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Fatec Garça

CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

ANGELO AMORIM NORO

TESLEI UÓTERSON VIEGAS

PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER

GARÇA

2013

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Fatec Garça

CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

ANGELO AMORIM NORO

TESLEI UÓTERSON VIEGAS

PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER

Artigo Científico apresentado à Faculdade

de Tecnologia de Garça - FATEC GARÇA,

como requisito para conclusão do Curso de

Tecnologia em Mecatrônica Industrial,

examinado pela seguinte comissão de

professores:

Data da Aprovação 24/06/2013

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Prof. Grad. Edson Mancuzo

FATEC Garça

Prof. Grad. Paulo Sérgio Castro

FATEC Garça

Prof. Ms. José Augusto Ferraz de

Campos

FATEC Garça

GARÇA

2013

PROJETO DE UMA FRESADORA CNC DO TIPO ROUTER

Angelo Amorim Noro1

thenicke@hotmail.com

Teslei Uóterson Viegas

teslei.cynthia@gmail.com

Edson Mancuzo2

e_mancuzo@uol.com.br

Abstract- The current globalization challenges the industry to develop products with

higher quality and lower cost, in a shorter time. The machines CNC (Computerized Numerical Control), the production process ensures a better use of time intervals satisfactorily reducing unproductive, being able to perform multiple operations on a single machine, reducing the production time. Decreasing production time is currently the yearning of modern industry to ensure their existence within a highly competitive market, so this work aims to understand the importance of Computerized Numerical Control within the industrial environment. Keywords: CNC, automation and Mach 3.

Resumo- A globalização atual desafia a indústria a desenvolver produtos com maior

qualidade e menor custo, num espaço de tempo menor. As máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado), garante ao processo produtivo um melhor aproveitamento de tempo reduzindo satisfatoriamente os intervalos improdutivos, por ser capaz de realizar várias operações em uma só máquina, diminuindo o tempo de produção. Diminuir tempo de produção é atualmente o anseio da indústria moderna para garantir a sua existência dentro de um mercado altamente competitivo, portanto este trabalho tem como objetivo compreender a importância do Comando Numérico Computadorizado dentro do ambiente industrial. Palavra-Chave: CNC, automação e Mach 3.

1. INTRODUÇÃO

O processo de globalização desafia a indústria da manufatura a trazer para o

mercado novos produtos bem projetados e de alta qualidade preços competitivos no

menor intervalo de tempo possível. (Porter90), (Coutinho et.al.95).

No caso específico das máquinas CNC (Comando Numérico

Computadorizado), o fator tempo de processo é reduzido substancialmente pela

1 Alunos do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Faculdade de Tecnologia de Garça. 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça.

eliminação dos tempos improdutivos, como por exemplo, a tarefa de elaborar

programas de usinagem e a alta versatilidade destas máquinas que englobam várias

operações em uma só máquina o que diminuí ainda mais os tempos mortos

intermediários, tornando este método de fabricação vantajoso para a fabricação de

peças em série e em grande quantidade (Mastelari96).

A tarefa de elaboração de programas de usinagem CNC, que está embutida

dentro dos custos indiretos de produção, é um trabalho demorado com grau de

dificuldade proporcional à complexidade da geometria da peça exigindo,

primeiramente, uma fase de estudo e elaboração do programa propriamente dito e

uma segunda fase para a introdução do programa na memória da máquina, testes e

simulação.

Observa-se também, que a utilização de máquinas CNC vem crescendo no

Brasil. Em pesquisa publicada na revista Máquinas e Metais em dezembro de 2001, o

intervalo entre 1999 e 2001 gerou um aumento de 43,6 % no número de máquinas

CNC adquiridas no Brasil a uma média de 6,3 máquinas CNC por empresa. Outro

dado interessante desta pesquisa é o predomínio da utilização de máquinas CNC por

pequenas empresas (com até 50 empregados), onde 62% das empresas pesquisadas

se encaixam neste nível e são empresas que predominantemente prestam serviços

de usinagem para terceiros.

2. COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO

Em máquinas convencionais, o operador ajusta a máquina e move cada

ferramenta utilizando as duas mãos para produzir a peça desejada, uma máquina

convencional oferece facilidades que auxiliam o processo de usinagem de uma peça,

como as alavancas, engrenagens e volantes, que permitem que o operador utilize a

máquina convencional através de movimentos repetitivos feitos pelas duas mãos,

porém os seres humanos não são capazes de repetir o mesmo movimento várias

vezes e também não são capazes de trabalhar por um longo tempo sem descanso e

é difícil de predizer os efeitos na operação de usinagem de uma peça, mas existirão

algumas diferenças e inconsistências entre peças de um mesmo lote, ou seja, estas

peças não serão exatamente iguais.

Entre as dificuldades comuns na usinagem convencional estão à capacidade

em manter as tolerâncias dimensionais e o acabamento superficial, sabe-se que cada

operador tende a desenvolver os seus próprios métodos que podem ser diferente de

operador a operador e que a combinação destes e de outros fatores, como o desgaste

de ferramentas, o uso de instrumentos de medição não calibrados, entre outros,

podem gerar inconsistências dimensionais e de acabamento de peça para peça.

Um operador trabalhando com comando numérico evita a maioria das

inconsistências presentes nos métodos convencionais, já que máquinas CNC não

exigem o mesmo envolvimento físico, evitando atividades repetitivas por parte do

operador que frequentemente são as causas de erros.

As maquinas CNC não possuem a mesma quantidade de alavancas, botões

e volantes que as máquinas convencionais, facilitando a sua operação e permitindo

uma menor interação humana com o equipamento.

Uma vez elaborado o programa de usinagem, este pode ser utilizado

inúmeras vezes sempre com os mesmos resultados. Isto não significa que não há

fatores limitantes.

As ferramentas de corte podem ter variações e as peças em bruto podem ter

variações dimensionais dentro de um mesmo lote, assim como as configurações de

máquina podem variar, mas estes fatores deverão ser considerados e podem ser

compensados quando necessário.

Mesmo com inúmeras vantagens o desenvolvimento da tecnologia CNC não

significa o fim das máquinas convencionais, havendo aplicações específicas onde o

uso de máquinas convencionais oferece uma solução mais eficiente e até mesmo

mais rápida.

2.1 Vantagens

O comando numérico computadorizado fornece uma série de vantagens

quando comparado aos métodos de usinagem convencionais. Além da economia no

processo de usinagem podemos citar:

O aumento na produtividade;

Facilidade de programação e controle de produção;

Troca automática de velocidades;

Redução de custos em controle de qualidade;

Aumento da qualidade;

Padronização de ferramentas;

Ferramentas intercambiáveis;

Alta versatilidade de operações;

Aumento do controle em operações complexas;

Possibilidade de simulações de usinagem;

Redução da quantidade de máquinas;

Aumento da vida útil de máquinas e ferramentas;

Aumento do controle sobre desgaste de ferramentas;

Alta flexibilidade de produção;

Aumento da repetitividade das peças;

Maior segurança do operador;

Redução do custo e produção mais rápida de protótipos de peças.

2.2 Desvantagens

Algumas desvantagens do comando numérico:

Alto custo de implementação (custo inicial);

Mão de obra qualificada para manutenção e programação;

Maior exigência de organização entre os setores da empresa.

3. FRESADORAS CNC

A definição de fresadoras CNC é muita ampla, todas as máquinas ferramentas

que possuem desde um simples eixo árvore até acima de cinco eixos podem ser

incluídas nesta categoria. Existem em vários tamanhos, formatos, adequadas a certos

trabalhos, etc., mas todas têm algo em comum: seus eixos primários são X e Y. Nesta

categoria de máquinas estão também as máquinas ferramentas de usinagem por

descarga elétrica, corte a laser, corte a jato d’água, corte a plasma, etc.

