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Faculdade de Tecnologia de Garça - Fatec Garça
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JACSON CAMPI COSTA
MARCUS VINICIUS TAVATES SAMPAIO
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE BOBINADEIRA
Garça
2012
Faculdade de Tecnologia de Garça - Fatec Garça
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JACSON CAMPI COSTA
MARCUS VINICIUS TAVARES SAMPAIO
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE BOBINADEIRA
Artigo Científico apresentado á Faculdade de
Tecnologia de Garça – FATEC, como
requisito para conclusão do Curso de
Tecnologia em Mecatrônica Industrial,
examinado pela seguinte comissão de
professores:
__________________________________
Prof. Dr. Dani Marcelo Nonato Marques
FATEC Garça
__________________________________
Prof. Ms. Edson Detregiachi Filho
FATEC Garça
__________________________________
Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes
FATEC Garça
Data da Aprovação: ___/___/___
Garça
2012
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1- Indutores ................................................................................................................. 2
Figura 2 – Representação do motor de passo com duas fases e dois estatores. ........................ 6 Figura 3 - Uma- Duas fases .................................................................................................... 7
Figura 4 - Placa de circuito impresso. ..................................................................................... 8 Figura 5 - Imagem do Microcontrolador MC9S08AC32 ......................................................... 8
Figura 6– Estrutura do protótipo........................................................................................... 11 Figura 7- Suporte para o carretel de fios de cobre ................................................................. 12
Figura 8- Tensionador .......................................................................................................... 12 Figura 9-Roldanas, uma escrava e a outra motora. ................................................................ 13
Figura 10-Guia fixo. ............................................................................................................. 13 Figura 11-Eixo. .................................................................................................................... 14
Figura 12-Faca. .................................................................................................................... 14 Figura 13-Mecanismo de extração. ....................................................................................... 15
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................... 1
1.1 Automação em Pequenas e Médias Empresas ..................................................... 2
1.2 Indutores ............................................................................................................ 2
1.3 Microcontrolador ............................................................................................... 3
1.4 Motor de Passo ................................................................................................... 3
1.4.1 Motores de passo unipolares............................................................................... 4
1.4.2 Motores de passo bipolares ................................................................................ 4
1.5 Controle de Motor de Passo ............................................................................... 5
1.5.1 Uma - duas fases ................................................................................................ 6
2. METODOLOGIA ....................................................................................................... 7
3. DESENVOLVIMENTO .............................................................................................. 7
3.1 Placa lógica de controle ..................................................................................... 7
3.1.1 MC9S08AC32 Freescale ..................................................................................... 8
3.1.2 Ponte H .............................................................................................................. 9
3.1.3 MOSFET .......................................................................................................... 10
3.2 Estrutura Do Protótipo ..................................................................................... 10
3.1.1 Requisitos do projeto ........................................................................................... 11
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................... 15
REFERÊNCIA .................................................................................................................... 16
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE BOBINADEIRA
Jacson Campi Costa
Marcus Vinicius Tavares Sampaio
ABSTRACT
The research that resulted in this article aimed to construct a prototype of coil winding
machine, for making coils used in audio amplifiers. The work explores the automation of a
process on a local industry with the development of a prototype. The coil winding machines
available in the market are significantly expensive, so the small and medium industries still
rely on manual process, which reduces the productive capacity, since the process required a
lot of manual adjustments, spending much time and workforce. The prototype aims to meet all
the proposed requirements, reducing costs and standardizing the product.
Keywords: Prototype. Coil Winding Machine. Machines. Process.
RESUMO
O trabalho de pesquisa que resultou no artigo objetivou a construção de um protótipo sobre
bobinadeira automática, para a confecção de bobinas, utilizadas em amplificadores de áudio.
O trabalho explora a automação de um processo em uma industria local com a elaboração de
um protótipo. As máquinas automáticas disponíveis no mercado possuem custos elevados, por
isso, as indústrias de pequeno e médio porte ainda recorrem ao processo manual, o que limita
sua capacidade de produção, pois o processo manual demanda muitos ajustes, consumindo
muito tempo de mão de obra. O protótipo tem como objetivo atender todos os requisitos
propostos, diminuindo custo e padronizando o produto.
Palavras-chave: Protótipo. Bobinadeira. Máquinas. Processo.
1
INTRODUÇÃO
O processo mais utilizado para fabricação dessas bobinas é o processo manual, onde
um fio de cobre esmaltado é medido, cortado e com o uso de um cadinho (recipiente de
cerâmica com estanho derretido) estanha as pontas do fio. Concluída esta etapa, é utilizada
uma bobinadeira manual, onde este fio é tensionado e enrolado em um carretel de diâmetro
conhecido controlando as voltas para que essa bobina não saia de sua especificação técnica.
