Pedro Dreyer

Desenvolvimento da aparelhagemeletro-eletrônica de uma plataforma CNC

multiuso

Brasil

2015, v-1.9.5

Pedro Dreyer

Desenvolvimento da aparelhagem eletro-eletrônica deuma plataforma CNC multiuso

Projeto de pesquisa referetente ao trabalhode conclusão de curso do curso de EngenhariaMecânica da Universidade Federal de Pernam-buco.

Universidade Federal de Pernambuco

Centro de Tecnologica e Geociências

Departamento de engenharia Mecânica

Brasil2015, v-1.9.5

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – CNC’s voltados para o mercado caseiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Figura 2 – Previsão de crescimento do setor de impressoras 3D . . . . . . . . . . . 14Figura 3 – Motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 4 – Controlador central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 5 – Diagrama com os componentes básicos de uma extrusora para impres-

soras 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 6 – Cabeçote de trabalho de uma fresadora CNC . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 7 – Configuração para realizar scanner 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 8 – Diodo laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 9 – Ambiente de trabalho do Solidworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 10 – Placa RAMPS 1.4 com esquema de fiação . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 11 – Balança digital na qual foi retirada a célula de carga . . . . . . . . . . 28Figura 12 – Configuração da ponte de Wheatstone na célula de carga . . . . . . . . 29Figura 13 – Extrusora quente modelo E3D V6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 14 – Ambiente de trabalho do MESHCAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 15 – Extrusora quente modelo E3D V6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

TABELA

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

UFPE Universidade Federal de Pernambuco

CNC Controle Numérico Computacional

CAD Computer Aided Design

PMC Plataforma Multiuso CNC

SUMÁRIO

1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1 Delimitação do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Fundamentação teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Eletrônica Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Motores de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.2 Fonte de alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.3 Controlador central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.4 Fins de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.5 Sensor de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Eletrônica Específica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.1 Impressora 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Fresadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.3 Scan 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.4 Engravadora laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3 Softwares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1 Programa CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.2 Gerador de G-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.3 Interpretador de G-code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1 Motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2 Controlador central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.3 Fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.4 Célula de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.5 Diodo laser e driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.6 Scanner3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.7 Extrusora 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.8 Fonte de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.9 Gerador de G-code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.10 Interpretador de G-code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

11

1 INTRODUÇÃO

Pode-se denominar máquinas-ferramentas com Controle Numérico Computadori-zado(CNC), aquelas que apresentam seus movimentos e ações controlados através de umcomputador. Dentre os modelos de máquinas CNC pode-se citar fresadoras, máquinas decorte a laser, dobradeiras e impressoras 3D. Tais componentes, apesar de serem mais carosque similares operados manualmente, apresentam uma série de vantagens, como maiorvelocidade de trabalho, precisão e repetibilidade, que compensam o custo extra, fazendocom que esses tipos de máquinas sejam utilizados atualmente em praticamente todos ossetores da industria.

Apesar do uso comum na industria, os altos custos fizeram com que os CNC’snão fossem inicialmente voltados para uso doméstico. No entanto, na última década, aminiaturização de componentes e a diminuição dos custos das partes eletrônicas fizeramcom que um CNC voltado para o mercado caseiro tornar-se realidade. A Figura 1 apresentaalgum desses modelos.

Dessa forma os autores desse projeto de pesquisa acharam válido tentar desenvolveruma dessa máquinas como trabalho de conclusão do curso de graduação em engenhariamecânica, tendo em vista utilizar o projeto final para uma possível comercialização futura.

O trabalho que se segue se propõe a XXX as decisões de engenharia utilizadasdurante o projeto, construção e otimização da Central Multiuso CNC (CMC) que temcomo funcão asdasd asdojasodjoiasjd o

1.1 Delimitação do problema

As CNC’s mais comuns, comercializados para o mercado caseiro são as Impressoras3D, os engravadores a laser e fresadoras. Obviamente cada um funciona de forma bastantediferente, no entanto eles também dividem muitas características em comum, como:

Carcaça: Elemental estrutural principal do CNC. Sob ela que serão montados todos osoutros componentes.

