trabalho de conclusão de curso 2 - eng de controle e automação 2015.doc

8/19/2019 Trabalho de conclusão de curso 2 - Eng de controle e automação 2015.doc

1/23


2/23

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma fresadora para circuitos

impressos que tem seu processamento baseado em microcontroladores

dispensando assim o uso um computador para comandar a maquina. Serão usadosno desenvolvimento apenas sistemas de código aberto, ou seja, estão livres para

alterações e aplicações em projetos tendo poucas limitações em sua utilização e

alteração. intenção ! desenvolver uma maquina economicamente vi"vel e que

barateie o processo de prototipagem de placas de circuito eletr#nico para pequenas

empresas, visto que o processo de confecção de placas de circuito impresso $%&'(

tem custos elevados e acaba encarecendo pequenos projetos que ainda estão em

desenvolvimento, da mesma forma maquinas computadorizadas para prototipagemde circuitos eletr#nicos tem custos elevados no mercado o que não dei)a outra


3/23

sa*da a o desenvolvedor a não ser encarecer o preço final do produto. +oi utilizado

para controle e interpretação dos comandos && $comando num!rico

computadorizado( um microcontrolador rodando um firmware interpretador chamado

-/0 que trabalha em conjunto com o bootloader da placa de desenvolvimento

Arduino, e para interface entre o homem e a maquina utilizamos um dispositivo com

sistema android com programação totalmente desenvolvida na linguajem oficial do

android , o 1ava, pelos alunos projetistas da maquina.

Palavras-chave: +resadora. Soft2are livre. %&'. &&. rduino. ndroid.


4/23

LISTA DE FIGURAS

+igura 3. 4 5 %laca rduino 67...................................................................................8

+igura 3. 9 5 :otor de passo ema 39.......................................................................4;

+igura 3.4 4 < +resadora horizontal $a(.......................................................................44

+igura 3.4 3 5 +resadora =ertical $b(...........................................................................43

+igura 9.>. 4 5 oscas de transmissão.......................................................................4>

+igura 9.>. 3 5 +uso trapezoida...................................................................................4?

+igura 9.>. 9 5 -uia linear de trilho redondo...............................................................4?

+igura 9.?. 4 5 :otor de passo....................................................................................4@

+igura 9.?. 3 5 +lu)ograma de dados..........................................................................4A+igura 9.?. 9 5 Sensor &&.........................................................................................48


5/23

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

&& &omando um!rico &omputadorizado

6S/ 6niversal Serial /us

-code &ódigo -

&BC&: &omputer ided BesingC&omputer ided

Db uilobFtes

E' Electronics 'ndustrF ssociation

u& :icrocontrolador

'C7 Entradas e sa*das

B& nalog digital converter

ormalmente aberta


6/23

ESTRUTURAÇÃO DOS CAPÍTULOS E SUBCAPÍTULOS

4 ITRODUÇÃO.......................................................................................................?

4.4 7bjetivos -erais.................................................................................................?

4.3 7bjetivos Espec*ficos.........................................................................................@

4.9 1ustificativa.........................................................................................................@

3 FUDAMETAÇÃO TE!RICA.............................................................................A

3.4 7 processo de fresamento.................................................................................A

3.3 &omando num!rico computadorizado $&&(....................................................8

3.3.4 Estrutura do programa &&...........................................................................4;

3.9 7 Firmware -/0 e o bootloader arduino.......................................................442.4 Software android ...............................................................................................44

3.> :E&G'&.......................................................................................................43

3.>.4 oscas de transmissão................................................................................43

3.>.3 -uias laterais................................................................................................49

3.? Eletr#nica....................................................................................................4H

3.?.4 :otores de passo.........................................................................................4H

3.?.3 Briver dos motores.......................................................................................4>3.?.9 :icrocontroladores.......................................................................................4>

9 METODOLOGIA..................................................................................................4@

9.4 Ensaios j" realizados.......................................................................................4A

H REFER"CIAS...................................................................................................3;