Existem vários processos de bobinadeiras automatizadas, porém são caros e não
viáveis para empresas de pequeno e médio volume de produção. Desta forma este trabalho
busca propor um conceito ou técnica nova para redução de custo no processo de produção de
bobinas de núcleo de ar, a fim de viabilizar um processo automático para pequenas medias
empresas.
Será utilizado o método de estudo exploratório de um protótipo. Serão utilizados
softwares e aparelhos de medição.
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A automação em processos produtivos se constitui na substituição do ser humano por
uma máquina, e apresenta maior confiabilidade e melhor precisão, realizando trabalhos onde
o ambiente é nocivo à saúde do trabalhador.
A automação é aplicada na indústria, não somente com o intuito de diminuir o número
de funcionários, mas também para o aumento da produtividade e da competitividade.
Segundo Ribeiro (2001, p. 12) “a automação é a substituição do trabalho humano ou
animal por máquina. [...] muitas pessoas pensam e temem que a automação signifique perda
de empregos, quando pode ocorrer o contrário.”.
Com o surgimento do circuito integrado e o microprocessador, a automação se tornou
viável no ambiente industrial.
“Com o advento do circuito integrado (1960) e do microprocessador (1970), a
quantidade de inteligência que pode ser embutida em uma máquina a um custo razoável se
tornou enorme” (RIBEIRO, 2001, p. 12).
2
1.1 Automação em Pequenas e Médias Empresas
Empresas de pequeno e médio porte podem utilizar da automação de processos,
aumentando assim sua produtividade e também sua competitividade.
Ribeiro (2001, p. 13) afirma que “empresas não podem competir economicamente
com outras por causa de sua baixa produtividade devida à falta de automação.”.
Na opinião de Rosário (2009, p. 15) “nos últimos anos, com a globalização, as
indústrias passaram por grandes transformações, com o intuito de se tornarem mais
competitivas.”.
As empresas de pequeno e médio porte devem estar atentas a processos que podem ser
automatizados, pois devido ao baixo poder aquisitivo, não é possível uma competição com
empresas de grande porte.
1.2 Indutores
O projeto tem como objetivo automatizar o processo de bobinar o indutor, que é
formado por um fio enrolado em forma de espiral.
De acordo com Braga (2001 p. 11) “os indutores ou bobinas são componentes
formados por espiras de fio esmaltado que podem ser enroladas numa forma sem núcleo, com
núcleo de ferro ou ferrite.”.
Na figura 1, aparece a simbologia e os tipos de indutores e seus aspectos.
Figura 1- Indutores
Fonte: Braga (2001, p. 11.)
3
O controle da quantidade de voltas (espiras) utilizou-se um microcontrolador, capaz de
processar informações e tomar as devidas decisões, para que o processo seja executado de
forma automática.
1.3 Microcontrolador
Os microcontroladores são dispositivos de tamanho reduzido, capazes de realizar
controle de máquinas e equipamentos eletroeletrônicos por meio de programas. São
dispositivos que reúnem em um único circuito integrado diversos componentes de um sistema
computacional simplificado. Em outras palavras, pode-se afirmar que um microcontrolador é
um pequeno microcomputador integrado em um único chip. Segundo Braga (2001, p. 14), “os
microprocessadores e os microcontroladores são um tipo especial de circuito integrado que se
destinam ao controle e processamento de informações na forma digital”.
Existem vários modelos de microcontroladores e várias marcas, o que possibilita ao
projetista analisar e escolher o que melhor se encaixa em seu projeto. Conforme Magoga
(2001, p. 53), em sua obra “a variedade de microcontroladores no mercado é muito grande,
entre os mais comuns podemos citar os da linha Intel 8031/32/51/52, a linha da Atmel 89Sxx,
a série PIC da Microchip, a linha 68xx da Motorola, COP8 da National entre vários outros
fabricantes”.
A utilização de circuitos discretos para o controle de motor de passo pode deixar o
circuito muito grande, na opinião de Braga (2008) “usando-se circuitos discretos para essas
etapas, têm-se o problema do espaço ocupado ser maior, além do aumento do custo, por isso a
utilização de microcontroladores nessas aplicações torna-se cada vez mais comum.”,
tornando-se essencial, realizando o controle do motor de passo monitorando sua posição e
executando alterações necessárias para as variáveis de processo.