Sistema de movimento linear: Conjunto de componentes que vão garantir que a fer-ramenta do CNC consiga se movimentar espacialmente. Ex: trilhos, eixos retificados,seguidores lineares.

Sistema de acionamento : Partes usadas para movimentar a ferramenta do CNC aolongo dos seus eixos de trabalho. Ex: fuso de esferas, parafuso de avanço, correiasdentadas, cremalheiras.

12 Capítulo 1. Introdução

Figura 1 – CNC’s voltados para o mercado caseiro

Fonte: http://www.3ders.org/,2015

Motores: Atuam sob o sistema de acionamento de maneira especifica e controlada,permitindo que o computador controle exatamente a posição da ferramenta. Ex:motores de passo, servo motores.

Controlador Geral: Cérebro do CNC. É ele que irá fazer a conexão entre o computadore os componentes mecânicos do CNC.

Componentes eletrônicos: Nessa categoria estão inclusos as demais partes eletrônicas:Fontes de energia, fiação, sensores de proximidade, etc.

Assim faz bastante sentido em tentar criar uma plataforma multiuso, que combinetodos os itens citados acima, e que consiga, a partir do advento de anexos desenvolvidosseparadamente, se adaptar as mais diversas aplicabilidades. Inicialmente a idéia eraincorporar a função dos três tipos de CNC citados anteriormente e a habilidade de scanearobjetos tridimensionalmente. No entanto devido a limitações relacionadas ao tempo do

1.2. Justificativa 13

projeto e erros de aplicação, não foi possível desenvolver as últimas duas funções. Assima versão atual do protótipo apenas realiza operações de impressão 3D e fresamento. Noentanto vale ressaltar que o foco desse trabalho é o desenvolvimento da plataforma emsi, fazendo dela o mais modular possível, permitindo que mais adiante outros anexossejam facilmente desenvolvidos. Um exemplo da facilidade da inclusão de novas funcõesfoi o advento de um sistema automático de medição da altura da ferramenta, que nãoestava inicialemnte nas funcões da máquina mas que foi adicionado ao longo do seudesenvolvimento.

A ideia de combinar diversas funções em uma mesma estrutura não é algo inovador,com pelo menos uma companhia já comercializa algo semelhante (FLUX. . . , 2015). Noentanto, isso não é motivo para desencorajamento uma vez que esse campo é extremamentenovo, onde diversos projetos serão desenvolvidos ao tentar criar um produto que obtenhaêxito mercadológico.

Devido a grande complexidade deste no projeto e construção de um CNC, o trabalhofoi realizado em duas partes. A primeira levou em consideração as escolhas dos componentesmecânicos do sistema. A outra tratou das especificações eletro-eletrônicas e implementaçãode softwares. Essas duas áreas foram divididas entre os autores(Ailson Matoso e PedroDreyer), sendo que esse trabalho será acerca da parte eletro-eletônica e softwares. Parafacilitar a identificação do projeto em desenvolvimento os autores criaram um acrônimo:PMC (Plataforma Multiuso CNC)

Assim a pergunta de pesquiva fica definida da seguinte forma: Como projetaruma aparelhagem eletro-eletrônica de uma plataforma CNC multiuso?

1.2 Justificativa

Uma tendência tem sido observada nos últimos anos: cada vez mais, equipamentosque realizam apenas uma função específica vêm ficando obsoletos. Pode ser citado ocaso do reprodutor de música (mp3). Desde a criação do iphone (smartphone da Appleque entre suas várias funções, reproduz arquivos de audio) em 2010, as vendas do Ipod(reprodutor de audio da mesma empresa) diminuiram vertiginosamente (HOLLISTER,2014). O Smarthphone é um bom exemplo de um item que conseguiu juntar a funçãode vários equipamentos com bastante eficácia (ONG, 2012): Relógio, gravador de audio,câmera fotográfica, alarme, são alguma das funções que o smarthphone possuem e são tãoboas quanto equipamentos especializados, tomando grande parte dos seus correspondentesmercados. Essa é uma das grande justificativas do sucesso de vendas atualmente desmarthphones, sendo possuído por grande parcela da população. Esse é apenas um casodentre os vários, como multiprocessador de alimentos, videogames, canivetes, onde objetosforam desenvolvidos para juntar diversas funcionalidades.

