wagner tcc

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ

ESCOLA POLITÉCNICA

ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

WAGNER DE OLIVEIRA PRESTES

MÁQUINA DE ELETROEROSÃO DE FAÍSCAS UNITÁRIAS

CURITIBA

2013



Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Dr. Luciano Antônio Mendes

CURITIBA

2013

Página reservada para ficha catalográfica que deve ser confeccionada após

apresentação e alterações sugeridas pela banca examinadora.

Deve ser impressa no verso da folha de rosto.

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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação.

COMISSÃO EXAMINADORA

_____________________________________

Roberto Zanetti Freire

Pontifícia Universidade Católica do Paraná

_____________________________________

Curitiba, 04 de novembro de 2013.

Dedico este trabalho aos pesquisadores

de EDM, a meu orientador e a todos que

colaboraram no desenvolvimento deste.

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus amigos da graduação: Bruna Vieira, Bruno Sérgio, Cleiton

Santos, Fernando van den Tempel, Gabriel Maidl, Gustavo Campana, Gustavo

Bettega, João Zaiatz, Kenji Higashi, Lucas Mocelin, Rafael Mocelin, Ricardo Knaf,

Paulo Piratelo, Thalita Mertens, Tiago Savares, Victor Pimentel e Vinicius Monteiro

pelo apoio e companheirismo, muitas ideias deste projeto surgiram a partir de nossas

conversas. Agradeço aos professores Fred Lacerda Amorim e Valter Klein Jr. que

muito contribuíram ao presente trabalho. Agradeço aos técnicos e colaboradores do

laboratório de usinagem e da oficina de modelos da PUCPR, em especial ao Júlio

Cezar. Agradeço a Gilberto Cugler que me incentivou a buscar uma formação de

ensino superior e me inspirou com sua sabedoria. Agradeço aos meus melhores

amigos Edson Rodrigues, Jean Tiago, Rudson Souza, Robson Oliveira e Wilker

Fernandes, que desde a infância estão ao meu lado nos bons e maus momentos da

vida. Agradeço aos amigos, colegas e a toda comunidade de Barra do Turvo, cidade

onde vivenciei os melhores momentos da minha vida. A busca por conhecimentos

para contribuir para o desenvolvimento dessa cidade foi a principal motivação para

ingressar neste curso de graduação.

Em especial agradeço ao meu professor orientador Luciano Antônio Mendes, que

sempre me proporcionou ótimas oportunidades acadêmicas desde o início da minha

graduação, juntos desenvolvemos dois trabalhos de iniciação cientifica e um trabalho

de iniciação tecnológica, contribuindo expressivamente na minha formação

profissional.

Agradeço imensamente a minha família, especialmente aos meus pais, que

inicialmente discordaram da minha vontade de realizar uma formação profissional,

mas sempre forneceram excelentes condições para que eu pudesse desenvolver os

estudos e hoje são as pessoas que mais me apoiaram nos estudos.

RESUMO

O presente projeto trata-se do desenvolvimento e implementação de uma máquina de

eletroerosão de faíscas unitárias. A execução do projeto consiste na integração de

soluções para a automação do posicionamento de eletrodos com precisão

micrométrica, proteção e isolamento elétrico entre circuitos de alta e baixa tensão de

uma fonte de pulsos, integração de osciloscópio de alto desempenho para captura

das formas de onda de tensão e corrente de processos de eletroerosão, sensor de

corrente de alta velocidade e interface de usuário para operação do sistema através

de computador. Tem-se como objetivo desenvolver um sistema que possibilite realizar

experimentos práticos de processos de eletroerosão acessando via interface de

usuário (aplicativo) uma máquina de usinagem por descargas elétricas (EDM),

especialmente projetada para uso em pesquisa, assim constituindo uma ferramenta

alternativa para o desenvolvimento de pesquisas de eletroerosão. Partindo-se de

abordagens sistêmicas de desenvolvimento de projetos, especificações técnicas para

o processo de eletroerosão através da máquina de faíscas unitárias foram inicialmente

elaboradas, que então serviram de referência para projetos de firmware (software),

hardware e estrutura mecânica do sistema. Como resultados, obteve-se um conjunto

de soluções técnicas que viabiliza o sistema proposto, compondo-se de um módulo

de eletroerosão, um módulo de posicionamento de eletrodos e um sistema de captura

de sinais de tensão e corrente integrados em PC através de software. A partir da

definição dos requisitos da Máquina de Eletroerosão de Faísca Unitárias e suas

funcionalidades, foram projetados com sucesso vários subsistemas mecatrônicos,

que integrados compõem o equipamento supracitado. A implementação do sistema

resultou num equipamento capaz de executar experimentos de avaliação de

desempenho do processo de eletroerosão, dispondo recursos de visualização,

controle e de aquisição de dados do processo de eletroerosão.