“Fresadora é uma máquina capaz de executar um movimento de corte,

utilizando uma fresa de topo como ferramenta primária ao longo de, ao

menos, dois eixos simultaneamente.” (SMID, 2000).

4. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO

Para demonstrar a aplicação do comando CNC, optou-se por desenvolver um

protótipo de uma fresadora router CNC, para produção de placas de circuito impresso

(PCI).

5. MECÂNICA

O protótipo da fresadora router CNC faz uso dos principais elementos

mecânicos: Estrutura, Mancal, Guias Lineares e Fuso.

5.1 Estrutura

O conjunto estrutural do protótipo é composto de aço tubular soldado, esse

elemento é indispensável na agregação dos demais conjuntos do sistema. Na

estrutura são fixados os demais componentes: Mancais, Guias Lineares, fusos e

Motores.

As dimensões estrutural dos eixos (X,Y e Z) são respectivamente 585mm x

400mm x 150mm.

Figura 01 – Estrutura de Aço Tubular

Fonte: Os Autores

5.2 Guias Lineares

Guias lineares são superfícies cilíndricas as quais são utilizadas para dar

estabilidade e direção ao deslocamento e permitir um posicionamento preciso da

máquina, o acabamento superficial de tais guias é de ótima qualidade, para garantir

suavidade e precisão de movimento ao longo das suas respectivas direções (X,Y e

Z), além de dar suporte para outro conjunto da estrutura.

Figura 02 – Guias Lineares

Fonte: Imagem extraída do site www.hobbycncbrasil.com.br33

5.2 Fuso

O fuso é responsável pela transmissão dos movimentos para os eixos. Optou-

se pelo uso do fuso trapezoidal pelo seu custo ser menor, já que a precisão não é o

principal foco do protótipo.

O fuso trapezoidal, no caso das máquinas operatrizes, trabalha acoplado a

uma porca trapezoidal encaixada à mesa que se quer mover, elemento já

considerado muito importante, alcançando precisão de 0,01 milímetros

(centésimo de milímetros), ou seja, este dispositivo possibilita posicionar ou

deslocar determinado equipamento com essa precisão.

O fuso de esferas recirculantes realiza o mesmo trabalho que o fuso

trapezoidal, com inúmeras vantagens, a começar pela precisão que é de

0,001mm (milésimos de milímetros). Um fuso de esferas é um mecanismo

que permite converter o movimento de rotação em translação e vice-versa,

3 Endereço eletrônico da imagem http://www.hobbycnc.com.br/site/index.php?Guias-Lineares

um fuso de esferas em um conjunto de acionamento que possui esferas como

elementos de giro.

Para se conseguir o movimento contínuo no fuso de esferas, é necessário ter

um circuito de recirculação (ou por fora da castanha com pistas de reenvio ou

por dentro da castanha com caminho também helicoidal) ou através de

insertos de reposicionamento das esferas. (FUSO..., 2008).

Figura 03 – Fuso Trapezoidal

Fonte: Imagem extraída do site THK.com4

5.2 Acoplamento

Acoplamento é um conjunto mecânico, empregado para transmitir movimento

entre os eixos. Os acoplamentos podem ser classificados como fixos, elásticos e

móveis. Por motivo de segurança os acoplamentos não devem conter saliências.

No desenvolvimento desse protótipo optou-se por usar o acoplamento fixo, que

serve para unir os eixos dos motores de forma como se fosse uma única peça.

Figura 04 – Acoplamento

4 Endereço eletrônico da imagem <http://www.thk.com/?q=br/node/4677>

Fonte: Imagem extraída do site mercadolivre.com.br5

6. ELETRÔNICA

Segue o descritivo dos componentes utilizados no protótipo.

6.1 Motor de Passo

Motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica, fornecida na

forma de trem de pulsos, em energia mecânica na forma de movimento rotacional

discreto, é alimentado com sinais digitais.

A cada pulso, ele faz incremento rotativo denominado “passo”. Uma volta completa

do eixo é determinada pelo numero de passos do motor.

