jul. 2018.

ELIPSE SOFTWARE. Elipse SCADA: manual do usuário. Disponível em: <http:// www.meccomeletronica.com/site/data/uploads/manual-scada.pdf>. Acesso em: set. 2018. ERSHIVAMGUPTA. [Interface da Plataforma CodeVision AVR]. Disponível em:

<https://ershivamgupta.wordpress.com/professional-skill/softwares-knowledge/codevi

sion-avr>. Acesso em: set. 2018.

FERNANDOK. [Gráficos dos Comportamentos das Correntes]. Disponível em:

<https://www.fernandok.com/2018/01/motor-de-passo-de-4-5-6-e-8-fios.html>.

Acesso em: set. 2018.

FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles, JR.; UMANS, Stephen D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6 ed. Porto Alegre: Editora Bookman, 2006.

97

GONÇALVES, Alexandre J.; SILVA, Jair R. da; BATISTA, João C. Sistema Didático de Automação Baseado em Computador para Seleção de Esferas. 2015. 65f. Monografia (Curso Superior de Tecnologia em Automação) ̶ Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Federal Tecnológica do Paraná, Curitiba, 2015. HOCKEN, Robert J.; PEREIRA, Paulo H. Coordinate Measuring Machines and Systems. 2 ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press. 2012. IDEALHOME. [Interface Homem Máquina]. Disponível em: <http://idealhome.

com.br/site/wp-content/uploads/2015/06/Tela-Chiller.jpg>. Acesso em: nov. 2017.

IMPERIUM INSTRUMENTAÇÃO. [Medição Dimensional]. Disponível em: <http://

www.imperiuminstrumentacao.com.br/instrumentos-metrologia>. Acesso em: set.

2018.

LOGISMARKET. [Réguas Lineares Digitais]. Disponível em: <https://www.

logismarket.ind.br/digitech-automacao/regua-linear-digital/2257842861-2048827851-

p.html >. Acesso em: set. 2018.

MICROCHIP. AN907 Stepping Motors Fundamentals. Microship Tecnology Inc., 2004. Disponível em: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.p df>. Acesso em: set. 2018. MITUTOYO. Máquinas de Medir por Coordenadas. Catálogo Geral Mitutoyo. Disponível em: <https://www.mitutoyo.com.br/download/catalogogeral/p2016/62_mm c.pdf>. Acesso em: out. 2018. MORAES, Cícero C. de; CASTRUCCI, Plínio. Engenharia de automação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. MULTILÓGICA SHOP. [motor de passo bipolar]. Disponível em: <https://multilogica-

shop.com/motor-de-passo-bipolar-200-passosvolta-35x28mm-10v-500ma>. Acesso

em: out. 2017.

NORTON, Robert L. Cinemática e Dinâmica dos Mecanismos. 1 ed. Porto Alegre: McGraw Hill, 2010.

98

OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. 5 ed. São Paulo: Pearson Hall, 2010. RENISHAW. Apalpador TP20 ̶ manual de utilização H-1000-5008-03-B. Disponível em: <http://resources.renishaw.com/pt/download/manual-de-utilizacao-apalpador-tp 20—11581>. Acesso em: set. 2018. REPRAG. [driver motor de passo]. Disponível em: <https://reprap.org/wiki/MKS_

DRV8825>. Acesso em: set 2018.

SALADAELETRICA. [Chave Fim de Curso de Duplo Contato]. Disponível em:

<https://www.saladaeletrica.com.br/chave-fim-de-curso>. Acesso em: set. 2018.

SCADABR. ScadaBR Sistema Open Source para Supervisão e Controle: Manual do Software. Disponível em: <http://paginapessoal.utfpr.edu.br/ofuchi/sistemas-embarcados-el68e/laboratorio-final-comunicacao/ManualScadaBR.pdf/view>. Acesso em set. 2018. SENAI. Redes Industriais de Comunicação, 2010. Disponível em: <https://pt.scribd.com/presentation/32369671/Redes-Industriais-de-Comunicacao-SENAI>. Acesso em: set 2018. SILVA, Edleusom S. et al. Projeto e Desenvolvimento de uma Máquina de Medir por Coordenadas. Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática, Belo Horizonte, set. 2014. Disponível em: <http://www.swge.inf.br/cba2014/anais/PDF/1569935645.p df>. Acesso em: set. 2018. TANENBAUM, Andrew S; WETHERALL, David J. Redes de Computadores. 5 ed. São Paulo: Editora Pearson, 2011. TECHPOL. [Sala de metrologia]. Disponível em: <https://www.techpol.com/de/

article.php?idArticolo=2549>. Acesso em: set. 2018.

UNESP. [Motor de Passo]. Disponível em: <http://www.feis.unesp. br/

Home/departamentos/engenhariaeletrica/aula3-motor-de-passo-2013-1-13-03-2013-f

inal.pdf>. Acesso em: set. 2018.

99

VAS TECNOLOGIA INDUSTRIAL. Catálogo Geral 2017-2018. Disponível em: <http://vastecnologia.com.br/catalogo/industrial.pdf>. Acesso em: set. 2018. VILELA, Raphael F. Sistema de Aquisição de Dados em Microcontrolador e Comunicação pelo Protocolo Modbus. 2013. 82f. Monografia (Escola Politécnica) ̶ Departamento de Eletrônica e de Computação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013. VIM 2012. Vocabulário Internacional de Metrologia: Conceitos fundamentais e gerais e termos associados. Duque de Caxias, RJ : INMETRO, 2012. ZEISS. Tecnologia em Medição Industrial. Disponível em: <https://www.zeiss. com.br/corporate/home.html>. Acesso em: out. 2018.

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APÊNDICE A DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO ELETRÔNICO