7/23

# ITRODUÇÃO

Besde a antiguidade o homem j" processava de forma manual pedras e

madeira para fazer objetos de uso cotidiano e armas, depois metais e assim

sucessivamente. o decorrer do tempo surgiram então m"quinas simples de

propulsão manual e tamb!m a vapor, e dando um salto relativamente grande na

historia da humanidade, indo do vapor ao computador, chegamos ao invento da

eletricidade e dos motores el!tricos, logo indIstrias se ergueram e o cen"rio

industrial se instalou no meio Js antes calmas capitais e grandes cidades do mundo

inteiro. Em meio a esse cen"rio de crescimento industrial, novas tecnologias foramdesenvolvidas e hoje no s!culo KK' a tecnologia industrial chega a ser espantosaL

6ma grande inovação para a indIstria foi o desenvolvimento de maquinas

controladas por computador. Elas não descansam, não tiram ferias e não cometem

tantos erros na produção. lem disso foi poss*vel confeccionar um grande numero

peças iguais de forma r"pida, processo que antes era trabalhoso, pois era realizado

pelo homem e nem todas as peças eram e)atamente iguais e o processo demorado.

Esse trabalho visa o desenvolvimento de uma maquina comandada por computador. Ela ser" desenvolvida visando novas tecnologias de processamento de

informações antes realizadas por micro computadores que possuem soft2ares

propriet"rias muitas vezes com custos elevados, foi desenvolvida tendo em vista o

aproveitamento de espaço e bai)o custo tornando vi"vel a pequenas indIstrias a

sua aquisição.

4.4 7/1EM'=7S -E'S

7 seguinte trabalho tem a intenção de desenvolver uma fresadora

controlada por comando num!rico computadorizado $&&( que dispensa o uso de

um computador como intermedi"rio entre a informação $comando( e a maquina.

intenção ! substituir um computador por um dispositivo Android que tem tamanho,

consumo energ!tico e preço muito menor que os computadores convencionais e

mesmo com a capacidade de processamento muito inferior esses dispositivos pode


8/23

realizar tranquilamente o controle de uma maquina &&.

4.3 7/1EM'=7S ES%E&N+'&7S

%ara enviar comandos para a maquina utilizaremos um tablet com sistema

operacional Android . 7 dispositivo recebera os arquivos de comando -5code

$linguagem de maquinas &&( atrav!s de um servidor local onde o projetista salvara

o código ou pela porta 6S/ com um pendrive contendo o código em sua memória.

%ara interpretar esse código e realizar o trabalho ser" utilizado um

microcontrolador tmega 93A com um firmware -/0 atuando em conjunto com o

bootloader do Arduino. 7 firmware -/0 interpreta o código recebido atrav!s deuma comunicação serial entre o dispositivo Android e o microcontrolador que manda

a informação para os drives dos motores que realizam o movimento da maquina.

Bessa forma a maquina ! comandada por um dispositivo com software livre

dispensando gastos com sistemas computacionais adicionais para maquinas && e

sistemas operacionais.

geração dos comandos num!ricos ser" de responsabilidade do usu"rio,

podendo ser utilizados programa como os &BC&: ou qualquer programa que

gere um código para &&.

4.9 16SM'+'&M'=

Bispensando gastos com software e hardwares superdimensionados esse

sistema pode realizar trabalhos semelhantes utilizando tecnologias de código aberto

mais baratos e mais simples. 7 sistema tamb!m dispensa manutenção na parte

computacional, ocupa menor espaço f*sico e ! de simples configuração.


9/23

$ FUDAMETAÇÃO TE!RICA

3.4 7 %7&ESS7 BE +ES:EM7

Segundo %ereira $3;43, pH(O

+resagem ! um processo de usinagem feito por m"quinas denominadas

fresadoras e ferramentas chamadas fresas. fresagem consiste na

remoção do e)cesso de metal da superf*cie de uma peça para que esta

tenha forma e acabamentos desejados. a +resagem, a retirada do

sobremetal da peça ! feita pela combinação de dois movimentossimultPneosO o movimento de rotação da ferramenta $fresa( e o movimento

da mesa da m"quina $onde ! fi)ada a peça a ser usinada(.