Segundo estudos (GLOBAL. . . , 2015) o mercado de impressão 3D deve crescer

14 Capítulo 1. Introdução

em média 44% até 2019, conforme apresenta a Figura 2. Esses números fazem levar acrer que o mercado de CNC’s apresenta uma ótima oportunidade de investimento. Isso éparticularmente relevante no Brasil, onde poucos equipamentos são fabricados em territórionacional, ficando dependente de importações, que encarecem os preços dos produtos devidoaos altos impostos.

Figura 2 – Previsão de crescimento do setor de impressoras 3D

Fonte: www.canalys.com, 2015

O desenvolvimento de uma plataforma CNC multiuso concebida e fabricada emterritório nacional tem grandes chances de ser um sucesso mercadológico, uma vez que iráaliar múltiplas funcionalidades em um único produto juntamente com um baixo custo, aoutilizar métodos de fabricação e componentes disponibilizados localmente.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

• Investigar como projetar uma aparalhagem eletro/eletrônica de uma plataformaCNC multiuso.

1.3. Objetivos 15

1.3.2 Objetivos Específicos

• Escolher os equipamentos eletrônicos (motores de passo, fonte de alimentação,controlador geral, etc)

• Utilizar o máximo de componentes de empresas locais de forma a diminuir custos.

• Desenvolver/adaptar um software que funcione em todos os modos de trabalho daPMC.

17

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O cresimento do mercado de CNC’s coincidiu com a popularização da Internet eno aumento do compartilhamento de informações. Grande parte do conhecimento sobreCNC’s pode ser encontrado única e exclusivamente online. A maior parte dos novosprojetos na área, são desenvolvidas por pequenas empresas, ou pessoas físicas, que muitasvezes disponibilizam seus projetos na internet. Assim, ao contrário de outras áreas deEngenharia Mecânica/Eletrônica, a disponibilidade de livros textos e artigos científicossobre CNC’s é bastante limitada. Dessa forma a grande maioria das fontes citadas nessetrabalho constarão de conteúdos originários da Internet.

Nas paginas seguintes estão apresentadas toda a aparelhagem eletrônica e softwaresque terão de ser desenvolvidos/adaptados de forma a possibilitar que seja possível odesenvolvimento do PMC.

2.1 Eletrônica Geral

Nesta seção foram tratados os componentes gerais, utilizados em qualquer tipo demodo de operação do CNC.

2.1.1 Motores de passo

Os motores de passo, apresentados na Figura 3, são um tipo de motor elétricoque pode ter sua rotação controlada precisamente. Ao contrário dos motores de correntecontínua o motor de passo girará um determinado incremento angular para cada pulsode energia. Esses pulsos são provenientes do driver de motor de passo, que são chipsencontrados dentro do controlador geral que transformam as informações geradas pelocomputador em sinais elétricos para movimentar os motores de passo.

Para a escolha dos motores devem ser observados basicamente dois fatores: o torquede trabalho necessário e o incremento angular por passo. O primeiro é determinado pelosomatório do peso das partes móveis com as forças de usinagem. O segundo é o parâmetroque irá indicar basicamente a precisão do CNC. Quanto menor o valor do incremento maispreciso é o motor. Valores normais variam entre 0.9 e 1.8 graus por passo (STEPPER. . . ,2015b)

2.1.2 Fonte de alimentação

Apesar de que o controlador será conectado ao computador através de uma conexãoUSB, ela não é suficiente para fornecer energia a todos os componentes do sistema. Assim

18 Capítulo 2. Fundamentação teórica

Figura 3 – Motor de passo

Fonte: Wikipedia, 2015

é necessária uma fonte de alimentação externa para alimentar motores de passo e outroscomponentes que necessitem de uma voltagem mais alta.

2.1.3 Controlador central

O controlador central, apresentado na Figura 4, é basicamente um microcontroladorque tem como função principal interpretar os comandos gerados pelo computador emsinais elétricos para mover os motores de passo. Dependendo do tipo de controladorescolhido pode-se ter diversas funções secundárias, como conexão com a internet, controlede temperatura, auto calibração e suporte para cartões SD (SMOOTHIEBOARD, 2015).