1.4 Motor de Passo
O motor de passo, assim como motores comuns, converte energia elétrica em energia
mecânica, como caracteriza Santos Filho (2002, p. 22) “os motores de passo podem
apresentar duas ou quatro bobinas (fases) internas que, ao serem energizadas adequadamente,
4
permitem fazer o controle dos movimentos angulares discretos do rotor”. No entanto os
motores de passo possuem características que diferenciam seu funcionamento dos motores
comuns, uma dessas características é sua precisão, segundo Brites e Santos (2008, p. 3) “o
ponto forte de um motor de passo não é a sua força (torque), tampouco sua capacidade de
desenvolver altas velocidades - ao contrário da maioria dos outros motores elétricos - mas sim
a possibilidade de controlar seus movimentos de forma precisa.”.
1.4.1 Motores de passo unipolares
Os motores de passo unipolares mais comuns possuem duas bobinas com seis fios, e
cada bobina possui um Center-tape. Queiroz (2002, p. 3) alega que “o center-tape, tem como
função alimentar o motor, enquanto que os terminais quando aterrados, efetuam o controle do
movimento.”.
Ao submeter uma tensão em uma das bobinas, o campo magnético induzido no
estator, provoca um movimento de rotação no rotor do motor até atingir um determinado
ponto de equilíbrio. Este movimento é possível, pois as bobinas do motor são isoladas umas
das outras.
Como existem duas bobinas e duas direções em que a corrente pode fluir no motor. É
necessário então saber qual a sequencia correta que se devem aterrar os terminais para fazer o
motor girar continuamente, ou seja, saber qual a ordem correta dos fios que a corrente fluirá
para produzir um campo magnético que atrairá o rotor do motor para que ele gire em
sequencia.
1.4.2 Motores de passo bipolares
Os motores de passo bipolares possuem uma excelente relação tamanho/torque no qual
ao comparar um motor unipolar do mesmo tamanho proporcionam um torque superior.
O motor de passo bipolar não possui center-tape, é constituído por enrolamentos
separados. Por esta característica, o motor foi chamado de bipolar.
Os motores de passo bipolares mais comuns possuem quatro fios, onde um simples
teste de resistência mostra qual dos fios pertence a sua respectiva bobina.
5
Queiroz (2002, p. 10) afirma que “o circuito de controle de motor de passo utilizado
para inverter a polaridade, pode acionar tanto motores bipolares como unipolares. Os motores
bipolares são simplesmente motores unipolares sem os Center tapes.”.
1.5 Controle de Motor de Passo
Para trabalhar com motor de passo, assim como qualquer outro componente eletrônico
são necessário algumas informações. Segundo Brites e Santos (2008, p. 9) “as características
mais importantes que devemos ter atenção para controlar um motor de passo são a tensão de
alimentação e a corrente elétrica que suas bobinas suportam”.
Para que o motor de passo possa funcionar de forma correta e para obter maior
desempenho, é necessário saber a ordem correta de acionamento das bobinas, na opinião de
MOTORES... (2007, p. 38) “os motores de passo são formados por quatro bobinas que devem
ser excitadas numa certa ordem, ou ainda de acordo com o posicionamento desejado.” O
modo em que o motor ira atuar depende de qual característica será abordada. Para Brites e
Santos (2008, p. 9) “a forma com que o motor irá operar dependerá bastante do que se deseja
controlar. Há casos em que o torque é mais importante, outros a precisão ou a velocidade”. O
acionamento dessas bobinas depende da aplicação. Conforme a figura 2.
6
Figura 2 – Representação do motor de passo com duas fases e dois estatores.
Fonte: Santos Filho (2007)
1.5.1 Uma - duas fases
Para maior precisão no controle do motor de passo será adotado a configuração de
uma - duas fases. De acordo com Queiroz (2002, p. 10) “efetivamente dobra a sua precisão,
porém o torque não é uniforme a cada passo.”.
Na figura 3 as letras A, B, e representam as bobina e em azul estão sendo
energizadas. Podendo assim visualizar como as bobinas seriam acionadas no acionamento
Uma- Duas fases. Segundo MOTORES... (2007, p. 39) “uma e duas fases são excitadas
alternadamente levando o rotor ao movimento ou posição desejada.”.
7
Figura 3 - Uma- Duas fases
Fonte: Motores (2007).
2. METODOLOGIA
Utilizou-se o método de estudo exploratório de um protótipo. Para coleta de dados uma
entrevista será realizada junto à empresa que confecciona a bobina. Serão utilizados os
seguintes softwares, P-CAD 2006 para o desenho do circuito impresso, Codewarrior
Development Studio for Microcontrollers V6. 3, para o desenvolvimento do firmware do
microcontrolador, Top Solid Cad 2012 para o desenho da parte mecânica. Aferição das
tensões, correntes e resistências dos circuitos utiliza-se o multímetro e o paquímetro para
medir a mecânica, chapas, furos, eixos.
