retrofit de um torno cnc do tipo bancada

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

RETROFIT DE UM TORNO CNC DO TIPO

BANCADA

HIAGO CÂMARA DE OLIVEIRA

NATAL- RN, 2019





BANCADA


Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. João Carlos A. Costa Júnior

NATAL - RN

2019





BANCADA


Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. João Carlos A. Costa Júnior ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador

Prof. Dr. Jorge Magner Lourenço ___________________________

Instituto Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Externo

Daniel Mousinho Lago ___________________________

Mestre em Engenharia Mecânica - Avaliador Externo

NATAL, 25 de junho de 2019.

i

Dedicatória

A minha esposa, Kiara, que sempre compreendeu a minha ausência. Aos meus

pais que me fizeram perseverante e incentivou-me para que continuasse em busca dos

meus ideais. Professores e colegas que me inspiraram e contribuíram para o

aprimoramento do conhecimento e formação acadêmica.

ii

Agradecimentos

A Deus, sempre... mesmo nos momentos de tribulações esteve presente me

dando forças e motivos para continuar seguindo em frente.

Ao meu orientador Prof. Dr. João Carlos A. Costa Júnior, por todo o

conhecimento ensinado, além do estimulo e contribuição para o sucesso deste trabalho.

Agradeço especialmente a minha querida mãe, Maria do Socorro Ferreira

Câmara, que não pode estar presente para partilhar esse momento, por tantos anos de

carinho e aprendizado ao seu lado.

A todos que contribuíram para o sucesso deste trabalho de forma atuante ou

não, minha sincera gratidão.

Aos meus companheiros de trabalho da VOID3D, que me apoiaram na

elaboração e execução deste projeto.

Agradeço ainda a minha esposa por me apoiar em todos os momentos, até

mesmo aqueles em que houve dúvidas se eu estava no caminho certo.

Por fim, e não menos importante, agradeço ao meu amigo e ex-professor Jorge

Magner Lourenço pela disponibilidade, por ter aceitado o desafio, pela confiança e não

ter desistido de mim.

iii

Oliveira, H.C. Retrofit de um Torno CNC do Tipo Bancada. 2019. 56 p. Trabalho de

Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal

do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Resumo

Este trabalho tem como objetivo substituir o sistema de Comando

numérico computadorizado defasado de um torno do tipo bancada, por um conjunto

de comandos numéricos mais atual e avançado, facilitando a interação operador

máquina. A principal motivação desse trabalho é criar uma máquina que seja de

fácil operação permitindo que os alunos do laboratório da diretoria acadêmica de

indústria, do Instituto Federal do Rio Grande do Norte, Natal campus-central,

manufaturem componentes mecânicos dos seus projetos de forma mais simples e

eficiente. Para isso o projeto foi dividido em três partes: mecânica, eletrônica e o

controle do software. No projeto mecânico foram feitos a desmontagem dos

elementos de máquina, assim como as especificações dos materiais envolvidos. O

projeto eletrônico consiste na especificação dos motores de passo e seus drivers,

além da especificação do motor responsável por acionar o eixo árvore da máquina

e a seleção do shield controlador, sendo capaz de interligar todos os componentes

e controlá-los. Uma preocupação nesse projeto foi criar um equipamento que

permitisse o aluno desenvolver seus conhecimentos em fabricação, inserido em um

sistema moderno de usinagem que utiliza um software padrão no mercado de

máquinas operatrizes. Por ser um equipamento robusto e de elevado custo, justifica-

se a sua manutenção e modernização. O projeto tem por objetivo manter as

despesas de aquisição de peças e construção, abaixo dos valores de mercado de

um torno CNC comercial com recursos similares ao do projeto.

Palavras-chave: Retrofit, Torno, CNC, Automação industrial.

iv

Oliveira H.C. Retrofit of a CNC Lathe Bench Type. 2019. 56 p. Conclusion work

project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do

Norte, Natal-RN, 2019.

Abstract

This paper has the objective of replace an outdated computerized numerical control

system of a lathe machine for an up-to-date and more advanced numerical control

set. Is expected to achieve a higher level of machine precision and make the man-

machine interaction easier. The main motivation of this paper is create an easy

operation machine to allow the laboratory of the academic board of industry students

to manufacture mechanical components of their projects in a simple and more

efficient way. For that, the project was divided into three parts: mechanical, electronic

and software control. In the mechanical project, the disassembly of machine

elements and material specification was done. The electronic project consists in the

specification of step motors and their drivers, and also the specification of the motor

responsible for drive the spindle and the selection of the controller shield, being

capable of connect all components and control them. One concern in this project

was design an equipment which would allow the student to develop his knowledges

in machining, enabling him to use any machining machinery of the laboratory or even

at a company. For that reason, a widely used software at the machining sector was

selected. For being a robust and high cost equipment, its maintenance and

modernization is justified. The objective was select parts and construction methods

with lower costs than a CNC lathe with similar resources of the machine built in this

project.

Keywords: Retrofit, Lathe, CNC, Industrial automation.

v

Lista de Ilustrações

Figura 1 - Movimentos relativos do torneamento ____________________________ 1

Figura 2 – Fresa CNC Milwaukee-Matic-II- 1959_____________________________8

Figura 3 - Representação da bobina e do rotor de um motor de passo __________ 14

Figura 4 - Vista explodida de um motor de passo moderno ___________________ 14

Figura 5 - Exemplos de servomotores ___________________________________ 15

Figura 6 - Elementos que compõe um servomotor de pequeno porte ___________ 16

Figura 7 - Motor elétrico trifásico WEG W22 IR2 5CV _______________________ 17

Figura 8 - Vista explodida do motor elétrico trifásico WEG W22 IR2 5CV ________ 17

Figura 9 - Etapas da manufatura de peças utilizando a tecnologia CNC _________ 18

Figura 10 - Torno CNC Denford tipo bancada Mirac PC _____________________ 20

Figura 11 - Modelo simplificado em 3D do torno CNC Denford tipo bancada _____ 21

Figura 12 - Sistema de coordenadas adotado para o funcionamento do torno ____ 22

Figura 13 - Configuração das válvulas utilizada no torno, quanto posição e vias __ 24

Figura 14 - Encoder incremental encontrado na máquina ____________________ 25

Figura 15 - Guia linear com patins de esferas recirculantes __________________ 26

Figura 16 - Polia e correia dentada _____________________________________ 27

Figura 17 - Entrada da alimentação do Ar-comprimido da máquina ____________ 27

Figura 18 - Desenho técnico do motor de passo ___________________________ 32

Figura 19 - Microstep Driver modelo TB6600______________________________ 34

Figura 20 - Placa RNR Eco Motion 2.0 __________________________________ 35

Figura 21 - Modelo esquemático dos atuadores e controlados do torno _________ 36

Figura 22 - Modelo esquemático das ligações feitas no Microstep Driver ________ 37

vi

Figura 23 - Janela de trabalho do software Mach3 _________________________ 38

Figura 24 - Interface da configuração dos motores de passo _________________ 39

Figura 25 - Interface da configuração dos Switchs __________________________ 40

Figura 26 - Primeira peça usinada no torno Denford após o retrofit _____________ 45

Figura 27 - Linhas de comando da segunda peça usinada após o retofit ________ 46

Figura 28 - Resultado da segunda usinagem do torno_______________________ 47

vii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Principais eventos da História do CNC ............................................................... 10

Tabela 2 - Vantagens e desvantagens de utilizar fuso ........................................................ 11

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens de utilizar cremalheira. ............................................ 11

Tabela 4 - Vantagens e desvantagens de utilizar correia sincronizadora.............................12

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens de utilizar guias lineares .......................................... 13

Tabela 6 - Parâmetros do formato da ferramenta ................................................................ 29

Tabela 7 - Quadro de Kienzle para 𝐹𝑐 de diversos materiais .............................................. 30

Tabela 8 - Referências do motor de passo hibrido HY200 3424............................................32

Tabela 9 - Componetes adquiridos para o projeto ............................................................... 48

viii

Lista de abreviaturas e siglas

CN - Computer Numeric

CNC - Computer Numeric Control

DIACIN - Diretoria Acadêmica de Indústria

USB - Universal Serial Bus

CAM - Computer Aided Manufacturing

CAD - Computer aided design

IFRN - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do

Norte.

ix

Sumário

Dedicatória ...................................................................................................... i

Agradecimentos .............................................................................................. ii

Resumo ......................................................................................................... iii

Abstract ......................................................................................................... iv

Lista de Ilustrações ........................................................................................ v

Lista de Tabelas .......................................................................................... vii

Lista de abreviaturas e siglas ...................................................................... viii

Sumário ...................................................................................................... viiix

1 Introdução .................................................................................................... 1

1.1 Contextualização ................................................................................... 1

1.2 Motivação .............................................................................................. 2

1.3 Problema do projeto .............................................................................. 3

1.4 Justificativa............................................................................................ 3

1.5 Objetivo geral ........................................................................................ 4

1.6 Objetivos específicos ............................................................................ 4

1.7 Escopo do projeto ................................................................................. 5

1.8 Contribuições do trabalho ..................................................................... 5

1.8.1 Organização do documento ........................................................ 5

2 Revisão Bibliográfica ................................................................................... 7

2.1 Máquinas operatizes de fabricação mecânica ...................................... 7

2.2 Máquinas de comando numérico .......................................................... 8

2.2.1 Histórico ...................................................................................... 9

2.3 Sistemas de movimentação ................................................................ 10

2.3.1 Fuso .......................................................................................... 10

2.3.2 Cremalheira ............................................................................... 11

2.3.3 Correia sincronizadora ............................................................. 12

x

2.3.4 Guias lineares ........................................................................... 13

2.4 Dispositivos de acionamento............................................................... 13

2.4.1 Motores de passo ...................................................................... 13

2.4.2 Servomotores ............................................................................ 15

2.4.3 Motor de corrente alternada ...................................................... 16

2.5 Processo de usinagem ........................................................................ 18

2.6 Linguagem de programação ............................................................... 19

3 Desenvolvimento ....................................................................................... 20

3.1 Descrições gerais ............................................................................... 20

3.2 Aquisição de dados ............................................................................ 22

3.3 Projeto mecânico ................................................................................ 24

3.3.1 Árvore principal ......................................................................... 24

3.3.2 Movimentação do carro longitudinal .......................................... 25

3.3.3 Movimentação do carro transversal .......................................... 26

3.3.4 Elementos pneumáticos ........................................................... 27

3.4 Projeto eletrônico ................................................................................ 28

3.4.1 Motor de corrente alternada ...................................................... 28

3.4.2 Motores de passo ...................................................................... 31

3.4.3 Seleção de Drivers .................................................................... 33

3.4.4 Seleção de placas de controle ................................................. 34

3.5 Montagem dos componentes ............................................................. 36

3.6 Controle de software .......................................................................... 37

3.6.1 Escolha do software de comando ............................................. 37

3.6.2 Configuração de parametros máquina-software ....................... 39

4 Resultados e Discussões .......................................................................... 41

4.1 Análise do funcionamento dos motores de passo .............................. 41

4.2 Análise do funcionamento do motor de corrente alternada ................ 42

xi

4.3 Primeiros testes de movimentação do conjunto ................................. 44

4.4 Primeira usinagem ............................................................................. 46

4.5 Segunda usinagem ............................................................................ 47

4.6 Custos para a realização do projeto .................................................. 49

5 Conclusão .................................................................................................. 49

5.1 Sugestão para trabalhos futuros ......................................................... 50

6 Referências ............................................................................................... 51

Apêndice – Catálogos ................................................................................. 53

1

1 Introdução

Para uma melhor compreensão do caminho trilhado durante o projeto, será

apresentado uma contextualização de forma concisa sobre máquinas operatrizes,

comando numérico computadorizado e as possibilidades desta união. Será exposto

também a justificativa do trabalho, escopo do projeto, além da metodologia e materiais

utilizados.