Figura 4 – Controlador central

Fonte: www.smoothieware.org, 2015

2.2. Eletrônica Específica 19

Um dos componentes essenciais do controlador geral são os drivers do motores depasso. Basicamente os drivers permitem inverter o sentido da corrente, passo essencial nocontrole de motores de passo. Alem disso esses circuitos funcionam como um conectorentre o microprocessador e os motores(necessário uma vez que os motores utilizam tensõesmuito mais elevadas que o microprocessador).

2.1.4 Fins de curso

Fins de curso, são sensores de toque, usados para delimitar a área de trabalhodo PMC. No primeiro caso são colocados fins de curso próximo aos limites de trabalhoda máquina. Quando a ferramenta ativa um desses sensores (devido a algum erro deprogramação por parte do usuário) o CNC é desativado de forma a preservar a integridadefísica dele.

2.1.5 Sensor de carga

Como a ferramenta utilizada na PMC será trocada constantemente, a sua alturade trabalho mudará com a mesma frequência. O processo de zerar a altura do cabeçotese torna então um problema recorrente. De forma a automatizar essa calibração seráempregada um sensor de carga para determinar quando a ponta da ferramenta tocar namesa de trabalho.

2.2 Eletrônica Específica

Neste sessão foram comentados os componentes eletrônicos usados especificamentepara cada funcionalidade extra do PMC.

2.2.1 Impressora 3D

A impressora 3D apresenta dois componentes eletrônicos extras, os chamadosextrusores frio e quente, vistos na Figura 5. O extrusor frio serve para puxar o materiala ser utilizado na impressão 3D. Ele é composto por um motor de passo e um jogo deengrenagens. A rotação do motor faz com com as engrenagens girem e assim puxem ocarretel até o extrusor quente, onde o plástico será derretido. O extrusor quente por suavez consiste de uma resistência e um termistor.

2.2.2 Fresadora

A única parte essencial para a fresadora é o cabeçote de trabalho, apresentada naFigura 6. Nele que serão conectadas as ferramentas de corte usadas para realizar a usinagemdos materiais. Dependendo do orçamento do protótipo poderão ser adaptadas microretíficas,utilizadas para trabalhos manuais, ou cabeçotes próprios para uso em fresadoras CNC.Também dependendo do orçamento e precisão requerida pode-se adicionar fins de curso

20 Capítulo 2. Fundamentação teórica

Figura 5 – Diagrama com os componentes básicos de uma extrusora para impressoras 3D

Fonte:www.start3dprinting.com, 2013

para calibrar a altura da ferramenta do cabeçote e controle da velocidade do motor daferramenta.

Figura 6 – Cabeçote de trabalho de uma fresadora CNC

Fonte:www.digns8888.com, 2012

As características mais importantes da fresadora são a sua potência a base e asconexões eletrônicas. A potência determinará o tipo de material que será possível cortar,enquanto que a base irá influenciar em quanto a fresadora irá deformar quando submetidaas forças de usinagem. Por fim algumas fresadoras apresentam conexões, permitindo ligaro seu motor de corrente direta no controlador central, tornando possível controlar suarotação de acordo com a necessidade.

2.2.3 Scan 3D

Atualmente existem várias técnicas para scanner um objeto (PELOVITZ, 2014).Dentre eles o mais simples e que necessita de menos custos para ser implementado é oque funciona utilizando os princípios de triangularização. O projeto do scanner necessitade um sensor ótico (normalmente se utiliza uma webcan), um laser linear e uma mesagiratória. A Figura 7 apresenta esta configuração.

2.2. Eletrônica Específica 21

Figura 7 – Configuração para realizar scanner 3D

Fonte: www.sjbaker.org, 2012

Nesta configuração é conhecida a distância entre o laser e a câmera é conhecida,bem como o ângulo entre eles. Dependendo de onde o laser apareça na imagem é possíveldeterminar o ângulo entre o objeto e a câmera, fechando assim o triângulo, permitindocalcular a distância do objeto para a câmera (LANMAN, 2009).