3. DESENVOLVIMENTO
3.1 Placa lógica de controle
Para a lógica de controle utilizou-se um microcontrolador da Freescale, modelo
MC9S08AC32, O microcontrolador tem como função gerenciar o acionamento dos motores
de passo, informar em que passo o motor esta localizado, guardar e disponibilizar
informações.
8
Desenvolveu-se a placa de circuito impresso (PCI) através do Software P-CAD,
fabricada em uma placa de fenolite de face simples e fresada pelos autores. Como aparece na
figura 4.
Figura 4 - Placa de circuito impresso.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
3.1.1 MC9S08AC32 Freescale
Para realização do protótipo utilizou-se o modelo MC9S08AC32 da Freescale
(Figura4), um microcontrolador com 64 pinos (terminais), o que possibilita mais opções para
o desenvolvimento.
Figura 5 - Imagem do Microcontrolador MC9S08AC32
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
9
Ele consiste em um microcontrolador de alto desempenho e baixo custo, da família
HCS08 de oito bits com 32,768 bytes de memória FLASH e 2048 bytes de memória RAM.
Possui 64 pinos arranjados em um encapsulamento LQFP64 - SMD (Surface Mount Device/
Dispositivo de montagem em superfície).
O Microcontrolador possui algumas características importantes para o
desenvolvimento do projeto, são elas:
Encapsulamento SMD (LQFP64). Este permite a redução física da central eletrônica,
contribuindo com a redução de custos.
Relógio independente (clock) para Watchdog. Esta é uma proteção para que, caso haja
alguma divergência no processamento do microcontrolador, ele gera um auto reset e
mantém o funcionamento normal do sistema, evitando travamentos.
Timer PWM (Pulse Width Modulation). São terminais de saída dedicados ao
acionamento de motores, para um melhor controle de velocidade e posicionamento
utilizando a técnica de Modulação por largura de pulso.
Gerador de Relógio Interno. Este possui um circuito oscilador interno, tornando
desnecessária a utilização de um circuito oscilador externo, contribuindo com a
redução de custos.
Modo Debug. Este modo permite que durante o desenvolvimento do Firmware, seja
possível a simulação e validação do código fonte.
Conversor A/D, são pinos de entrada que convertem um sinal analógico para um sinal
digital, desta forma é possível à utilização de alguns sensores.
3.1.2 Ponte H
Os motores de passo que serão utilizados na construção do protótipo foram retirados
de impressoras um dos lugares mais fáceis de encontrar esse tipo de motor. De acordo com
Magoga (2001, p. 57) “a maior fonte para a obtenção de tais motores são as impressoras fora
de funcionamento”.
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Utilizado na robótica, a ponte H é um circuito eletrônico que possibilita que um motor
gire tanto para um lado como para o outro, pode ser encontrado em circuitos integrados. O
nome ponte H refere-se à estrutura que o circuito assume quando montado.
Para efetuar o controle dos motores bipolares, têm-se o circuito integrado do tipo
MTS2916A, que é uma ponte H. O MTS2916A tem características que pode abranger vários
modelos de motor de passo e também comunicação direta com o microcontrolador. Para
Garcia, Paiva e Barbosa “circuitos integrados do tipo ponte H, MTS2916A, que é projetado
para acionar motores de até 5 A, possui ainda proteção de sobre-corrente, excesso de
temperatura e lógica de controle para comunicação direta com microcontroladores.”.
Segundo Brites e Santos “para construção da ponte H pode ser utilizado qualquer tipo
de componente que simule uma chave liga-desliga como transistores, reles, mosfets.”.
3.1.3 MOSFET
Para o controle dos motores unipolares utilizou-se o MOSFET (sigla em inglês
transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico), que é uma excelente
alternativa para controle de motores de corrente continua, devido a sua capacidade de
trabalhar em alta frequência, altamente imunes a ruídos, consomem pouca potencia,
impedância de entrada é muito elevada.
De acordo com Braga (2007, p. 20) “os transistores de efeito de campo de potência
(MOSFETs de Potência) consistem numa excelente alternativa para o controle de motores CC
dada sua baixa resistência de condução e impedância de entrada extremamente elevada.”.
3.2 Estrutura Do Protótipo
A estrutura do protótipo é feita de acrílico, foi desenvolvido no software Top Solid Cad. Na
figura 6 aparece á estrutura desenhada no Top Solid Cad.