1.1 Contextualização

O processo de torneamento é uma das operações mais utilizadas na indústria,

pois ele possibilita a fabricação de peças com formatos geométricos de revolução,

mediante a remoção de cavaco. Isso intercorre ao se ater uma peça à placa do torno

e fazê-la girar, ao passo em que uma ferramenta de corte, presa a um carro, é

submetida contra à peça, removendo assim material.

O torno mecânico é capaz de fabricar vários tipos de peças, se mostrando

uma máquina operatriz demasiadamente versátil, que através dos seus três

movimentos; movimento de corte, movimento de avanço e o movimento de

penetração, consegue usinar objetos de um estado bruto até o acabamento final. Com

ele é possível ainda a utilização de inúmeros tipos de fixações e ferramentas para os

mais diversos tipos de projetos.

Figura 1 – Movimentos relativos do Torneamento.

Fonte:http://www.usinagem-brasil.com.br/44-o-que-e-torneamento-/(Acesso em: 20/05/2019)

http://www.usinagem-brasil.com.br/44-o-que-e-torneamento-/(Acesso

2

O desejo de elevar a produtividade está presente em qualquer segmento

industrial e as máquinas operatrizes não fugiram à regra e, devido à ambição de

ascender a produção, surgiu o comando numérico ou CNC, originário da expressão

em inglês Computer Numerical Control. Este sistema traz ainda a viabilidade da

produção de peças com formas mais complexas, oferecendo a elas uma maior

precisão, garantindo uma uniformidade até então inalcançável.

Na década de 50, em meio a um elevado desenvolvimento da indústria

aeronáutica, surgem as primeiras máquinas CNC’s, mas foi apenas em meados da

década de 70 que houve um importante crescimento no domínio dos computadores e

quando realmente se passou a produzir máquinas dedicadas ao comando numérico.

Desde então essas máquinas vêm acompanhando as evoluções computacionais, seja

de software ou de hardware; o aprimoramento deste gênero de máquinas as tornam

cada vez mais versátil, com um amplo número de possibilidades de utilização.

1.2 Motivação

O uso de máquinas que possuem o sistema CNC embarcado cresceu de

forma tão relevante nas últimas décadas, fazendo com que hoje elas representem

parte majoritária do maquinário das indústrias. A grande fundamentação para esse

fato é o enorme ganho na produtividade das máquinas ferramentas, uma vez que

estas conseguem operar automaticamente, reduzindo ou até mesmo eliminando a

necessidade dos cuidados de um operador.

Esse novo cenário tem seu maior destaque em produtos que são fabricados

de modo seriado, reduzindo seu tempo de fabricação, padronizando os artigos quanto

a forma e ao acabamento.

O domínio dessa tecnologia se torna imprescindível para qualquer profissional

do meio, deixando de ser um atributo extra para se tornar um ponto essencial no

currículo de todos que pretendem inserir-se no mercado de trabalho. A afirmação torna

válida a prerrogativa de que todo curso técnico profissionalizante do setor industrial

possua, em sua estrutura curricular, matérias que abordem este tema, além disso,

tenha ainda, em seus laboratórios, máquinas com essa tecnologia.

3

1.3 Problema da pesquisa

Na atualidade, as máquinas de fabricação mecânica que possuem a tecnologia

CNC são fabricadas e vendidas por empresas de grande porte, as quais possuem

total domínio sobre a sua tecnologia, modo de funcionamento e construção. Além

disso, o acesso às informações sobre essas máquinas é invariavelmente restrito e

limitado. Essa situação deve-se à política de manutenção aplicada pelos fabricantes

desse segmento de máquinas.

O torno utilizado neste trabalho, foi fabricado nos anos noventa, tendo se

passado quase três décadas, desde então. Esta afirmativa evidencia ainda mais a

escassez de informações possíveis de serem encontradas sobre esta máquina. A

utilização da internet na época era mínima e a divulgação de manuais ou guias pelos

fabricantes, através desse meio de comunicação, não era uma prática comum.

Apesar de não encontrar todas as informações desejadas, existe um padrão

para a construção dessas máquinas, normatização de cores para fios, tabelas e placas

para os motores, entre outros, e foram essas poucas referências que viabilizaram o

projeto.

É possível encontrar projetos de conversões de tornos manuais em tornos CNC

ou trabalhos que se assemelham a este, modernizando tornos com tecnologia

ultrapassada e sem uso nos dias atuais. No entanto, ainda se percebe que há uma

dificuldade com relação à implementação do projeto, ao controle funcional da

máquina, assim como no resultado de peças produzidas por essas máquinas.

1.4 Justificativa

No laboratório da diretoria acadêmica de indústria (DIACIN), localizado no

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN)

Campus-Central, Natal, são ministradas aulas fazendo-se uso de máquinas

operatrizes. Em parte desse laboratório, existe um segmento que emprega a

tecnologia de máquinas CNC’s, sendo um torno e um centro de usinagem. O aumento

do número dessas máquinas facilita a aprendizagem dos alunos e amplia os recursos

e possibilidades de atividades propostas pelos professores. Além disso, existe um

4

ganho significativo na maior viabilidade de fabricação de componentes para utilização

em pesquisas.

Além desse tipo de manutenção retomar o pleno funcionamento da máquina,

ainda entrega melhorias para ela, melhorando sua resolução, facilitando sua

utilização, entre outros. O retrofit possui ainda um enorme apelo socioeconômico, uma

vez que proporciona o acesso a uma tecnologia encontrada em máquinas de valores

elevados e muitas vezes inacessível para maioria de micro e pequenas empresas ou

laboratórios. A solução desenvolvida neste retrofit fará com que o laboratório possa

contar agora com três máquinas dessa natureza e anseie para uma manutenção deste

gênero em sua fresadora do tipo bancada, que se encontra parada.

1.5 Objetivo geral

O propósito deste trabalho é projetar, construir e implementar um sistema de

comando numérico computadorizado de baixo custo e moderno. Esse sistema irá

substituir um conjunto CNC embarcado em um torno Denford do tipo bancada. Aspira-

se a retomada do seu funcionamento padrão, pois o equipamento envolvido no projeto

se encontra inoperante, devido à falha de alguns componentes assim como sua

tecnologia, que hoje é considerada totalmente obsoleta.

1.6 Objetivos específicos

Almejando alcançar o objetivo geral deste projeto, foram estabelecidos os

seguintes objetivos específicos:

Estudar o funcionamento da máquina escolhida no projeto, assim como todos os

componentes encarregados para sua ação;

Especificar cada componente e verificar o seu estado de operação;

Selecionar uma placa capaz de comandar todos os periféricos;

Elaborar uma solução para interligar todos os componentes, já integrados à

máquina, com a nova plataforma de controle e estabelecer ainda, a sua forma e

disposição;

Realizar ensaios para aferir a funcionalidade do novo conjunto CNC e observar

os resultados entregues pelo torno após o retrofit.

5

1.7 Escopo do projeto

A modificação sugerida fará com que o torno Denford volte a funcionar, além

disso terá a capacidade e possibilidade de operação através de um computador,

fazendo uso de programas que atuam com a linguagem G-code. A expectativa é que

ele consiga produzir peças com precisão, devido à nova arquitetura, na qual os drivers

dos motores de passo conseguem subdividir o ângulo mínimo pré-estabelecido nos

motores, assim como usinar artigos com um maior número de detalhes com exatidão.

1.8 Contribuições do trabalho

A proposta deste projeto é contribuir com a formação dos alunos do curso

técnico em mecânica do IFRN Natal Campus-central e edificar ainda mais a já

excelente estrutura do laboratório de manufatura da instituição. É possível citar

algumas contribuições relevantes deste trabalho:

Plataforma de controle adaptável e completamente difundida no mercado,

facilitando futuras substituições, devido a falha.

Manutenção corretiva em equipamento de elevado valor de mercado, sem

despesas para a instituição de ensino.

Conhecimento e tecnologia de modernização do maquinário a custo reduzido.

1.8.1 Organização do documento

O capítulo 1 apresenta a introdução da tarefa realizada, conduzindo a um

mergulho no âmbito ao qual o projeto está sendo confeccionado. Também é exposto

o objetivo desejado, igualmente como sua motivação, justificativa e escopo do projeto.

O capítulo 2 trata da revisão bibliográfica sobre alguns tópicos que cercam a

temática envolvida do trabalho, discutindo sobre máquinas CNC, seu histórico e os

principais componentes utilizados.

O capítulo 3 aborda de maneira detalhada o projeto conceitual, metodologias

adotadas e a seleção dos componentes e ferramentas utilizadas.

No capítulo 4, encontra-se o projeto preliminar, esboço da estrutura idealizada,

simulações e testes de componentes além de testes do conjunto e considerações

sobre os resultados.

6

O capítulo 5 e último apresenta as conclusões do projeto e as sugestões para

trabalhos futuros.

7

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Máquinas operatrizes de fabricação mecânica

A máquina ferramenta é um tipo de máquina cujo propósito é a fabricação de

peças de diversos materiais por meio de movimentos mecânicos de ferramentas

cortantes, ou seja, ferramentas com geometria e dureza capaz de subtrair massa de

materiais como aço, alumínio, plástico e etc. (LYRA; 2010).