2.2.4 Engravadora laser

Basicamente é utilizado um diodo laser, apresentado na Figura 8, conectadoao porta ferramenta. O laser é composto por um diodo, responsável por gerar ondaseletromagnéticas de um determinado comprimento, e de uma lente que tem como objetivofocar a luz gerada pelo diodo.

Figura 8 – Diodo laser

Fonte: www.iran-daily.com, 2013

Entre os parâmetros de projeto do laser, tem-se o comprimento de onda e apotência. O mais crítico é sua potência, que irá determinar os tipos de materiais queele conseguirá trabalhar, juntamente com a espessura do material que que será possívelcortar. Normalmente para usos caseiros a potência dificilmente passará de 1W. Por outro

22 Capítulo 2. Fundamentação teórica

lado o comprimento da onda tem mais influência na refletividade de certos materiais. Porexemplo um lasercom comprimento de 600nm é da cor vermelha, não sendo indicado paraser utilizado de materiais da mesma cor, que refletem a maior parte do espectro do laser.

O laser é controlado através de um sinal PWM, tornando possível variar a potenciautilizando uma mesma tensão, mudando apenas o formato do sinal (WEHR, 2011). Tambémé necessário um controlador de corrente uma vez que os diodos por si só iriam conduzirmais e mais corrente até queimarem (ZHAI, 2014). Ambas essas funcionalidades devemestar presentes no controlador Central do CNC.

2.3 Softwares

2.3.1 Programa CAM

CAD ou Computer Aided Design, são programas de computador desenvolvidospara a criação, modificação, análise e optimização de um projetos. No caso De CNC’s aferramentas CAD são aquelas onde o operador vai determinar o formato da peça finala ser feita no CNC. Para projetos tridimensionais (Impressora 3D e fresadora) um dosprogramas mais utilizados é o Solidworks, apresentado na Figura 9 e Google sketch up.Para os casos Bidimensionais(engravador a laser) normalmente é empregado um softwarede edição vetorial, com o Inkskape sendo o mais popular.

Figura 9 – Ambiente de trabalho do Solidworks

Fonte: www.3dprint.com, 2014

2.3.2 Gerador de G-Code

Todos os comandos relativos a movimento e controle da ferramenta do CNC sãofeitos utilizando G-code, uma linguagem de programação especialmente desenvolvida paraser utilizada em CNC’s. Apesar de extremamente útil essa linguagem não é muito amigável

2.3. Softwares 23

para ser programada sistematicamente por humanos. Basicamente cada linha de códigoindica uma nova operação. Um exemplo seria G0 X3 Y5 Z4, que significa levar o portaferramenta até as posições(3,4,5) nos eixos coordenados. O problema é que dependendo dacomplexidade co caminho percorrido pela ferramenta, o programa pode conter milharesde linhas de código. A solução é utilizador um gerador de G-code. Ele tem como funçãoreceber um arquivo (gerado pelo software CAD), seja ele um desenho tridimensionalpara a impressora 3D, ou uma imagem bidimensional para ser utilizada na encravadoraa laser, e convertê-los em linguagem G-code. O interpretador ainda utiliza algorítimospara automatizar tarefas como desligar a ferramenta do CNC para realizar movimentos deposicionamento.

2.3.3 Interpretador de G-code

Última parte da cadeia de software, ele é responsável por interpretar os comandosde G-code e transformá-los em sinais elétricos a serem seguidos pelos motores de passo eferramentas de trabalho.

25

3 METODOLOGIA

Como o campo de CNC’s caseiro muda frequentemente, com inovações sendoapresentadas com uma frequência muito elevada. Isso combinado com o fato de muitos dosprojetos estarem abertos ao público, fazem com que a Internet seja o melhor local paraadquirir o conhecimento necessário para desenvolver o projeto. Os seguintes sites serão aprincipal fonte de inspiração para o projeto final:

• <http://www.instructables.com/>: Site que apresenta vários projetos desenvolvidospor pessoas físicas. Onde elas explicam passo-a-passo as instruções de como atinjiros mesmos resultados

• <http://reprap.org/>: Repertório Online de projetos de impressoras 3D que temcomo principio terem a maior parte de suas peças auto-replicáveis

• <http://www.cnczone.com/>: Forúm de discussão sobre todos os aspectos referentesa CNC’s.