Palavras-chave: Eletroerosão, Automação e Instrumentação Virtual

ABSTRACT

This project depicts the development and implementation of a unitary spark EDM

machine. The execution of the project required the integration of solutions for

automating the placement of electrodes with micrometer precision, electrical protection

and isolation between high and low voltage of a power pulsed circuit; integration of

high-performance oscilloscope for capturing voltage and current waveforms of EDM

process; a high speed current sensor and user interface to system operation via

computer. The project objective is to develop a system that allows practical EDM

experiments with a computer user interface (software), resulting in an EDM machine

specially designed for research purposes. Based on systemic approaches to project

development, technical specifications for the unitary spark EDM machine were initially

prepared, which then served as reference for the design of firmware (software),

hardware and mechanical structure for the system. As result, it was obtained a set of

technical solutions that were integrated to compose the overall system, including: an

EDM module; an electrodes positioning module and a voltage and current signals

acquisition system - integrated with a PC via a specific software. Starting from the

requirements, the mechatronic subsystems that integrated compose the system were

successfully designed and built. The resulting system is a device capable of performing

experiments to evaluate the performance of the EDM process, providing visualization

capabilities, control and data acquisition.

Key-words: Electrical Discharge Machine. Automation. Virtual Instrumentation.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Classificação de pesquisas EDM .............................................................. 14

Figura 2 - Formas de onda de tensão e corrente de um arco elétrico ....................... 20

Figura 3 - Fluxo de dados geral de um sistema automatizado de testes .................. 23

Figura 4 – Etapas e procedimentos para o desenvolvimento do projeto ................... 25

Quadro 2 - Lista de requisitos do sistema ................................................................. 26

Figura 5 - Estrutura funcional do módulo de faíscas ................................................. 28

Figura 6 - Transformador de força ............................................................................. 30

Tabela 2 - Especificações do transformador ............................................................. 31

Figura 7 - Construção do transformador ................................................................... 32

Tabela 4 - Teste do transformador ............................................................................ 32

Figura 8 - Circuito de potência .................................................................................. 33

Figura 9 - Circuito de dissipação de energia dos capacitores ................................... 34

Figura 10 - Esquemático do acoplador óptico linear HCNR200 ................................ 36

Figura 11 - Esquemático do sensor de tensão .......................................................... 37

Figura 12 - Eletroerosão em alumínio com gap de 25um .......................................... 38

Figura 13 - Modelagem do sistema de carregamento de capacitores em Simulink .. 39

Figura 14 - Carregamento do banco de capacitores ................................................. 40

Figura 15 - Sinais de corrente e potência da carga dos capacitores ......................... 40

Figura 16 - Etapas do processo gerador de faíscas .................................................. 41

Figura 17 - Esquemático do gerador de pulso faísca ................................................ 42

Figura 18 - Filtro RC retificador de PWM .................................................................. 43

Figura 19 - Sinais de resposta do filtro PWM ............................................................ 43

Figura 20 - Sensor de corrente .................................................................................. 44

Figura 21 - Arquitetura do módulo EDM .................................................................... 45

Figura 22 - Esquemático do circuito de controle EDM .............................................. 46

Figura 23 – Fluxograma do firmware controlador do módulo EDM. .......................... 47

Figura 24 - Gabinete do módulo EDM ....................................................................... 48

Figura 25 - Driver de motor de passo ........................................................................ 49

Figura 26 - Circuito detector de contato de eletrodos ................................................ 50

Figura 27 - Arquitetura do módulo de posicionamento de eletrodos ......................... 51

Figura 28 - Esquemático do circuito controlador do módulo de posicionamento ...... 52

Figura 29 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos ............................ 53

Figura 30 - Estrutura mecânica de posicionamento de eletrodos .............................. 54

Figura 31 - Vista explodida da estrutura mecânica de movimentação do eletrodo ... 55

Figura 32 - Sistema de locomoção no plano XY ....................................................... 56

Figura 33 - Sistema de abertura de fenda ................................................................. 57

Figura 34 - Sistema de aquisição de sinais ............................................................... 58

Figura 35 - Aplicativo gerenciador do sistema........................................................... 59

Figura 36 - Integração do sistema ............................................................................. 60

Figura 37 - Produção dos circuitos eletrônicos.......................................................... 61

Figura 38 - Placa controladora do módulo de faíscas ............................................... 63

Figura 39 - Circuito de potência gerador de faíscas .................................................. 63

Figura 40 - Transformador de força do circuito gerador de faíscas ........................... 64

Figura 41 - Gabinete do módulo de faíscas .............................................................. 64

Figura 42 - Estrutura mecânica do módulo de posicionamento de eletrodos ............ 65

Figura 43 - Driver de acionamento de motor de passo ............................................. 65

Figura 44 - Circuito detector de contato entre eletrodos ........................................... 66

Figura 45 - Placa controladora do módulo de posicionamento de eletrodos ............. 67

Figura 46 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos ............................ 67

Figura 47 - Integração do sistema ............................................................................. 68