O surgimento das máquinas deriva da necessidade humana de produzir peças

e utensílios para simplificar atividades diárias. Antes da criação desses instrumentos

a produção era realizada de forma manual ou com auxílio de ferramentas simples,

sendo um trabalho demorado e um tanto quanto difícil de executar. Com o decorrer

dos anos as máquinas receberam melhorias, facilitando seu manuseio e aumentando

sua capacidade de operação.

Atualmente encontra-se no mercado inúmeros tipos de máquinas operatrizes,

cada uma com suas particularidades e funções específicas. Porém, existe um grupo

de máquinas que merecem um maior destaque, não apenas por serem as primeiras

criadas, mas também por estar presente até hoje nas indústrias, nos laboratórios

mecânicos, entre outros.

O torno foi uma das primeiras e mais importantes máquinas-ferramenta, porque

dele derivaram todas as máquinas operatrizes que existem atualmente. Ele se

caracteriza por dois movimentos: a rotação da peça e o avanço da ferramenta. O torno

primitivo era um instrumento rudimentar composto de dois suportes de madeira

fincados no chão. Enquanto o torneiro apoiava a ferramenta em um outro suporte, seu

ajudante fazia girar a peça puxando alternadamente as duas pontas de uma corda

enrolada em um eixo. O torneamento era intermitente e o corte só acontecia quando

o giro se fazia na direção do fio da ferramenta. (ALMEIDA et al; 2009)

8

2.2 Máquinas de Comando Numérico

O comando numérico computadorizado (CNC) é uma tecnologia que permite o

controle de máquinas a partir de interfaces computadorizadas. Em 1947 a Parsons

Corporation, uma pequena fabricante de rotores e hélices de helicópteros,

experimentou adaptar uma máquina de usinagem convencional para ser controlada

numericamente por um computador que lia as informações de controle em um cartão

perfurado. Surgia assim, o início das máquinas de comando numérico

computadorizado (SEAMES, 2001).

A Figura 2 exibe a primeira máquina CNC com troca de ferramentas

automática.

Figura 2 – Fresa CNC Milwaukee-Matic-II- 1959

Fonte: GENG (2015).

Existem vários tipos de máquinas–ferramentas CNC, cada uma delas com suas

aplicações e propósitos específicos, porém, todas com vantagens comuns. O custo

inicial destas máquinas é superior a máquinas convencionais, mas todo o capital

investido, na aquisição de um equipamento deste gênero, é recuperado em pouco

tempo, devido a uma série de vantagens oferecidas a esses equipamentos.

9

As Máquinas CNC trabalham com a requisição minimizada dos serviços

humanos ou até mesmo sem completa necessidade de um operador. Esta variação

se deve a tecnologia empregada na máquina, que pode torná-la totalmente automática

ou parcialmente, além do nível de complexidade da atividade realizada.

O processo pode ser completamente automatizado, contudo existe ainda a

indispensabilidade de instruções iniciais, uma programação que fornece para a

máquina todas as ações necessárias, além de parâmetros importantes como: as

dimensões finais do produto, valores dimensionais e quantitativos de matérias-primas,

status da máquina, entre outros.

O regime de trabalho de máquinas-ferramentas CNC pode ser demasiadamente

longo, por ser um processo contínuo. Uma máquina com essa tecnologia, após a

inserção da programação inicial, consegue operar por horas ou até mesmo por dias

sem uma nova intervenção humana.

Essa vantagem acelera a produção de peças, principalmente produtos com

elevada repetitividade, além disto, reduz a fadiga humana, evitando atividade manuais

recorrentes e longas jornadas de trabalhos.

2.2.1 Histórico

A U.S Air Force teve grande participação no desenvolvimento das máquinas

por comando numérico (CN). Seus produtos exigiam peças de alta precisão a um

custo compatível, e não eram possíveis de se fabricar sem o uso do CN. Na década

de 50, visando suprir a demanda da indústria aeronáutica, havia uma adaptação do

CN nas máquinas existentes, o que gerava grande retrabalho. Essa iniciativa deixou

de ser viável, já que novas máquinas começaram a ser produzidas para esse fim.

(Machado, 1986, p. 16)

Inicialmente o CN, antecessor do comando numérico computadorizado,

utilizava fitas perfuradas para transmitir os dados do processo para a máquina. Essas

fitas eram perfuradas seguindo uma codificação especifica, através de um computador

ou de forma manual, capaz de serem lidas e interpretadas pelas máquinas. Elas

10

continham informações da peça a ser fabricada, condições de operação da máquina

e referências de matéria- base.

Analisando o sistema CN, torna-se fácil a percepção da conexão que existe

entre a evolução do computador e o crescimento desta tecnologia. No ano de 1956,

após grande progresso do computador, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts

(MIT) desenvolveu uma linguagem de programação, a Automatically Programmed

Tool (APT), é a partir deste momento que se inicia a construção da tecnologia utilizada

atualmente o CNC.

Tabela 1 - Principais eventos da História do CNC

Mark I: Primeiro computador construído pelo HARVARD e pela IBM. 1940

Contrato da PARSON com a USAF para se fabricarem máquinas com CN. 1949

Demonstração de viabilidade técnica com protótipo funcionando pelo MIT. 1952

Desenvolvimento do sistema de programação pelo MIT 1953

Desenvolvimento das bases para a linguagem APT, de programação para CN

através do computador pelo MIT.

1956

Início da comercialização do CN. 1957

Primeira máquina com trocador automático de ferramentas IBM- ENDICOTT. 1959

A EIA publica as normas RS 244. 1961

A BENDIX desenvolve o comando adaptativo. 1962

Primeiras aplicações do CN no BRASIL. 1967

Aplicações dos primeiros comandos CNC. 1970

Fabricado no Brasil o primeiro torno com CN pela ROMI, com comando SLO-SYN. 1971

Comandos Numéricos com CNC usando a tecnologia dos Micro-processadores. 1977

Sistemas flexíveis de fabricação são aplicadas em larga escala. 1980

Fonte: Machado (1986, p. 20)

2.3 Sistemas de movimentação

2.3.1 Fuso

O fuso é um elemento que permite converter o movimento de rotação em

movimento linear. Este mecanismo é comumente utilizado em máquinas de alta

precisão, como: fresadoras, tornos de comando numérico, impressoras 3D,

extrusoras, entre outras.

11

Tabela 2 – Vantagens e desvantagens de utilizar fuso.

Vantagens Desvantagens

Possibilidade de usar barra roscada

e Porcas de baixo custo.

Suporta alto torque.

Menor potência de acionamento

Simplificação construtiva

Posicionamento mais preciso

Sistema de alto atrito.

Quanto maior, maior sua possibilidade

de empenamento.

Requer mancais em sua extremidade

o que aumenta o custo de

implantação.

Vibração com velocidades elevadas.

Fonte: Elaborado pelo autor

Existe dois principais tipos de fusos, o trapezoidal e o de esfera recirculante. O

sistema de movimentação do fuso trapezoidal ocorre através do acoplado de uma

porca trapezoidal com o fuso, possibilitando assim o deslocamento. Diferente do

elemento anterior, o fuso de esfera recirculante é caracterizado por possuir um

conjunto de esferas, como elementos de giro, entre a castanha e o fuso, essa

configuração proporciona a diminuição do atrito na movimentação do fuso, quando

comparado ao trapezoidal.

2.3.2 Cremalheira

A cremalheira é um componente mecânico capaz de converter movimento

rotacional em linear quando acoplado a uma engrenagem. Este elemento é

caracterizado como uma barra ou trilho dentado.

Tabela 3 – Vantagens e desvantagens de utilizar cremalheira.


Suporta alto torque.

Fácil implantação no sistema.

Vida útil alta

Acrescenta peso ao projeto.

Alto custo.


O mecanismo engrenagem-cremalheira pode ser de dois tipos, conjunto barra

engrenagem com dentes retos ou com dentes helicoidais, embora os dois possuam a

12

mesma função, a combinação composta por dentes helicoidais tem uma maior área

de contato nos dentes resultando em um engrenamento mais suave, menor ruído e,

além disso, uma maior capacidade de carga.

2.3.3 Correia sincronizadora

Também conhecida como correia dentada, a correia sincronizadora é um

elemento normalmente confeccionado de materiais flexíveis, como: borracha

neoprene com cordonéis em fibra de vidro e aço, e poliuretano. Este sistema é

utilizado para transmissão de movimento entre polias dentadas.

O quadro abaixo aborda as principais vantagens e desvantagens da correia

sincronizadora.

Tabela 4 – Vantagens e desvantagens de utilizar correia sicronizadora.


Opções industriais de baixo custo.

Fácil implantação no sistema

Suporta altas velocidades

Elevada resistência ao atrito e ao

desgaste

Baixo ruído

Não necessita de lubrificação

Suporta torque moderado

Vida útil moderada


2.3.4 Guias lineares

Guias lineares são elementos estruturais caracterizados por possibilitar a

locomoção de uma peça sobre outra em um movimento retilíneo, normalmente este

deslocamento está restrito a um grau de liberdade. De acordo com Stoeterau (1992)

as guias são elementos fundamentais de uma máquina-ferramenta e constituem uma

parte delicada da mesma, sendo responsáveis por guiar a ferramenta na região de

corte. Como todas as demais partes de uma máquina ferramenta, estas devem ser

construídas suficientemente rígidas para que as variações de forma que se originam

13

da ação de forças estáticas e dinâmicas não venham a exceder os limites

estabelecidos, prejudicando a exatidão geométrica e dimensional.

Tabela 5 – Vantagens e desvantagens de utilizar guias lineares.


Alta precisão de posicionamento.

Alta capacidade de carga.

Trabalha em alta velocidade.

Redução de atrito.

Baixo ruído.

Necessita de lubrificação.

Elevado custo de fabricação.


Há uma divisão importante, quanto ao funcionamento de guias lineares, essa

partição origina duas grandes categorias, sendo um grupo composto por elementos

que trabalham unicamente com o deslizamento entre superfícies, e outro que age

através de esferas recirculantes, este último possui algumas vantagens sobre a

primeira opção, os elementos de giro reduzem o atrito, aumenta a vida útil do

dispositivo e diminui a exigência com lubrificação.