A grande quantidade de projetos disponíveis disponibiliza uma biblioteca de ideiasalternativas que já foram previamente testadas. Assim uma das premissas de projetoserá reutilizar ao máximo soluções existentes e bem sucedidas de forma a minimizar anecessidade de reprojetos, diminuindo custos e tempo total de prototipagem.

Outro premissa empregada será o de testar cada um dos sub-sistemas da PMCindividualmente, antes de tentar de juntar todo o conjunto. Dessa forma garante-se quecada parte estará otimizada individualmente, permitindo que se obtenha um melhorresultado final.

27

4 COMPONENTES

4.1 Motor de passo

Os modelos escolhidos para o projeto foram quatro (dois para o eixo Y e um parao eixo X e Z) modelos NEMA 23 com um torque de 7kgf.cm e um incremento de 1.8 grauspor passo. Idealmente a escolha do torque mínimo levaria em consideração a aceleraçãomínima desejada, tomando como parâmetro a inercia dos componentes e a eficiência dascorreias e polias. Devido a inexperiência dos alunos referentes a qual valor seria aceitávelfoi tomado como base o projeto (SHAPEOKO. . . , 2015) que utiliza motores semelhantespara aplicação de fresadora.

Para os drivers de motor de passo foi optado pelo modelo A4988 uma vez que eleapresenta boa disponibilidade no mercado, fácil aplicação e baixo custo. Ele aceita tensõesaté 35V e corrente até 2A e apresenta um controlador máximo de corrente permitindolimitar a corrente máxima entregue ao motor de passo.

4.2 Controlador central

O controlador central escolhido foi o Arduino Mega juntamente com o ShieldRAMPS 1.4, Figura 10. A combinação Arduino + RAMPS foi escolhido devida ao seumenor preço e maior facilidade de compra no mercado local.

Figura 10 – Placa RAMPS 1.4 com esquema de fiação

Fonte: https://start3dprinting.com/2013/04/adding-a-fan-to-ramps-1-4-board/, 2015

O Arduino é responsável por todo o processamento da PMC. Já o RAMPS serve

28 Capítulo 4. Componentes

como uma placa mãe permitindo conectar os equipamentos periféricos (Motores de passo,sensores, etc) ao Arduino.

4.3 Fim de curso

Os fins de curso utilizado são do modelo SS-5GL. Foi escolhido deixar ele naconfiguração normalmente fechado. Assim a corrente elétrica passa quando o fim de cursonão está pressionado. Dessa forma se houver problema com alguma parte da fiação acorrente elétrica deixará de passar e o controlador interpretará que o fim de curso estáativo, servindo como um aviso ao usuário que algum problema está ocorrendo.

4.4 Célula de carga

A célula de carga usada foi adaptada de uma balança digita, Figura Figura 11.

Figura 11 – Balança digital na qual foi retirada a célula de carga

Fonte: d, 2016

Ela consiste de uma ponte de Wheatstone, Figura 12, onde a diferença de potencialmedida vai ser proporcional ao peso aplicado na célula. (LOAD. . . , 2016). Esse tipo deconfiguração é altamente sensível, permitindo verificar deformações mínimas na célula decarga. Dessa forma um amplificador instrumental é necessário para verificar as pequenasvariações de tensão relacionadas com a variação de carga aplicada Para esse propositofoi utilizado o chip HX711, um conversor analógico digital utilizado desenvolvido paraaplicações em balanças. Completando o sistema de medição há um Arduino UNO, utilizadopara fazer a leitura dos valores da célula de carga e determinar se houve contato daferramenta com a mesa.