Sua precisão também esta diretamente ligada ao número de passo por rotação,

ou seja, quanto maior o numero de passos, maior será a precisão do motor.

Existem dois tipos de motores de passo: Unipolar e Bipolar

O motor utilizado no protótipo é um NEMA 23 hibrido, por oferecer melhor

torque, resolução de passos e velocidade.

Tabela 1 – Especificação do motor

Ângulo

de

Passo

Número

de fios

Classe

de

Isolação

Temperatura

Máx. de

Operação

Conexão Torque

(Kgf.cm)

Corrente/

fase (A)

Resistência/

fase (ohms)

Indutância/

fase (mH)

1,8º 8 B 80ºC Unipolar 15 3,0 3.4 3

Figura 05- Motor de Passo Unipolar

5 Endereço eletrônico da imagem <http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-482240527-acoplamento-

flexivel-8x635mm-para-motor-de-passo-_JM>

Fonte: Os autores.

6.2 Placa de Interface

A Placa de interface é uma placa de circuito que permite a ligação de

equipamentos periféricos no computador, estabelecendo a comunicação entre as

partes e funciona como um tradutor de sinais.

Por demandar elevado conhecimento e tempo de desenvolvimento na

elaboração de uma placa de interface foi adquirida a placa Opto Isolada BPC-PRO

por atender a necessidade o projeto.

Tabela 2 – Especificações da Interface Opto Isolada BPC-PRO

Tensão de alimentação 9 a 12 VAC

Entrada de alimentação Circuito retificador integrado

Cabo de conexão Flat cable

Saída de rele 02 - 10A

Entrada de sinais 04 – P.E. , Limite X,Y,Z

Numero de Drivers 04

Tipos de Drivers STEP/DIR/ENA

Fonte: Tabela extraída do site Hobbycncbrasil.com.br66

Figura 06 – Interface Opto Isolada BPC-PRO

6 Endereço eletrônico da imagem <http://www.hobbycnc.com.br/site/index.php?aid=89>

Fonte: Os autores

6.3 Placa Controladora de Motor de Passo Unipolar

A Placa Controladora é um amplificador eletrônico de potência que fornece

energia necessária para operação do motor em resposta aos sinais de controle de

baixa potência gerados pelo microcontrolador.

O controle do motor de passo pode ser feito em malha aberta ou malha fechada.

Para que o motor de passo possa operar em malha aberta, é necessário que alguns

cuidados sejam tomados: as características de carga devem ser limitadas a fim de

evitar solicitações em excesso do motor; a velocidade máxima do motor, as taxas de

aceleração e desaceleração devem ser limitadas a um valor máximo. Assim, permite

que o motor tenha uma margem de segurança de trabalho em carga variável. Nestas

condições, pode ocorrer uma potencial perda de sincronismo entre os pulsos de

comando que são enviados ao motor e os passos executados por este, prejudicando

a precisão dos movimentos do mesmo.

Em um sistema de malha fechada onde há realimentação de posição, obtém-

se um melhor desempenho do motor de passo. Em muitas aplicações, mesmo com o

custo adicional do sensor de realimentação, os motores de passo se tornam uma

solução de melhor custo-benefício.

Em virtude do custo optou-se por adquirir uma placa de controle em malha

aberta do fabricante HobbyCNC Brasil.

Figura 07 – Placa Controladora de Motor de Passo Unipolar

Fonte: Os autores

6.3.1 Controlador

O controlador de sinais digitais da ATMEL ATtiny2313, consiste em um

poderoso dispositivo 8 bits com arquitetura AVR RISC que pode alcançar

velocidades de processamento de até 20MIPS (20 Milhões de instruções por

segundo) a 20MHz.

Esse dispositivo receberá o sinal digital do computador através da porta

paralela e irá gerar o trem de pulso PWM (Pulse width modulation) necessário para o

motor.