2.4 Dispositivos de Acionamento

2.4.1 Motores de passo

No ano de 1936 o engenheiro francês Marius Lavet inventou o motor de passo,

um tipo especial de motor, que possibilita a movimentação do rotor em incrementos

angulares discretos, comandados por impulsos elétricos sequenciais aplicados nas

bobinas do estator. De maneira oposta dos motores de corrente contínua, o motor de

passo não utiliza elementos de comutação (coletor e escovas) (PAZOS; 2002).

A figura 3 detalha perfeitamente o formato geométrico de um rotor de motores

de passo, sua forma com estrias na superfície o diferencia dos outros motores

convencionais.

14

Figura 3 – Representação da bobina e do rotor de um motor de passo

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_passo (Acesso em: 22 abril 2019).

Os motores de passo podem ser ativados de três maneiras distintas, a

sequência de dados enviados entre a controladora e os motores de passo, irá definir

o comportamento desse elemento, os tipos de acionamento, refere-se a divisão do

passo mínimo, sendo eles, o passo completo, que representa um 1.8°, e o meio passo

e por fim o micro passo, este último depende da tecnologia dos motores, dos drives e

do software utilizado. Quanto maior o número de divisão do passo mínimo, menor será

a distância percorrida pelos carros de movimentação, atribuindo uma maior precisão

à máquina e viabilizando a fabricação de peça complexas.

Em consequência das diversas habilidades do motor de passo, torna-se

possível sua utilização em inúmeros dispositivos de informática, tais como,

impressoras e drives de disco rígido e também aplicações industriais em máquinas

automatizadas.

Figura 4 – Vista explodida de um motor de passo moderno

Fonte: https://www.kalatec.com.br/motoresdepasso/ (Acesso em: 22 abril 2019).

15

2.4.2 Servomotores

O Servomotor é uma máquina, eletromecânica, caracterizada por apresenta

movimento proporcional a um comando enviado. Para Indramat (1997), esta máquina

destaca-se por possui uma parte fixa (o estator) e outra móvel (rotor). O estator é

bobinado como no motor elétrico convencional, contudo, apesar de utilizar

alimentação trifásica, não pode ser ligado diretamente à rede, pois utiliza uma

bobinagem especialmente confeccionada para proporcionar dinâmica ao sistema e

esse componente não suportaria a tensão entregue pela rede. O rotor composto por

imãs permanentes dispostos linearmente sobre o mesmo e com um gerador de sinais

é instalado e chamado resolver para fornecer sinais de velocidade e posição.

A imagem 5 mostra alguns exemplos de servomotores industriais, de médio e

grande porte.

Figura 5 – Exemplos de servo motores

Fonte: González (2016).

Além dos servomotores industriais, existem também, os servomotores de

pequeno porte, mais conhecidos e utilizados que os anteriores. Estes elementos são

empregados em diversos dispositivos e equipamentos. Sua funcionalidade é idêntica

aos motores industriais, contudo sua construção ocorre com algumas distinções.

Circuito de Controle – responsável pelo monitoramento do potenciômetro e

acionamento do motor visando obter uma posição pré-determinada.

16

Potenciômetro – ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do

mesmo.

Motor – movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo.

Engrenagens – reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo

Principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo.

Caixa do Servo – caixa para acondicionar as diversas partes do servo

Figura 6 – Elementos que compõe um servomotor de pequeno porte.

Fonte: Elaborada pelo autor.

2.4.3 Motores de corrente alternada

Os motores de indução são máquinas rotativas que trabalham com corrente

alternada, diferente do que ocorre nos motores de corrente contínua, nos motores de

indução somente o estator é alimentado, o rotor é energizado por indução, por isso a

nomenclatura.

Segundo Francisco (2006) o motor por indução ou motor assíncrono foi

patenteado em 1888 por Nikola Tesla e atualmente representa mais de noventa por

cento dos motores utilizados na indústria. Trata-se de uma máquina robusta, de fácil

construção e, por conseguinte mais barata comparada com outras.

17

Figura 7 – Motor elétrico trifásico WEG W22 IR2 5CV

Fonte: http://eletromotorestrevo.com.br/motor-eletrico/ (Acesso em: 28 abril 2019).

Os motores de indução podem funcionar com corrente alternada monofásica

ou polifásica, dentro do último caso a tensão mais comum utilizada é a trifásica.

Motores com essa configuração são utilizados em larga escala na indústria devido à

potência, torque e velocidade alcançada por esse tipo de equipamento. Já os motores

de indução monofásicos são destinados a utilização doméstica.

Figura 8 – Vista explodida do motor elétrico trifásico WEG W22 IR2 5CV

Fonte: http://eletromotorestrevo.com.br/motor-eletrico/ (Acesso em: 28 abril 2019).

http://eletromotorestrevo.com.br/motor-eletrico/

http://eletromotorestrevo.com.br/motor-eletrico/

18

2.5 Processo de Usinagem

O processo de usinagem em uma máquina CNC, ocorre um pouco diferente

do procedimento de uma máquina convencional, a presença de uma controladora e

atuadores, automatiza partes da máquina e o controle de ferramentas, acelerando

diversas etapas de um regime de produção.

De acordo com Polastrini (2016), o processo de operação de uma máquina CNC

ocorre da seguinte forma: a peça é desenhada em um programa CAD (computer aided

design) e, em seguida, o arquivo é enviado a um programa CAM (Computer Aided

Manufacturing), usado para criar o arquivo G-code, que contém as instruções e os

parâmetros das ferramentas escolhidas para o processo, seguindo as formas da peça

do arquivo CAD. As instruções em G-code, são então enviadas à máquina CNC que

interpreta linha por linha e executa as funções nele contida. Com este processo, uma

vez criado o desenho da peça e convertido para a linguagem da máquina, pode se

repetir a produção utilizando o mesmo arquivo.

A grande vantagem de utilizar uma produção com máquinas CNC, é o seu

poder de replicar peças, criadas por meio do desenho CAD, nos softwares CAM.

Através de uma única lista de comandos é possível produzir inúmeras unidades do

produto desejado.

A imagem 9 expõe o caminho adequado para a produção de um componente

através do processo de usinagem com máquinas CNC.

Figura 9 – Etapas da manufatura de peças utilizando a tecnologia CNC

Fonte: Elaborada pelo autor

19

2.6 Linguagem de programação

Para facilitar o entendimento e organizar o processo de operação de diversas

máquinas, surgem as linguagens de programação, sendo um conjunto de palavras,

formados em cima de regras e padrões. Elas tornam o conhecimento utilizado

universal, possibilitando a leitura, compreensão e modificação dos dados, condidos

em uma lista de códigos.

As máquinas-ferramentas possuem sua própria linguagem de programação, o

G-code, nome usual para a linguagem interpretada pelas máquinas, é uma das

codificações mais antigas e conhecidas mundialmente. No início a lista de comandos,

era feita de forma manual, o operador deveria inserir, utilizando o G-code, todas as

informações do processo de manufatura; referências da máquina, da matéria-prima,

além dos dados finais da peça fabricada.

Atualmente esse processo ocorre de forma direta, eliminando a necessidade

da implementação do código por parte do operador. O desenho feito no computador

em programas com a tecnologia CAD, pode ser convertido para a linguagem utilizada

pela máquina, essa transformação é feita muitas vezes no próprio software de criação,

ou com auxílio de programas secundários.

Ao carregar um arquivo com linhas de comandos G-code, em uma máquina

CNC, os dados são enviados para uma controladora, ela é responsável por decifrar e

converter as informações do arquivo em movimentação da máquina, acionando os

atuadores e as ferramentas de trabalho.

20

3 Desenvolvimento

3.1 Descrição geral

O presente projeto se propõe reformular o sistema de automação de um torno

CNC do tipo bancada, fabricado pela empresa Denford, e pertencente ao laboratório

de manufatura do departamento de indústria do Instituto Federal do Rio Grande do

Norte, campus Natal-Central. O torno passará por uma manutenção e alguns ajustes,

principalmente nos elementos de atuação e controle, estes últimos, completamente

substituídos por componentes mais atuais e funcionais.

Figura 10 – Torno CNC Denford tipo bancada Mirac PC


Essa máquina ficará disponível para todos os professores e alunos do

laboratório de CNC do IFRN, campus Natal-central e servirá como auxílio na busca

do conhecimento e na fabricação de peças, destinadas à pesquisas, além do

cumprimento de atividades proposta em sala de aula.

21

As movimentações dos carros da máquina continuarão sendo através de

motores de passo, estes acoplados aos fusos dos eixos X e Z por meio de polias e

correias dentadas, mantendo assim as configurações originais do equipamento.

A rotação do eixo árvore é decorrente da utilização de um motor de corrente

alternada, considerando seu estado físico e seu bom funcionamento , será mantido o

componente original da fabricação. O controle da sua velocidade é realizado por um

inversor de frequência, aparato que irá compor o conjunto do novo sistema de

comando. A transmissão do torque gerado pelo motor para o eixo da placa de

castanha será através de polias e correia poly-V.

Figura 11 – Modelo simplificado em 3D do torno CNC Denford tipo bancada

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=xaPyyVspQrg (Acesso em: 01/05/2019)

Em um torno ocorre apenas a movimentação de 2 eixos, diferentemente de

uma fresadora CNC ou centro de usinagem, onde essas máquinas operam com a

utilização de mais eixos de movimentação, com isso conclui-se que neste retrofit serão

controlados e monitorados por um computador apenas as direções X e Z.

https://www.youtube.com/watch?v=xaPyyVspQrg

22

Figura 12 – Sistema de coordenadas adotado para o funcionamento do torno


Para esse torno tem-se a referência do plano cartesiano, onde o movimento

longitudinal representa o deslocamento ao longo do eixo Z, já a movimentação do

carro transversal ocorre no eixo das abscissas. Estas informações são de extrema

importância para acordar o sistema de coordenadas utilizado pela máquina.

3.2 Aquisição de dados

Como visto no tópico anterior, mesmo após tantos anos a máquina preservou

todos os elementos de atuação e depois de realizar alguns testes, verificou-se as boas

condições físicas e de função destes componentes.

A substituição destas peças é inviável para o orçamento, além de ser uma

ação despropositada, pois estes elementos são originais de fábrica, tendo sido

projetados e selecionados por uma equipe qualificada, levando em consideração o

baixo percentual de falha de itens desse segmento; pode-se afirmar que após o

retrofit, a máquina, em condições adequadas de utilização, se manterá operacional

por um longo período.

A existência dos atuadores elimina a necessidade de cálculos destinados à

análise de esforços, visando classificar e selecionar esses componentes, para uma

eventual aquisição; ainda assim existe a necessidade de realizar a especificação de

23

todos esses equipamentos, uma vez que as informações obtidas neste processo

darão suporte ao prosseguimento da reformulação do torno, principalmente durante a

fase da configuração do controle da máquina.