4.5. Diodo laser e driver 29

Figura 12 – Configuração da ponte de Wheatstone na célula de carga

Fonte:https://learn.sparkfun.com/tutorials/load-cell-amplifier-hx711-breakout-hookup-guide, 2016

4.5 Diodo laser e driver

O diodo laser empregado é do modelo M140 com comprimento de onda de 430nm e2W de potência. Esse modelo é usado em diversas aplicações de CNC’s (ENDURANCE. . . ,2016). Um dos revés dessa escolha se dá pelo fato do componente ter que ser importadodos Estados Unidos. Apesar de extensa procura não foi possível achar um produto comas mesmas especificações no mercado brasileiro. Inicialmente foi tentado adaptar umregulador de tensão para alimentar o diodo enquanto que era necessário ser empregadotambém um regulador de corrente. Essas falhas causaram a queima dos diodos adquiridosfazendo com que o módulo de engravação a laser não fosse desenvolvido a tempo.

4.6 Scanner3D

Para o Scanner 3D ia ser empregado um laser linear padrão e uma Webcammodelo Logitech M340. O software utilizado seria uma adaptação do repositório HORUS(HORUS. . . , 2016). No entanto por restrições relacionadas ao tempo foi decidido nãoimplementar a função de scanner.

4.7 Extrusora 3D

Para a parte fria da extrusora foi usado um motor de passo NEMA 17 com1.7Kgf.cm, modelo padrão em impressoras caseiras. Já na parte quente foi empregado omodelo da E3D, Figura 13, escolhido por ser considerado o melhor custo benefício entreos entusiastas da comunidade de impressão 3D (WHICH. . . , 2015). Esse componente foiimportado do Reino Unido.

30 Capítulo 4. Componentes

Figura 13 – Extrusora quente modelo E3D V6

Fonte:http://e3d-online.com/v6-1.75mm-Universal, 2016

4.8 Fonte de energia

Teoricamente quanto maior a tensão da fonte maior o RPM máximo do motor(STEPPER. . . , 2015a), uma vez que é possível obter o mesmo torque utilizando umamenor corrente. Assim uma fonte de 35V (tensão máxima permitida pelo driver) seria ovalor ideal. No entanto o modelo de fonte comerciais mais comuns são os de 12V e 24V.Dessa forma foi escolhido o de 24V por apresentar uma maior tensão de saída.

Outro valor crítico é o da potência disponível pela fonte, que deve ser suficiente paraalimentar todos os componentes simultaneamente. Os componentes elétricos apresentam oseguinte consumo:

motores de passo NEMA 23 - 144 W

motor de passo NEMA 17 - 12 W

Resistência da extrusora quente - 50W

Coolers de refrigeração - 2W

Isso nos dá um total de 208 W. Assim foi escolhido uma fonte de 350 W por ser omodelo comercial mais próximo do valor obtido.

4.9. Gerador de G-code 31

4.9 Gerador de G-code

No caso de impressão 3D é utilizado o SLIC3R, softwareque tem como entrada umarquivo .stl e fatia o objeto em instruções G-code. Já no caso da utilização no mode defresadora, é utilizado o programa MESHCAM,visto na Figura 14, que funciona tambémcomo um software CAE.

Figura 14 – Ambiente de trabalho do MESHCAM

Fonte: http://www.grzsoftware.com/screenshots/

4.10 Interpretador de G-code

O interpretador de G-code utilizado é Repetier, visto na Figura Figura 15. Ele foiescolhido por apresentar código OpenSource ser de fácil utilização e ter uma boa base deusuários, permitindo tirar dúvidas em forums online.

32 Capítulo 4. Componentes

Figura 15 – Extrusora quente modelo E3D V6

Fonte: http://www.repetier.com/

33

5 CONCLUSÃO

A versão atual da PMC apresenta dois módulos de impressão 3D e fresamento,inteiramente funcionais. Devido a erros implementacionais e de organização as funções descanner 3D e engravamento a laser não puderam ser implementadas. No entanto novasaplicações não inicialmente programadas puderam ser desnvolvidas, como o caso de umsensor de toque para calibrar a altura da ferramenta em relação a mesa de trabalho. Dessaforma pode-se dizer que o desenvolvimento da aparelhagem eletro-eletrônica da PMCfoi um sucesso. Futuras versões do projeto podem ter como melhoras, modificações dossoftwares OpenSource utilizados e desenvolvimento de placa de circuitos específicas para aPMC.

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REFERÊNCIAS

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36 Referências

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