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Figura 6– Estrutura do protótipo
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
3.1.1 Requisitos do projeto
O projeto consiste em uma bobinadeira automática utilizada para confecção de
bobinas de cobre com núcleo de ar. Para a transformação de fios de cobre em indutores, serão
necessárias sete etapas:
Suporte para o carretel de fios de cobre.
A etapa consiste em um suporte para o carretel de fios de cobre (figura 7), a tampa
deste suporte possui um furo centralizado para passagem do fio, prevendo uma maior
facilidade para que o fio se desenrole do carretel sem que ele enrosque ou fique tensionado
demais.
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Figura 7- Suporte para o carretel de fios de cobre
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
Tensionador.
A segunda etapa consiste em roldanas feitas em tecnil e dispostas de forma paralela,
onde o fio de cobre passará por entre elas e será submetido a uma pressão (figura 8). Este
tensionador é necessário para que o esforço sofrido pelo fio, não seja passado de forma brusca
para o carretel mantendo o fio esticado e fazendo com que o fio se desenrole do carretel de
forma natural.
Figura 8- Tensionador
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
13
Alimentadores controlados.
A terceira etapa possui um alimentador que tem por objetivo puxar o fio para que
chegue ao eixo que vai enrolado-lo (Figura 9). Este alimentador será feito com duas roldanas,
uma escrava e a outra motora. O fio passará por entre as roldanas subtendo-se a uma pequena
pressão de forma que, quando a parte motora for acionada puxará o fio.
Figura 9-Roldanas, uma escrava e a outra motora.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
Guia fixo.
A quarta etapa é um guia para o fio (figura 10), que é feito em aço carbono 1040 com um furo
centralizado. É ele quem guiará o fio até o eixo.
Figura 10-Guia fixo.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
14
Eixo.
Esta quinta etapa será utilizado um motor de passo para enrolar o fio e contar quantas
voltas foram dadas. O projeto prevê um eixo em tecnil (figura 11) acoplado ao eixo do motor.
Figura 11-Eixo.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
Corte.
A faca (figura 12) é feita em aço carbono 1045, que será acionada após a quantidade
certa de espiras, que irá cortar o fio de cobre.
Figura 12-Faca.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
15
Extração.
A etapa final tem por objetivo retirar o indutor pronto do eixo do motor, para isso será
projetado um mecanismo que consiste em um motor com um fuso (figura 13), para que o eixo
encolha e expulse o indutor que cairá em uma rampa.
Figura 13-Mecanismo de extração.
Fonte: Elaborado pelos autores (2012)
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Pretendeu-se com o trabalho proporcionar, de forma muito clara e objetiva, uma
familiarização com os principais dispositivos utilizados no protótipo. Para satisfazer este
objetivo, optou-se por uma descrição de cada elemento. Com o resultado do protótipo,
conseguimos por meio da prática a viabilidade da construção de uma bobinadeira, de forma
acessível a pequenas e médias empresas. A bobinadeira mostrou-se eficaz na produção de
bobinas de núcleo de ar, aumentando assim a produtividade e a conformidade referente ao
processo manual.
16
REFERÊNCIA
BRAGA, Newton C.. Controle de Motor de Passo. Disponível em: <
http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/474> Acesso em: 14 nov. 2012
BRAGA, Newton C.. Eletrônica básica para mecatrônica. Mecatrônica Fácil. São Paulo, n.
1. Editora Saber, p. 9-17, out/nov. 2001.
BRITES, Felipe Gonçalves; SANTOS Vinicius Puga de Almeida. Motor de passo. Disponível
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2007.
COSTA, Filipe de Oliveira; BERNARDO, Ivelize Rocha. PowerPC – A história de
produção de chips da ibm. Disponível em: <
http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2011/T2/Artigos/G06-109230-109222-T2.pdf>.
Acesso em: 13 out. 2012.
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<http://pessoal.utfpr.edu.br/gustavo/apostila_micro.pdf.> Acesso em 18/04/2012.
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Saber, p. 53-57, out/nov. 2001.
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QUEIROZ, Ricardo Alexandro de Andrade, Motores de passo. . Disponível em: <
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2012.
RIBEIRO, Marco Antônio. Automação industrial. Bahia: Tek Treinamento & Consultoria
Ltda, 4. ed. 2001.
17
ROSÁRIO, João Mauricio. Automação industrial. São Paulo: Editora Baraúna, 2009.
SANTOS FILHO, Sebastião G. dos. Controle de mesa xy: utilizando motor de passo. São
Paulo. Mecatrônica Atual. n. 2. Editora Saber, p.28-35, fev. 2002.