+resadoras são utilizadas para desbaste de superf*cies, ou corte de

mat!riais met"licos ou não $madeira, pl"stico entre outros(. s fresadora são

classificadas dois tipos principaisO horizontal, vertical $S76Q, 3;44, p.4?A(.

+igura 3.4 4 < +resadora horizontal $a(

+onteO Souza $3;44, p.4?8(


10/23

+igura 3.4 3 5 +resadora =ertical $b(

+onteO Souza $3;44, p.4?8(

fresadora horizontal $fig. 3.4( possui o ei)o rotativo na posição horizontalpodendo se deslocar no ei)o F e a mesa na posição ). 1" a fresadora vertical $fig.

3.3( possui o ei)o rotativo na posição vertical e tamb!m trabalha no ei)o F porem a

ferramenta trabalha na posição horizontal.

nalisando os dois casos, chegamos J conclusão de que a solução mais

indicada para nosso projeto ! a fresa vertical, portanto todo o projeto ser"

desenvolvido tendo em vista esse modelo de maquina.

3.3 &7:B7 6:R'&7 &7:%6MB7'QB7 $&&(

m"quina && ! um equipamento eletr#nico que recebe informações de

um computador ou microcontrolador para realizar um determinado movimento essa

informação ! escrita por meio de uma linguagem de coordenadas && $comando

num!rico computadorizado(.

7 comando num!rico computadorizado ! uma linguagem utilizada para


11/23

controle de m"quinas comandadas por computador, por ela ! poss*vel controlar

posicionamento velocidades e tamb!m perif!ricos como aspiradores de pó ou liquido

refrigerante para resfriamento do material a ser usinado.

%ara gerar um programa && ! necess"rio a elaboração de uma peça ou

desenho atrav!s de soft2ares computacionais &BC&:. Esses soft2ares são

capazes de projetar atrav!s de desenhos computacionais, peças de diferentes tipos

e geometrias em terceira dimensão ou ate simples desenhos lineares.

&om essa tecnologia foi poss*vel para a indIstria produzir peças usinadas

e)atamente iguais umas das outras com muita precisão e velocidade na produção.

3.3.4 Estrutura do programa &&

E)istem diversas linguagens de comando num!rico computadorizado. Esse

projeto ser" capaz de interpretar códigos na sinta)e do protocolo S3@HB, tamb!m

conhecido como -code. 7 -code foi desenvolvido pela E' $Electronics 'ndustrF

ssociation( na d!cada de 48?; $%'0M7 et al, 3;4;, p.3@(.

7 -code ! e)iplicado por %ilato $3;4;, p.3A(O

forma b"sica de uma instrução ! uma letra seguida de dois nImeros

$-;;, -;4, -8;, +9;, :9;(. letra - identifica comandos preparatórios,

que são utilizados para mover os ei)os ou definir a unidade dos dados de

entrada. 1" a letra : identifica as instruções de entradas e sa*das da

m"quina, como troca de ferramenta e fim de programa. 7utras letras são

utilizadas para complementar certas instruções, como a letra + que indica a

velocidade de movimentação dos ei)os e acompanha algumas instruções -.

estrutura de um arquivo -5&ode normalmente ! formada pela seguinte

seqTnciaO4. &oment"rios não funcionais $data de geração, soft2are que o gerou,

autor, entre outros(U3. lgumas instruções de configuração da m"quina $indicação da unidade

m!trica adotada, coordenadas relativas ou absolutas, ligar fuso, etc(U9. &onjunto de instruções com as coordenadas $em torno de 8?V do

arquivo, desconsiderando os coment"rios(U

3.9 7 FIRMWARE -/0 E 7 BOOTOA!ER B6'7

7 todo software embarca ! classificado como firmware $&WSE, 3;;@, p.9(.


12/23

7 -/0 ! um software embarcado capaz de controlar o movimento de

motores atrav!s de dados recebidos pela porta serial do micro controlador o qual ele

esta instalado. Esses dados vTm em forma de te)tos enviados para o controlador

atraves de comunicação S5393. 7 firmware ao receber um dado interpreta o que o

comando pretende fazer e então manda a informação para os dri"es que controlam

os motores atrav!s de pulsos.