Os primeiros cuidados foram direcionados aos motores de passo. Ao

desmontá-los da máquina, foi possível ter acesso às suas referências, que estão

gravadas em uma etiqueta posicionada, em sua estrutura metálica. Através de uma

busca no site do fabricante foi encontrado um catálogo, de onde pôde-se retirar todas

as suas características, desde seus paramentos de funcionamento e controle até sua

forma e dimensões.

Logo em seguida foi executado a especificação do motor de corrente

alternada. Para este elemento não houve necessidade de desacoplá-lo da máquina,

apesar do acesso desfavorável, foi possível examinar a placa com suas informações

e assim colher as referências desejadas.

O componente que provocou as maiores barreiras durante a coleta de dados,

foi o motor, responsável pela troca de ferramentas, e seu mecanismo, neste caso

houve a obrigação da desmontagem de grande parte do carro transversal e

evidentemente do conjunto porta ferramenta, uma vez que este fragmento é vinculado

ao composto do eixo Z.

Depois de separar o motor da máquina, teve-se acesso às suas referências,

verificou-se que se trata de um motor de corrente alternada, trifásico e com frequência

operacional de 50Hz, valor não usual para a disposição energética do nordeste

brasileiro, contudo o maior contratempo é a necessidade de um inversor de frequência

para o seu funcionamento e controle.

No projeto será utilizado um inversor, obtido na própria instituição, um

segundo elemento equivalente teria que ser adquirido no mercado, porém a compra

deste equipamento é inacessível para o orçamento do projeto, por possuir um valor

relativamente elevado.

Por fim, caracterizou-se o sistema pneumático da máquina, que se trata de

uma placa com três válvulas de seleção e uma de controle de pressão. Seguindo as

24

conexões, oriundas das válvulas de seleção, identificou-se que duas destas são

direcionadas para um pistão atuador, responsável por abrir e fechar a porta principal

da máquina, a outra válvula remanescente faz parte do mecanismo responsável pela

abertura da placa de castanha. Conforme assinalado na etiqueta do componente, a

válvula de controle de pressão opera na faixa de 0 a 10 bar.

3.3 Projeto mecânico

3.3.1 Árvore principal

Para o eixo árvore as atenções foram destinadas à compreensão das

configurações do seu funcionamento, dessa forma, observou-se a presença de um

atuador pneumático, controlado por uma válvula 3/2 vias, com acionamento

pneumático e retorno por mola; normalmente fechada. Com o auxílio de um

compressor móvel de pequeno porte, pressurizou-se o sistema. É importante ressaltar

que se teve a cautela de trabalhar dentro dos limites de pressão do sistema, que

corresponde ao intervalo entre 0 e 10 Bar, valores previamente identificados.

Figura 13 – Configuração das válvulas utilizada no torno, quanto posição e vias


25

Ao realizar a pressurização do sistema, as castanhas se movimentaram na

direção da abertura da placa e ao despressurizar o mecanismo, as castanhas voltaram

a se fechar, mostrando que seu retorno ocorre pela ação de molas.

Outro elemento identificado durante o estudo e análise do mecanismo

responsável pela movimentação do eixo arvore, foi um contador de giros ou como

mais conhecido um encoder, conectado ao eixo da placa de castanha através de uma

correia e polias dentadas. Esse contador de giros é utilizado para aferir a velocidade

de giro do eixo principal e por consequência a velocidade do motor trifásico, pois como

já citado anteriormente, estes possuem a relação de transmissão de 1:1. A informação

da velocidade irá retroalimentar o software de controle, permitindo que o software

selecione a condição adequada para movimentação da ferramenta.

Figura 14 – Encoder incremental encontrado na maquina


3.3.2 Movimentação do carro longitudinal

Um motor de passo será o responsável pela movimentação do carro

longitudinal, seu controle ocorrerá através do programa adotado no projeto, esse

motor estará acoplado a um fuso de esferas recirculantes por meio de correia e polias

dentadas.

26

O benéfico da utilização de um fuso com esferas recirculantes, é a mínima

folga que este componente entrega ao mecanismo, ofertando elevada precisão e

leveza ao movimento. É importante notabilizar que no conjunto ainda está presente

guias lineares deslizantes. Apesar do alto custo de fabricação, este tipo de guia é

muito utilizado em máquinas de alta precisão e em mecanismos submetidos a

elevadas cargas verticais. Na figura 15 é possível observar a estrutura desse

elemento, e inferir seu modo de funcionamento.

Figura 15 – Guia linear com patins deslizante.

Fonte: https://www.brighentti.com.br/ guia-lineares-tbi-motion/ (Acesso em: 15 maio 2019).

O movimento angular do motor de passo é transferido para o fuso por meio

de correia e polias dentadas, conforme citado anteriormente. O fuso é o agente

responsável por converter o movimento angular em avanço linear do carro. Os patins

sobre os trilhos permitem apenas a movimentação sobre o eixo Z, este tipo de

acoplamento possui folgas minimizadas e proteção contra a infiltração de impurezas,

característica muito importante, uma vez que esta peça será exposta aos resíduos do

torneamento, ou como mais conhecido cavaco.

3.3.3 Movimento do carro transversal

O carro transversal desliza sobre guias lineares de trilhos com perfil, nomeado

rabo de andorinha, impulsionado por um fuso de esferas recirculantes, posicionado

no meio dos trilhos, a força motriz para o deslocamento do carro transversal advém

de um motor de passo, que da mesma forma do conjunto longitudinal, possui sua

conexão do fuso com o motor de passo por via de uma correia e duas polias dentadas.

27

Figura 16 – Polia e correia dentada

Fonte: http://www.gatesbrasil.com.br/(Acesso em: 18 maio 2019).

3.3.4 Elementos pneumáticos

O sistema de ar comprimido utilizado pela máquina, inicia-se com a entrada

de ar posicionada no canto superior na face traseira da carcaça do torno, onde o fluido

passa por um filtro purgador, o qual possui um manômetro, possibilitando o

monitoramento e a fiscalização da pressão fornecida para máquina, depois ele segue

através de uma mangueira para a placa de válvulas pneumáticas.

Figura 17 – Entrada da alimentação do Ar-comprimido da máquina

Fonte: Denford (1996).

28

Primeiramente o ar passa pela válvula de controle de pressão, esta

ferramenta garante o domínio dos limites de pressão adequados para a operação do

torno, Só então as linhas de pressão são divididas e direcionadas para as válvulas de

seleção.

As duas primeiras válvulas de seleção instaladas na placa dos componentes

pneumáticos são encarregadas do acionamento do pistão atuador, que por sua vez é

responsável por abrir e fechar a porta principal da máquina, para isto o cilindro

pneumático alimenta um método mecânico de movimento, conhecido como

mecanismo de quatro barras.

A outra válvula de seleção compõe o conjunto de abertura da placa de

castanhas, ao ser acionada ela faz com que o ar comprimido seja direcionado para os

atuadores internos da placa fixadora, vencendo a força realizada pelas molas e dessa

forma abrindo as castanhas. O retorno ocorre com o fechamento da válvula, esta ação

despressuriza os atuadores internos, a força da mola volta a ser superior e faz com

que as castanhas tendam a se fechar, prendendo o tarugo.

É comum utilizar a abertura pneumática e o fechamento por mola, pois em

caso de falha no fornecimento ou no sistema pneumático, não ocorrerá maiores

problemas, já o contrário não é verdadeiro, em caso de falha a peça torneada poderia

se desprender da placa causando um grave acidente, danificando a máquina e até

mesmo ferindo alguém.

3.4 Projeto eletrônico

3.4.1 Motor de corrente alternada

Assim como na maioria dos tornos, a máquina estudada utiliza um motor de

corrente alternada como força motriz para a placa de castanhas, no qual o

acoplamento do eixo do motor com o eixo da placa de torno se dá através de duas

polias, de mesmo diâmetro, e uma correia poly-V conectando estas.

Uma observação importante a ser feita é que o eixo arvore, irá girar com a

mesma velocidade angular do motor de corrente alternada, devido ao fato das

29

dimensões das polias utilizadas serem equivalentes. Esta informação é de extrema

relevância para o ajuste do controle da velocidade, durante o processo de usinagem.

Outro ponto que merece destaque é que este cenário ocorre em condições

adequadas de funcionamento, em caso de esforços fora dos padrões de usinagem,

pode transcorrer um deslizamento entre a polia do eixo arvore e a correia poly-V. Em

virtude da presença do encoder a velocidade será imediatamente corrigida.

O motor de corrente alternada é uma peça fundamental para o funcionamento

do torno, suas configurações devem ser apropriadas e dimensionadas para suprir as

imposições dos esforços no processo de manufatura de peças.

O cálculo da potência do motor é o ponto de partida para a escolha deste

equipamento, para realizar esta tarefa é obrigatório que previamente encontre-se a

forca de corte, atividade facilmente realizada com o manual da máquina e com a

equação do cálculo de força.

A equação 1 mostra como é realizado o cálculo da forca de corte.

𝐹𝑐 = 𝐾𝑠1 𝑥 𝑏 𝑥 ℎ(1−𝑧) (N) (1)

Onde:

Ks1 = Pressão especifica de corte (N/mm2);

(1 – z) = valor experimental;

b = comprimento de corte (mm);

h = largura de corte (mm);

As tabelas 6 e 7 apresentam os valores obtidos por Kienzle de Ks1 e (1-z).

Tabela 6 – Parâmetros do formato da ferramenta

Geometria da ferramenta 𝛼𝑜 𝑥𝑟 𝛾𝑜 𝜆𝑠 ε𝑟 a p

(mm)

Usinagem em Aço 5 79 6 -4 90 1

Usinagem em fofo 5 83 2 -4 90 1

Fonte: Diniz (2010)

30

α= ângulo de folga da ferramenta;

χ= ângulo de posição da ferramenta;

γ= ângulo de saída da ferramenta;

λ= ângulo de inclinação;

ε= ângulo de ponta da ferramenta;

a= raio de ponta.