Figura 08 – Diagrama de Bloco

Fonte: imagem extraída do datasheet ATMEL ATtiny2313

7. SOFTWARE

Para que o protótipo execute os movimentos de fresamento da placa de

circuito impresso, primeiro é necessário à criação de um desenho do esquema

elétrico da placa em um programa especifico, em seguida essa imagem é convertida

para o layout da placa de circuito impresso, sendo este usado para gerar o código G

em um programa de Manufatura Assistida por Computador (CAM).

7.1 Mach 3

O software Mach 3 é um software que possui licença em torno de R$300,00.

Ele executa o código G, sendo uma opção flexível de baixo custo para

maquinas, tais como: plotters, mesas XY para corte de materiais, robôs manipuladores

cartesianos, tornos, fresadoras e centros de usinagens. A interface com os

acionamentos e sensores externos pode ser realizada através de uma ou duas portas

paralelas padrão do PC. Em adição as tradicionais portas paralelas pode-se expandir

o numero de entradas e saídas via interface Modbus RS232/ Ethernet. Pode-se ainda

empregar placas de controle de movimento mais especializadas ao invés da porta

paralela. O Mach 3 pode acionar motores de passo e também servomotores DC/AC

através de seus respectivos drivers que utilizam o padrão de comando passo/direção.

Como se trata de um CNC aberto o projetista de maquinas tem a sua disposição uma

ampla possibilidade de hardwares e configurações. As telas, os botões e as caixas de

dialogo podem ser configurados para cada aplicação.

Figura 10 – Tela principal do Software Mach 3

Fonte: Os autores

Para a apresentação do protótipo utilizamos uma versão DEMO, que limita a

quantidade de linhas de programação.

8. DIAGRAMA ESQUEMATICO DO PROTÓTIPO

9. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Durante a elaboração do protótipo a ideia inicial era que a mesa se deslocasse

no eixo X, porém verificou-se que isso iria limitar a área útil de trabalho, então

modificou-se o projeto e o deslocamento no eixo X é feito com o movimento da

ferramenta nos três eixos, ficando a mesa estática, obtendo assim uma maior área útil

de trabalho equivalente ao tamanho de uma folha A4.

Para o desenvolvimento do protótipo houve uma forte interação com

fornecedores de acessórios e componentes mecatrônicos, que resultou num grande

desafio contribuindo para o aprendizado acadêmico.

O protótipo atingiu uma precisão de 0,15mm, o grau de precisão para a

elaboração de uma PCI deve ser elevado, serão necessários ajustes para buscar uma

precisão de 0,1mm.

Este trabalho foi desenvolvido com material alternativo e pode servir como base

para quem deseja conhecer sobre o assunto ou se aventurar na montagem de sua

própria fresadora router.

REFERÊNCIAS

Apostila CNC, curso de programação CNC. ENSITEC

COUTINHO, L.; FERRAZ J.C.; Estudo da Competitividade da Indústria Brasileira, M.R. Cornacchia Ltda, 1995.

DUTRA, C.B.S; MENDONÇA, F,K; SOUZA, C.G; BONACORSO, N.G. “Retrofitting para prototipagem de placa eletrônica” IFSC, 9p, 2008

Fuso de Esferas recirculantes e guias lineares, 2008. Disponível em <HTTP://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/272>. Acessado em 03 de Maio de 2013

HTTP://www.ebah.com.br/content/ABAAAAxBgAA/objetivo-principal-deste-atualmente-fresamento. (Acessado em 31/05/12 22:15)

HTTP://fatec.org/v02/component/option,com_docman/task.../Itemid,26/(acessado em 31/05/12 22:30)

HTTP://blog.guiacnc.com.br/2011/02/guiacnc-na-revista-maquinas-e-metais/

MASTELARI, N. Desenvolvimento de um Editor/Simulador para Centros de Torneamento CN. Campinas, 100p, Universidade Estadual de Campinas, Dissertação (Mestrado), 1996.

PORTER, M. The Competitive Advantage of Nations, New York, Free Press, 1990

Smid, P. CNC Programming handbook, New York, Industrial Press, 2000, 620p