7 -/0 foi escrito em linguagem & e seus desenvolvedores escolheram o

Arduino #$O para rodar esse sistema pelo fato de ser um controlador muito popular

e com bom desempenho de processamento, porem encontraram dificuldade em

fazer o sistema inteiro caber na memória do rduino, visto que este tem apenas 3Db

de armazenamento. E nesse espaço foi necess"rio colocar interpretador, modelo demovimentos e e)ecução da tarefa. 7s desenvolvedores chamara isto de Xpassar um

camelo em um buraco de agulhaY $/0E-E, 3;4>(.

7 bootloader Arduino ! o que inicia o sistema e carrega o firmware -/0.

6tilizando um bootloader no microcontrolador este pode ser gravado diretamente

pela porta 6S/, sem a necessidade de um hard2are programador, o que facilita

gravação e evita gasto com hard2are adicional para gravação. $7B'-6ES,

3;49(.

2.4 SOFTWARE A$!ROI!

7 software Android ter" a função de buscar arquivos na memória do servidor

ou em um dispositivo 6S/ e transferi5los linha por linha para o microcontrolador

atrav!s do Bluetooth. interface ser" desenvolvida em 1ava atrav!s da ferramenta

de desenvolvimento oficial Android Studio.

3.> :E&G'&

3.>.4 oscas de transmissão

osca de Mransmissão ou +usos são barras de ferro com rosca quetransformam o movimento rotativo os motores em movimento linear para as bases


13/23

da maquina.

s roscas são barras com um conjunto de filetes que a contornam. E)istem

diversos perfis de rosca utilizados para diferentes aplicações $-0B'7, 3;4H(.

+igura 9.>. 4 5 oscas de transmissão

+onteO Mhomson, jul. 3;4H

7 projeto utilizara fusos trapezoidais que são empregados na

movimentação de m"quinas operatrizes para a trnamissão de movimento suave e

uniforme $-EE7S7, 3;;8, p.44(. E)istem no mercado outros tipos de fusos,

como os fusos de esferas, porem para nossa aplicação que não e)ige torque

elevado e a precisão dos fusos trapezoidais se mostrou suficiente, alem do custo,

optamos em utiliza5lo. figura 9.>.3 mostra uma foto real do fuso utilizado at! então

no projeto.

+igura 9.>. 3 5 +uso trapezoida


14/23

Fonte: O próprio autor

3.>.3 -uias laterais

s guia lineares au)iliam na firmeza da maquina nos movimentos gerados

pela rotação do fuso. Elas são ei)os ou barras deslizantes onde as estruturas da

maquina são apoiados.$='-E, 3;43(.

+igura 9.>. 9 5 -uia linear de trilho redondo

+onteO Mhomson linear

este projeto não utilizaremos guias em forma de barra pois apesar de teremqualidade superior tem custos elevados, por esse motivo optamos pelas guias

lineares retificadas.


15/23

3.? E0EMZ'&

3.?.4 :otores de passo

&ardozo $3;43, p.4@( define motores de passo da segunte maneiraO

:otores de passo são atuadores eletromagn!ticos capazes de converter

pulsos digitais na entrada em rotações incrementais do ei)o do rotor. São

utilizados em aplicações que necessitam de um movimento rotativo preciso.

Esses motores estão difundidos em impressoras, discos r*gidos de

computador, m"quinas5ferramenta e rob#s.

Em geral motores de passo são motores que trabalham com pulsos, onde

cada pulso faz com que o rotor do motor de desloque para um determinado Pngulo

gerando assim com v"rios pulsos o movimento rotativo do ei)o.

7 funcionamento desses :otores se da por varias solenoides alinhadas de

duas em duas que quando energizadas atraem o ei)o para determinada posição

causando uma pequena variação do Pngulo dele a esse movimento damos o nome

de passo $/'MES et al., 3;;A(.