Tabela 7 – Quadro de Kienzle para 𝐹𝑐 de diversos materiais

Material σt (MPa) (1-z) Ks1

Aço ABNT 1030 520 0,74 1990

1040 620 0,83 2110

1050 720 0,70 2260

1045 670 0,86 2220

1060 770 0,82 2130

8620 770 0,74 2100

4320 630 0,70 2260

4140 730 0,74 2500

4137 600 0,79 2240

6150 800 0,74 2220

Ferro Fundido HRc = 46 0,81 2060

Ferri Fundido GG26 HB = 200 0,74 1060

Fonte: Diniz (2010)

σt = tensão de ruptura do material (Mpa)

A equação 2 apresenta o cálculo da potência de corte solicitada pela

máquina.

𝑃𝑐 = 𝐹𝑐 𝑥 𝑉𝑐

60 𝑥 103 (kw) (2)

31

Onde:

Fc = Força de corte (N);

Vc = Velocidade de corte (m/min);

A equação 3 exibe o cálculo da potência solicitada pelo motor.

𝑃𝑚 = 𝑃𝑐

𝜂 (kw) (3)

Onde:

Pm = Potência do motor;

Pc = Potência de corte;

η = Rendimento do motor.

Depois de diversas pesquisas no site da Denford, assim como no fórum criado

pela própria empresa, destinado ao compartilhamento de informações destas

máquinas, coletou-se os dados cruciais para realizar o cálculo da potência do motor

elétrico. Para a usinagem de aço na configuração limite de funcionamento tem-se:

Pm = 0,65 (kw)

A máquina já possui um motor elétrico trifásico instalado, observando a placa

com suas referências, encontrou-se a grandeza da potência, na ordem de 0,75 kw ou

aproximadamente 1 Cv, desse modo constata-se o perfeito alinhamento do valor

alcançado matematicamente, com o praticado pelo fabricante.

3.4.2 Motores de passo

Os motores de passo são responsáveis pela movimentação do carro

transversal e do carro posicionado longitudinalmente, eles precisam atender os

requeridos torques nas condições mais severas de usinagem.

32

Para uma seleção desse elemento, faz-se necessário o cálculo do torque

requerido sobre ele, isto é feito através do manual disponibilizado pelo fabricante do

torno, onde encontra-se os limites operacionais da máquina e com a utilização das

equações de torque.

Como a máquina já possui os motores de passo acoplados aos fusos de

movimentação, não houve a necessidade de seleção e dimensionamento destes

elementos, uma vez que estes procedimentos foram executados pelo próprio

fabricante durante a elaboração do projeto do maquinário.

A figura 18 mostra as vistas da face frontal e lateral dos motores de passo

presente no torno, bem como todas suas cotas e recomendações de tolerâncias.

Figura 18 – Desenho técnico do motor de passo

Fonte: Servo Controll technology AG (1998)

Com os motores de passo desmontados da máquina, suas etiquetas ficaram

acessíveis, assim como as informações contidas nelas, após uma pesquisa no site do

fabricante obteve-se um catálogo com dados de diversos motores de passo e entre

eles as referências do motor de passo utilizado no projeto.

A tabela 8 traz todas as informações encontradas no catálogo da Servo Control

Tecnology AG.

33

Tabela 8 – Referências do motor de passo hibrido HY200 3424

Specifications HY200 3424 0310 AX08

Step angle ° 1,8

Step angle accuracy % 5

Rated phase current A 3,1

Phase resistance Ω 0,90

Phase inductance m.H 2,9

Holding torque unipolar N.cm 141

Holding torque bipolar N.cm 182

Detent torque N.cm 12

Rotor inertia g.cm2 640

Mass Kg 1,3

Max. Applicable voltage V 90

Insulation class B

Fonte: SCT-Steppers-HY200 (1998)

Entre todos os dados da tabela, a corrente de trabalho do motor de passo,

Rated phase current, no valor de 3.1 A, um dado essencial, pois com ele é possível a

seleção dos drivers de comando. O step angle, o ângulo do passo unitário é primordial

para o sistema de controle além destes, o valor do holding torque bipolar é importante

e deve ser analisado em uma futura substituição do componente.

3.4.3 Seleção de drivers

Após todo trabalho realizado com os motores de passo, os esforços e olhares

foram direcionados para a seleção da placa que possibilita a conexão deste elemento

com a placa controladora. É importante ressaltar o papel indispensável que esse

componente possui no bom funcionamento de um conjunto eletrônico, presente neste

tipo de maquinário, o drive do motor de passo recebe os comandos da placa

controladora e os envia para o motor, fazendo a leitura das informações obtidas da

placa e os cálculos necessários para que os motores se movimentem da maneira

desejada.

34

É interessante apontar que todas as informações ditas anteriormente são

completamente dependentes de uma ligação correta da interface placa controladora-

drive e drive-motor de passo, todos os fios devem ser cuidadosamente acoplados no

seu local indicado, levando em consideração a polaridade do motor, os pinos de sinais

da placa e a corrente de trabalho.

Para este projeto, optou-se por adquirir uma placa pronta, que desempenhasse

todos os requisitos necessários, alcançados no estudo exercido sobre o motor de

passo. A opção da confecção dessa placa foi levantada no decorrer da atividade,

contudo, logo foi descartada por acarretar um grande esforço, para sua produção,

além de não trazer benefícios financeiros significativos.

A escolha pelo driver TB6600 deve-se a sua configuração, que supre todos os

parâmetros requisitados, ao seu baixo custo e sua disponibilidade no mercado, sendo

facilmente encontrado, inclusive em lojas locais.

Figura 19 – Microstep Driver modelo TB6600


3.4.4 Seleção da placa de controle

Apesar de ser o componente que possui mais atribuições no conjunto, de ser

responsável por interligar a grande maioria dos elementos eletrônicos, tornando-se

assim o principal membro do sistema, a placa controladora a ser utilizada, foi escolhida

35

por último. Esta inversão deve-se ao fato, da pré-existência de um conjunto de

comando numérico computadorizado e da reutilização de muitos dos itens presente

deste complexo.

A placa teria que se adequar à todas partes já existentes, ser capaz de

comandar e interligar todos as outras unidades. No mercado encontra-se diversas

opções de placas competentes para aplicação. Algumas direcionadas para máquinas

de grande porte e com valores elevados foram imediatamente retiradas de uma

possível escolha. O foco da busca era encontrar uma placa de baixo custo de

aquisição, mantendo o orçamento do projeto reduzido.

Acompanhando todos passos dos requisitos e a configuração imposta na

seleção do componente de comando, chegou-se à placa modelo Interface

Controladora USB CNC 4 Eixos Mach3 R08 ou como mais conhecida RNR Eco Motion

2.0. A ilustração 20 mostra um exemplar da board, assim como suas dimensões,

possibilitando observar o quão compacta é a controladora escolhida.

Figura 20 – Placa RNR Eco Motion 2.0


Outros aspectos bastante importantes foram levados em consideração, como:

o tipo de encaixe da placa com o computador, nesta situação deu-se preferência a

placas que possuem conexões Universal Serial Bus (USB), o software de controle

aceito pela placa, para o controle da máquina, neste tópico preteriu-se placas que

36

suportam um único software ou trabalham com sistemas que não aceitam os

comandos para tornos.

3.5 Montagem dos Componentes

Alguns componentes foram retirados da máquina, e outros mantidos em sua

posição original. Entre os membros desacoplados estão os motores de passo, a placa

com as válvulas pneumáticas e o mecanismo de movimento do porta-ferramentas.

Como visto nos tópicos anteriores este desmonte foi necessário e contribuiu para a

identificação e classificação do funcionamento particular destes elementos, assim

como a especificação detalhada de cada item.

Antes de montar a máquina com os componentes retirados e com os novos

itens do comando do controle numérico, optou-se por construir sob uma placa de

madeira, um modelo esquemático com todos os atuadores e controladores, simulando

em todos os aspectos o funcionamento da máquina após os retrofit.

Figura 21 – Modelo esquemático dos atuadores e controlados do torno


A representação do modelo aplicado ao torno, possibilitou alguns testes

preliminares, pelos quais foi possível fazer a validação de parte da estrutura, além de

observar as falhas existentes. Após alguns ensaios, o modelo foi desmontado e os

componentes recolocados em suas posições no torno.

37

A figura a seguir traz uma representação do esquema eletrônico adotado para

a ligação dos drivers dos motores de passo com a placa controladora, com o motor e

com sua alimentação, vinda da fonte chaveada 24V.

Figura 22 – Modelo esquemático das ligações feitas no Microstep Driver


A maioria dos elementos voltaram a sua configuração original, contudo houve

outros que sofreram modificações. O segmento que merece destaque é o conjunto do

porta-ferramentas, no qual o motor original foi substituído por um motor de passo e o

mecanismo de controle antigo, formado por um potenciômetro e um Switch, retirado.

3.6 Controle de software

3.6.1 Escolha do software de comando

A escolha do software está completamente interligada com a preferência

adotada na seleção da placa do controle geral do mecanismo, normalmente as placas

suportam apenas uma opção de programa; existe placas que trabalham com duas ou

mais plataformas de controle, esses casos são raros e invariavelmente essas placas

possuem valores de compra significativos.

38

Outro aspecto responsável por influenciar na seleção do software de controle é

o quesito da implementação do G-code, deu-se preferência a os programas que

utilizam completamente a tecnologia CAM, pois alguns necessitam da digitação

manual das linhas de comando, causando um trabalho adicional, já o aplicativo

escolhido aceita linhas de comando gerada por programas de CAD como também

aceita o trabalho livre e a implementação manual das linhas de código.

A imagem 23 exibe a tela de trabalho do Mach3, programa escolhido para

controlar a máquina utilizada no projeto.

Figura 23 – Janela de trabalho do software Mach3


Somado aos dois tópicos anteriores, o software selecionado apresenta mais uma

vantagem, quando comparado com os demais, ele possui de forma nativa

configurações destinadas a utilização em tornos, algum incomum, viste que a grande

maioria é direcionados para o controle de máquinas três ou mais eixos, fresadoras,

impressoras 3D entre outras.

3.6.2 Configuração de paramentos máquina-software

Para um funcionamento satisfatório do torno, é imprescindível interligar de

maneira correta, os hardwares com o software de controle, o que para o projeto refere-

se ao Mach3 no perfil Turn. Os parâmetros e informações devem ser introduzidas no

39

programa, com o intuito de que este possa compreender e controlar todos os recursos

ofertados na máquina.

O primeiro passo da configuração do Mach3 atinge diretamente a placa de

controle. Como já mencionado anteriormente, foi adquirido uma RNR Eco Motion 2.0,

para o realizar o comando geral do torno. Esta possui uma conexão USB para leitura

e envio de dados, enquanto o Mach3 é predefinido para operar com porta serial

paralela. A adição do plugin que habilita a utilização de placas mais atuais e a

alteração da porta de entrada, são ações primordiais para o desempenho apropriado

do conjunto de comando.