+igura 9.?. 4 5 :otor de passo


16/23

+onteO /'MES $ 3;;A, p.?(

3.?.3 Briver dos motores

%ara que os motores recebam energia suficiente para se moverem !

necess"rio de potencia. Esse dispositivo recebe o sinal do microcontrolador, ou do

computador atrav!s da porta paralela, e transforma esse sinal em um pulso comcorrente e tensão adequando para que os motores se movimentem.

3.?.9 :icrocontroladores

7 microcontrolador ! um circuito que integra processadores, memórias,

conversores B& $conversor analógico digital(, perif!ricos de 'C7 $entrada e sa*da(

entre outros, dentro de um chip ou &' $circuito integrado( $S76Q et al, 3;43, p.9;(.

Esse dispositivo recebe informações e a partir do que lhe programado

tomam determinada decisão.

o projeto em questão o microcontrolador recebera os dados de uma

comunicação serial e atrav!s desses dados tomara a decisão de para qual drive

mandar pulsos determinando seu movimento, sentido de rotação e velocidade.

7 sistema de controle ser" constitu*do como mostra a figura.


17/23

+igura 9.?. 3 5 +lu)ograma de dados

Fonte: O próprio autor

Esse sistema trabalha em malha aberta ou seja, não utiliza en%oders para

verificar a posição dos motores.

%ara indicar o fim de curso dos ei)os ao controlador para que ele saiba at!

onde a maquina pode se mover, usaremos chaves de fim de curso $normalmente

aberta(. ue quando acionadas indicarão o fim do curso de determinado ei)o.

+igura 9.?. 9 5 Sensor &&

+onteO 7 proprio autor

7 firmware -/0 tem uma caracter*stica em relação a esses sensores, seeles forem atingidos fora do momento de posicionamento autom"tico dos ei)os ele


18/23

para a maquina indicando falha, pois interpreta que o usu"rio movimentou

manualmente a maquina e saiu fora dos limites f*sicos da maquina evitando assim

algum dano na parte mecPnica da maquina.


19/23

% METODOLOGIA

7 desenvolvimento desse projeto começou ainda no per*odo de estagio

onde ambos os acadTmicos tiveram a oportunidade de ter contato com maquinas

&&. 0ogo com a convivTncia com esse tipo de tecnologia e tamb!m os primeiros

contatos, mais a fundo, com mundo dos microcontroladores surgiu J ideia de

integrar os dois, porem isso não era uma novidade e sim uma realidade, no mundo

do desenvolvimento de softwares livres desenvolvedores j" trabalhavam em

sistemas parecidos, como no caso o projeto epap que ! um sistema para

impressoras 9B micro controlado $[ittbrodt et al, 3;49(. Bevido J e)periTncia

tamb!m adquirida no estagio em relação ao sistema operacional Android ele foiintegrado ao projeto como interface homem maquina.

Esse projeto foi divido em trTs partesO Eletr#nica, mecPnica e programação.

a parte eletr#nica pretende5se realizar a confecção das placas de circuito

que vão conter o sistema microcontrolado de interpretação do código, sensores e

comunicação com o dispositivo Android , que nesse caso ser" realizado atrav!s de

um modulo Bluetooth.

mecPnica abrange toda a parte f*sica da maquina contendo fusos, guias,estrutura e motores.

programação 1ava no Android ser" realizada atrav!s da ferramenta oficial

de desenvolvimento, o Android Studio. 1" no microcontrolador ser" um conjunto de

fermentas rodando junto que são o bootloader arduino e o firmware -/0.

base de pesquisa para o desenvolvimento do programa Android ! o site

para desenvolvedores !e"elo&er Android .

o caso do microcontrolador a base de pesquisa ser" o site dos

desenvolvedores do firmware -/0 /engler e tamb!m o site do oficial do rduino.

parte mecPnica ser" projetada no soft2are de desenho mecPnico

computacional SolidWor's e ter" como base de pesquisa o conv*vio com

desenhistas mecPnicos e engenheiros os quais temos contato no estagio alem de

livros na "rea de desenho mecPnico. mecPnica pretende ser simples para baratear

o custo final do projeto.


20/23

9.4 ES'7S 1\ E0'QB7S

+oram realizados at! o momento ensaios simples para constatar a precisão

e o funcionamento dos softwares.