O procedimento seguinte aborda a ligação dos motores dos eixos X e Z. É

preciso informar para o programa os pinos correspondentes a cada um deles, isso faz

com que o Mach3 saiba onde cada canal dos motores estão conectados na placa RNR

Eco Motion 2.0. A figura abaixo traz a interface para esta configuração, com todas as

opções dispostas e a indicação das seleções utilizadas para este projeto.

Figura 24 – Interface da configuração dos motores de passo


40

Posteriormente aos motores de passo, realizou-se a configuração do Spindle. É

necessário frisar que todos os parâmetros do motor de corrente alternada são

inseridos no inversor de frequência. O mach3 apenas faz o controle remoto destas

funções, para isso a opção Enabled é ativada e inserido o número 1 no Step Pin# e o

número 3 no Step port.

Com os motores de passo e o spindle configurados, a próxima etapa é

naturalmente o ajuste do Switch, termo em inglês para os elementos fim de curso.

Para a configuração desses componentes existe alguns arranjos. A escolha por algum

deles, está associada à disposição dos Switchs na máquina e na utilização ou não do

Home X e Home Z. Para uma melhor compreensão das opções adotadas no projeto,

segue abaixo a figura 25, que expõe as escolhas possíveis e destaca as utilizadas na

ocasião.

Figura 25 – Interface da configuração dos Switchs


41

4 Resultados e Discussão

4.1 Analise do funcionamento dos motores de passo

Depois de todo o processo de montagem, minuciosamente descrito no

capítulo anterior, deu-se início aos testes de funcionamento da máquina, preferiu-se

segmentar este regime de analises para facilitar os ajustes e configuração do torno.

Assim como as outras etapas, o conjunto dos motores de passo foi escolhido para

iniciar o procedimento de observação e avaliação.

Comandos simples foram enviados para cada motor de passo através do

programa Mach3 e toda plataforma construída, composta pela placa de controle CNC

4 Eixos Mach3 R8, Driver Microstep TB6600 e fonte chaveada 24v. Primeiramente o

motor de passo, responsável pela movimentação do carro longitudinal, respondeu

bem aos sinais enviados, o carro do eixo Z deslocou-se para a direita, coordenadas

positivas do eixo e posteriormente retornou.

O segundo motor de passo apresentou uma irregularidade neste teste, o carro

transversal movimentou-se de forma oposta aos comandos enviados. Para se ter

certeza da falha, repetiu-se o teste, o motor se comportou da mesma forma, indicando

que a polaridade do motor se encontrava invertida. Duas soluções poderiam ser feitas:

uma física e outra lógica. Optou-se pela física, invertendo as conexões do driver com

o motor de passo do eixo X. Após o ajuste, o teste foi realizado com sucesso, o carro

transversal movimentou-se como estabelecido no software.

Com os sentidos dos movimentos ajustados, o próximo teste é com relação a

correspondência dos valores deslocados, esse ajuste irá influenciar diretamente a

qualidade e a precisão obtida nas peças manufaturadas pelo torno. Através do

software Mach3 são enviados sinais relativos a deslocamentos conhecidos, os valores

escolhidos foram 10, 50, 100, 150, 200 e 280 milímetros. Neste teste os dois carros

apresentaram algumas distorções. Com o auxílio de um paquímetro e um micrômetro

foi realizado este procedimento de verificação e configuração, de forma

individualizada, os comandos de deslocamentos eram executados e com o

instrumento de medição efetuava-se a apuração da quantia real percorrida.

42

Outra forma de realizar o ajuste de correspondência de valores deslocados é

utilizando alguns cálculos de transmissão e possuindo todas as informações de

acoplamentos e elementos de movimento, exemplo: diâmetro das polias do motor de

passo e do fuso, número de dentes das polias, relação de giro e deslocamento linear

do fuso, entre outros.

A escolha pelo primeiro método deve-se a ausência de algumas informações

dos acoplamentos e por acreditar no ótimo resultado entregue da primeira opção, além

da vantagem de poder confrontar das medidas lógicas com as físicas, observando os

valores finais e reais das peças processadas.

4.2 Analise do funcionamento do motor de corrente alternada

Para o funcionamento do motor principal, foi utilizado um inversor de

frequência da empresa Weg modelo CFW 100, recebido do laboratório de elétrica da

instituição, e um modulo expansor IO AR Weg, adquirido para o projeto. Este expansor

é capaz de interligar a interface de controle e o motor de corrente alternada, por este

canal será enviada as informações para o controle de velocidade do motor.

Dispondo da informação do parágrafo anterior, torna-se fácil indicar os pontos

que necessitam procedimentos de analises e ajustes. Verificou-se as funções

primárias de ligar e desligar, ambas operando corretamente. Em seguida os cuidados

foram voltados para o sentido do giro, com o envio do sinal anti-horário o motor girou

no sentido contrário, da direção horária, a solução para essa irregularidade segue o

mesmo princípio utilizado no motor de passo. As conexões estão invertidas ou o

referencial está trocado, diferentemente do primeiro caso, para esta situação optou-

se pela solução lógica, alterando o referencial do programa e modificando alguns

parâmetros.

O último fator analisado é definitivamente o mais crítico, ele reúne a variação,

leitura e controle da velocidade do motor, a necessidade do domínio de todos esses

aspectos se justificam pelo fato de que no processo de torneamento é indicado que a

velocidade da placa de castanha alterne de acordo com as mudanças de diâmetro da

peça usinada.

43

Antes de analisar o motor de forma definitiva, com toda interface de controle

incluindo a presença do encoder, preferiu-se realizar um teste de rampa de

velocidade, utilizando um simples potenciômetro com o intuito de validar o módulo de

expansão, que permite o controle da velocidade por variação de tensão entre 0 e 10

V. Neste procedimento o resultado alcançado foi o esperado, o motor manteve-se em

uma velocidade constante no ponto zero do potenciômetro e aumentou

gradativamente sua velocidade à medida que se elevava a tensão.

Após o posicionamento do encoder, novamente foi realizado o teste de

variação de velocidade da placa de castanhas. Agora com a possibilidade de obter o

valor absoluto da velocidade de giro, para verificar a consistência desses dados,

utilizou-se um tacômetro de contato, as medições corresponderam com valores

mostrados no programa. Um aspecto pertinente observado neste teste, foi uma

pequena instabilidade quando o motor operava em velocidade constante.

4.3 Primeiros testes de movimento do conjunto

Neste projeto foram necessários poucos ajustes, a maioria das situações já

havia sido prevista e estudada no período de pesquisas e aprofundamento teórico.

Contudo, é comum surgir alguns imprevistos e barreiras, podendo-se apontar algumas

delas, como o mau funcionamento da válvula responsável por abrir a placa de

castanhas e a impossibilidade de controle do motor responsável pelo movimento do

conjunto porta ferramentas.

Pensando na declaração do parágrafo anterior, optou-se por realizar testes

simples e de maneira gradativa, elevando-se a complexidade destes. Sem a presença

de uma matriz para ser usinada, o torno foi posto para executar uma lista de

comandos, representando o faceamento e o desbaste de uma peça ilusória,

movimentos simples, mas que comprovam o bom funcionamento do conjunto

software-máquina.

No faceamento existe uma variação notável de diâmetro no trecho usinado da

peça, neste procedimento a placa de castanhas apresentou elevações em sua

velocidade à medida que a ferramenta de corte se aproximava do eixo-máquina,

obtendo um resultado bastante satisfatório neste ponto de análise. Os valores

44

absolutos de velocidade não estavam sendo avaliados no momento, a preocupação

estava destinada apenas na existência dessa rampa de velocidade.

No processo de desbaste é possível observar o funcionamento dos dois

carros de trabalho de forma individualizada, além dos degraus de velocidade praticado

pelo motor de corrente alternada. Os motores de passo mais uma vez realizaram os

deslocamentos dos carros de trabalho no período adequado e verificou-se o aumento

da velocidade em “cada passada”. Por se tratar de uma peça fictícia, assim como no

experimento anterior, não foram julgadas medidas reais de locomoção. Isso pois a

falta de um produto originário do torneamento, inviabiliza uma conferência deste

gênero.

Como não existia material desbastado, as possibilidades de erro eram

praticamente nulas, sem os esforços, devido a retirada de material, atuando sobre a

ferramenta de corte. Possíveis travamentos, perda de passos entre outras falhas,

tornam-se incomum sua aparição nesse tipo de cenário.

4.4 Primeira usinagem

Após a reconstrução total da máquina e dos primeiros testes de

movimentação, foi possível realizar o primeiro ensaio de usinagem no torno, adotou-

se a mesma programação de código do experimento inicial, a escolha pela

manutenção do modelo inicial, deve-se ao fato que inicialmente não se obteve uma

peça física como resultado do experimento, além de que desta forma torna-se possível

uma comparação deste como o primeiro procedimento.

Existem algumas opções para manufaturar um componente através do

Mach3, o caminho adotado foi no modo automático por meio de um arquivo txt, onde

este possui as linhas de comando. O software consegue carregá-lo, interpretá-lo e

traduzi-lo em sinais para os atuadores.

A Figura 26 exibe a primeira peça manufaturada pelo equipamento posterior

ao retrofit.

45

Figura 26 – Primeira peça usinada no torno Denford após o retrofit


Apesar da simplicidade do componente manufaturado e do curto período de

tempo decorrido no processo, a primeira peça fabricada no torno, após todo trabalho

realizado sobe a máquina, presenteia os esforços das pessoas envolvidas no projeto

e representa o êxito alcançado. É importante lembrar que o formato da peça escolhida

não requisitou todos os recursos da máquina.

4.5 Segunda usinagem

Para utilizar mais recursos do torno e assim avaliar todas as modificações

feitas na máquina durante a realização deste projeto, preferiu-se exercer mais um

ensaio, agora com a manufatura de uma peça com um grau de complexidade superior

à anterior.

Mais uma vez terá o procedimento de faceamento e de desbaste, mas estas

ações serão apenas para garantir a cilindricidade da matriz usinada e as medidas do

material base, que serão informados para o software de controle. Além destes

procedimentos a peça possui segmentos circulares, fazendo com que os dois carros

trabalhem ao mesmo tempo.

Na segunda usinagem foi eleito outro método de implementação dos códigos

de comando, para este caso a opção escolhida, foi projetar a peça em um programa

CAD, o software utilizado foi o Fusion 360 da Autodesk, e inserir o arquivo oriundo

desta etapa diretamente no Mach3, contudo foi necessário realizar algumas

46

adequações para dar início a fabricação. Como a peça escolhida era conhecida assim

como seu código de torneamento não houve grande dificuldades nesta etapa. A

imagem abaixo traz os comandos inseridos no programa Mach3 para o

processamento e a fabricação da peça escolhida.

Figura 27 – Linhas de comando da segunda peça usinada após o retrofit.


A figura 28 mostra o resultado da segunda usinagem realizada no torno

Denford, tipo bancada, após a execução do retrofit da máquina.

47

Figura 28– Resultado da segunda usinagem do torno


Visualmente a peça usinada está bem-acabada, contudo, com o auxílio de um

paquímetro, foi possível perceber algumas falhas. As medidas finais da peça

apresentaram variações indesejadas, estas pequenas imperfeições não fazem desta,

um produto descartável, os valores obtidos destoam do projetado, porém é na ordem

de décimos de milímetros. Outros na ordem de micrometros, os quais não foram

levados em consideração, pois alterações nesta ordem são comuns, sendo causado

até mesmo pela ponta desgastada da ferramenta.

4.6 Custos para a realização do projeto

Para que o retrofit do torno CNC do tipo bancada, fabricado pela empresa

Denford, material desta pesquisa se justifique, foi fundamental fixar o custo de

aquisição de componentes utilizados no desenvolvimento do projeto, inferior a

despesa da compra de uma máquina nova, igual ou com características similares

disponíveis no mercado. Objetivou-se ainda conservar os gastos com valores abaixo

de um eventual retrofit realizado por uma empresa contratada.

Para o cumprimento deste trabalho de modernização do comando numérico

de controle operacional da máquina foram adquiridos alguns componentes.

48

A Tabela 9 traz a lista de peças obtidas durante o desenvolvimento do projeto,

visando a efetivação do protótipo preliminar, assim como seu quantitativo e os valores

empregado na compra destes.

Tabela 9 – Componetes adquiridos para o projeto.

Produto Quantidade

Valor

Individual

(em reais)

Soma

Inicial

(em reais)

Modulo de expansão Weg

IOAR 1 237 237

Placa CNC 4 Eixos Mach3

R08. 1 205 205

Modulo relé 4 canais 5V 1 35 35

Fonte chaveada 24V 30A 1 89 89

Driver 4ª WD-TB6600 2 90 180

Motor de passo Nema 17 1 30 30

Botão simples 3 4 12

Switch fim de curso 2 4 8

Cooler 12v 1 15 15

Conector elétrico 12 0,5 6

Fio de 1,5 mm 10 2 20

Total 837


49

5 Conclusão

Com a pesquisa inicial, realizada para a elaboração e construção do conjunto

de modernização do torno, é justificável afirmar que a tarefa desenvolvida

proporcionou o aprendizado e amadurecimento em inúmeras áreas de conhecimento,

da mesma forma que promove evoluções à estrutura do laboratório, onde a atividade

foi realizada.

O objetivo principal deste projeto é o retrofit de um torno CNC do tipo bancada

fabricado pela empresa Denford. Fazendo com que este volte a funcionar de forma

padrão e assim empregá-lo no dia a dia acadêmico de alguns componentes

curriculares do curso técnico em mecânica industrial do IFRN Natal Campus-Central,

além da manipulação deste para a fabricação de peças e dispositivos a serem

utilizados em pesquisas e protótipos de professores e alunos da instituição.

O sistema de comando numérico projetado funcionou de forma muito

satisfatória, fabricando peças complexas com um ótimo acabamento. Quanto a parte

mecânica, que sofreu poucas alterações, não foram observadas vibrações ou mau

funcionamento do conjunto, comportando-se de forma rígida e satisfatória.

Mesmo com as dificuldades enfrentadas durante a execução do projeto, sendo

estes devidamente apresentado e detalhado anteriormente, os resultados alcançados

são consideráveis, sendo capaz de inspirar aqueles que propõem-se aprender um

pouco sobre tal assunto.

Assim como o torno CNC, este trabalho fica como material de apoio para

estudos imersos nesta temática, servindo de guia prático no aprendizado. Deve-se

ainda destacar a contribuição deste, para os alunos de Engenharia Mecânica,

oferecendo a oportunidade de interligar conhecimentos de disciplinas de elementos

de máquinas, processo de fabricação mecânica e desenho mecânico.

50

5.1 Sugestões para trabalhos futuros

Com o término deste trabalho, resultam algumas propostas para trabalhos

futuros:

Desenvolver uma case para acomodar todos os novos componentes

eletrônicos, responsáveis pelo comando da máquina, visando proteger a

estrutura do conjunto, evitar um mau funcionamento, decorrente do

desacoplamento de elementos e facilitar futuras manutenções.

Unir o sistema pneumático ao conjunto de controle dos motores, possibilitando

a abertura e fechamentos da porta, pelo software de operação da máquina.

Padronizar peças, seja ela eletrônica ou mecânica, software, cabos e

conexões, tudo programando uma futura necessidade de substituição de

componentes, devido à má funcionamento ou falha destes.

Arquitetar um novo conjunto de modernização para esse tipo de torno que seja

praticável em vários outros modelos, com características universais, além de

um manual para sua implementação, por profissionais qualificados.

.

51

6 Referências

ALMEIDA, A. M., ALMEIDA, G. G., SANTOS, H. V. A., ARAUJO, L. F., SILVA, R. A., FAUSTINO, T., A EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE PRODUÇÃO. 2009. 71 f. Monografia (Especialização) - Curso de Engenharia de Produção, Universidade Anhembi Morumbi, São Paulo, 2009. Cap. 1.

BRITES, FELIPE G., ALMEIDA SANTOS, VINICIUS P., Apostila: “Tutorial – Motor de Passo”, Programa de Educação Tutorial – PET-Tele, Universidade Federal Fluminense.- 2008

DENFORD. Mirac PC CNC Lathe User's Manual., West Yorkshire,: UK, 1996. 114p.

DINIZ, ANSELMO E MARCONDES, FRANCISCO C., COPPINI, NIVALDO L., Livro: Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 7ª ed. – São Paulo: Artliber, 2010.

DFROBOT. TB6600 Stepper Motor Driver User Guide, São paulo: SP, 2010. 11p.

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GENG, H. Manufacturing Engineering Handbook, Second Edition. New York: McGraw Hill Education, 2015.

ISO 6983-1, "Numerical control of machines – Program format and definition of address words – Part 1: Data format for positioning, line motion and contouring control systems", 1982.

LYRA, Pablo V. A., (2010). Desenvolvimento de uma Máquina Fresadora CNC Didática. Trabalho de Graduação em Engenharia de Controle e Automação, Publicação FT.TG-nº , Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 123p.

MACHADO, A. “Comando numérico aplicado às máquinas-ferramenta” 1ª edição-Cone Editora, 1986

MADISON, J. CNC Machining Handbook: Basic Theory, Production Data, and Machining Procedures. Norwalk: Industrial Press Inc., 1996.

INDRAMAT. Manual Técnico GmbH Bgm.-Dr.-Nebel-Str.2. D-97816 Lohr Dept. ECD(RR/JR) 1997 ed 1.

NASCIMENTO, R. A., ABRÃO, A.M., RUBIO, J.C., Artigo: Torno CNC de Bancada: Uma tentativa de disseminar a filosofia do software livre no ambiente industrial. Artigo, Universidade Federal de Minas Gerais –UFMG. http://www.pos.dep.ufmg.br/index.php/pt_br/o-programa-pt/corpo-docente?nick=juan Acessado em 29/05/2019

52

PAZOS, Fernando. Automação de Sistemas e Robótica. Rio de Janeiro, Editora Axcel Books do Brasil, 1ª edição, 2002.

PEARCE, J. M. Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware. Science Magazine, v. 337, n. 6100, p. 1303–1304, 2012.

POLASTRINI, Fernando H. “Desenvolvimento de uma Máquina CNC de Baixo Custo com Softwares e Hardwares Abertos” Relatório (Graduando em Engenharia Elétrica), Instituto Federal de Minas Gerais, 2016.

SEAMES, W, S. Computer Numerical Control: Concepts and Programming. Stanford: Cengage Learning, 2001.

SCT SERVO CONTROL TECHNOLOGY AG. Hybrid stepping motors hy / hs / hn series, Lucerna: Suiça, 1992. 16 p.

SMID, P. CNC Programming Handbook: A Comprehensive Guide to Practical CNC Programming. Norwalk, Industrial Press Inc., 2003.

STOETERAU, R. L. Comportamento Estático e Dinâmico de Mancais Aerostáticos Cilíndricos para Guias Lineares. Florianópolis: UFSC, 1992. Dissertação.

53

Apêndice – Catálogos

CATÁLOGO 1 – TORNO DENFORD TIPO BANCADA

54

CATÁLOGO 2 – MOTORES DE PASSO SCT

55

CATÁLOGO 3 – DRIVERS DOS MOTORES DE PASSO

INPUT & OUTPUT:

Signal Input:

PUL+ Pulse +

PUL- Pulse -

DIR+ Direction +

DIR- Direction -

EN+ Off-line Control Enable +

EN- Off-line Control Enable -

Motor Machine Winding:

A+ Stepper motor A+

A- Stepper motor AB+

Stepper motor B+

B- Stepper motor B-

Power Supply:

VCC VCC (DC9-42V)

GND GND

1. Wiring instructions

There are three input signals in all: ① Step pulse signal PUL +, PUL-; ② Direction

signal DIR +, DIR-; ③ off-line signal EN +, EN-. The driver supports common cathode

and common-anode circuit, you can select one according to your demand.

Common-Anode Connection:

Connect PUL +, DIR + and EN + to the power supply of the control system. If the power

supply is + 5V, it can be directly connected. If the power supply is more than + 5V, the

current limiting resistor R must be added externally. To ensure that the controller pin

can output 8 ~ 15mA current to drive the internal optocoupler chip. Pulse signal

connects to PUL-; direction signal connects to Dir- ; Enable signal connects to EN-. As

shown below:

56

Micro Step Setting

The follow tablet shows the driver Micro step. You can set the motor micro step via the first three DIP switch.

Step Angle = Motor Step Angle / Micro Step

E.g. An stepper motor with 1.8° step angle，the finial step angle under “Micro

step 4” will be 1.8°/4=0.45°.

Current Control Setting

retrofit de um torno cnc do tipo bancada

Documents