+igura 3. 4 5 %laca rduino 67

+onteO 7 próprio autor

+igura 3. 3 5 Brive de controle de motores



21/23

+igura 3. 9 5 :otor de passo ema 39


7 sistema foi testado utilizando o computador para mandar dados para a&& via 6S/. 7 pró)imo passo ser" utilizar um dispositivo Android que

posteriormente substituir" a computador.


22/23

& REFER"CIAS

[ittbrodt et al, /en M. [ittbrodt. L'(e-c)cle ec*+*,'c a+al)s's *( 's.r'/0.e

,a+0(ac.0r'+1 2'.h *3e+-s*0rce %-D 3r'+.ers4

%EE', Wudson Kavier. CURSO T5CICO DE MEC6ICA IDUSTRIAL.

=espasiano 3;43 < dispon*vel emO

]httpOCCfiles.hudson)avier.2ebnode.com.brC3;;;;;3;;54>cdH4?34bCpostila

V3;+resagemV3;5V3;WudsonV3;Kavier.pdf^. cessado em maio de 3;4>.

S76Q, ndr! 1oão de Souza. Cr'a+* 3r*cess*s e (a/r'ca78* 3*r 0s'+a1e,3ar.e $. 3;44. Bispon*vel em ]

httpsOCCchasque2eb.ufrgs.brC_ajsouzaCpostila6sinagem`%arte3.pdf ̂ . cessado em

maio de 3;4>.

%'0M7, +EB7 %M'&D 6'Q SM'&WE %'0M7. FRESADORA

MICROCOTROLADA PARA PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO. &uritibaO 3;4;.

Bispon*vel emO ] httpOCC222.eletrica.ufpr.brCufpr3CtccsC4@;.pdf^.

-aldino. 0uciano -aldino. c9lc0l* e r*.a78* * .*r0e e a 3*.e+c'a e

,*.*res el;.r'c*s 3*r 3ara(0s*se 3*.e+c'a, 3;4H. Bispon*vel em ]

httpOCC222.fics.edu.brCinde).phpCaugusto`guzzoCarticleCvie2C3HACpdf`H@^. acessado

em maio de 3;4>.

&WSE, 7tavio &hace, S's.e,as E,/arca*s

='-E. 3;4>. Bispon*vel emO ]

httpsOCCravinagre.2ordpress.comC3;43C;9C4HCsmooth5rod5ei)o5ou5guia5linearC^.

&B7S7, [illiam Schroeder &ardozo. Me.**l*1'a C*+.r*le e M*.*res e

Pass* e, Malha Fechaa. 3;43. Bispon*vel emO ]httpOCCmeggi.usuarios.rdc.puc5

rio.brCtesesC:Sc43`[illiam`&ardozo.pdf^.

https://chasqueweb.ufrgs.br/~ajsouza/ApostilaUsinagem_Parte2.pdfhttp://www.fics.edu.br/index.php/augusto_guzzo/article/view/248/pdf_47http://www.lyfreitas.com.br/ant/pdf/Embarcados.pdfhttps://chasqueweb.ufrgs.br/~ajsouza/ApostilaUsinagem_Parte2.pdfhttp://www.fics.edu.br/index.php/augusto_guzzo/article/view/248/pdf_47http://www.lyfreitas.com.br/ant/pdf/Embarcados.pdf


23/23

/'MES. +elipe -oncalves /rites et al. M*.*r e Pass*. io de 1anoiroO iterói,

3;;A. Bispon*vel emO ]

httpsOCC222.telecom.uff.brCpetCpet2sCdo2nloadsCtutoriaisCstepmotorCstepmotor3A444

8.pdf^.

S76Q, =ando ntonio de Sousa et al. APLICAÇÃO DO MICROPASSO O

MOTOR DE PASSO DO PAIEL DE ISTRUMETOS. São %auloO Santo ndr!

3;43. Bispon*vel emO ] httpOCC222.fatecsantoandre.com.brCsilva55sousa.pdf^.

trabalho de conclusão de curso 2 - eng de controle e automação 2015.doc

Documents