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ATS Automated test systems

CAD Computer aided design

CI Circuito integrado

CNC Computer numeric control

EDM Electrical discharge machining

FET Field effect transistor

LED Light emitting diode

MOSFET Metal oxide semiconductor field transistor

MRR Material removal rate

RMS Root mean square

SSR Solid state relay

PBSA Pahl and Beitz systematic approach

USART Universal asynchronous receiver transmitter

USART Universal synchronous asynchronous receiver transmitter

UUT Unit under test

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 13

1.1 PROBLEMATIZAÇÃO .................................................................................. 13

1.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 15

1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................. 15

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 16

1.3 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 17

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 18

2 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ................................................................. 19

2.1 USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS ............................................. 19

2.2 PARÂMETROS DO PROCESSO DE ELETROEROSÃO ............................ 19

2.3 ABORDAGENS SISTÊMICAS DE DESENVOLVIMENTO DE PROJETO .. 21

2.4 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE TESTES ............................................... 22

2.4.1 Definição de ATS ........................................................................................ 22

2.4.2 Instrumentação virtual ............................................................................... 23

3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO .................................................. 25

3.1 MÓDULO DE FAÍSCAS ................................................................................ 28

3.1.1 Fonte de alimentação ................................................................................. 29

3.1.1.1 Transformador de força ................................................................................ 29

3.1.1.2 Circuito de potência ...................................................................................... 32

3.1.1.3 Regulador de tensão EDM ........................................................................... 35

3.1.1.4 Banco de capacitores ................................................................................... 37

3.1.2 Circuito de acionamento e controle de faíscas........................................ 41

3.1.3 Integração do módulo de faíscas unitárias .............................................. 44

3.2 MÓDULO DE POSICIONAMENTO DE ELETRODO .................................... 48

3.2.1 Driver de acionamento de motor de passo .............................................. 49

3.2.2 Circuito detector de contato entre eletrodos ........................................... 50

3.2.3 Integração do módulo de posicionamento de eletrodo .......................... 51

3.2.4 Sistema mecânico de posicionamento do eletrodo ................................ 53

3.3 SISTEMA DE CAPTURA DE TENSÃO E CORRENTE DE FAÍSCA ............ 57

3.4 INTEGRAÇÃO .............................................................................................. 58

4 RESULTADOS ............................................................................................. 61

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 69

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 71

APÊNDICE A – CIRCUITO DE POTÊNCIA E GERADOR DE FAÍSCAS ................ 73

APÊNDICE B – LAYOUT DE DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO MÓDULO DE

FAÍSCAS UNITÁRIAS .............................................................................................. 74

APÊNDICE C – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE DO MÓDULO DE

POSICIONAMENTO DE ELETRODO ...................................................................... 75

APÊNDICE D – INTERFACE DIGIMATIC MITUTOYO ............................................ 76

13

1 INTRODUÇÃO

O processo de usinagem por descargas elétricas EDM (Electrical Discharge

Machining - também conhecido como eletroerosão) tornou-se técnica e

economicamente viável com advento das máquinas CNC, sendo empregado em

diversos setores da indústria. Suas distintas características permitem a fabricação de

peças de geometrias complexas, usinagem independentemente da dureza do material

e usinagem a escalas micrométricas atualmente não equiparadas por métodos

convencionais de usinagem (Zilong et al, 2010).

EDM tem sido alvo de pesquisas que buscam aprimorar o processo e ampliar

suas aplicações (Pandey e Singh, 2010). Algumas das áreas de pesquisa são: a

aplicação do processo na usinagem de novos materiais como ligas de metal duro,

cerâmicas avançadas e compósitos modernos; técnicas de fabricação e simplificação

de projeto de eletrodos; novas composições de fluidos dielétricos; otimização de

parâmetros do processo; aprimoramentos de medidas de performance;

desenvolvimento de processos híbridos de usinagem; monitoramento e controle do

processo de faíscas. O presente projeto propõe-se a desenvolver uma ferramenta

apropriada para pesquisas de eletroerosão, compreendida por uma máquina de

eletroerosão com capacidade para produzir faíscas unitárias, um sistema

automatizado para posicionamento de eletrodo, bem como um sistema de aquisição

de sinais de tensão e corrente das faíscas. A máquina de eletroerosão por faíscas

unitárias se diferencia das máquinas convencionais que produzem sequências de

faíscas para usinagem contínua. A execução do projeto demanda a integração de

diversas soluções técnicas para a automação da abertura da fenda com precisão

micrométrica, isolação elétrica entre circuitos de alta e baixa tensão da fonte de

pulsos, integração com osciloscópio digital de alto desempenho, sensor de corrente

de alta velocidade e interface de usuário.

1.1 PROBLEMATIZAÇÃO

A usinagem por descargas elétricas é um processo indicado para se usinar

materiais condutores elétricos de elevada dureza e peças de complexa geometria. O

processo de eletroerosão é amplamente utilizado na fabricação de moldes de injeção,

matrizes para estampa de corte e ferramentas de aço endurecido. Também é muito

14

utilizado para fabricação de peças e protótipos nas indústrias aeroespacial,

automobilística, eletrônica e médico-cirúrgica, onde as quantidades produzidas são

relativamente baixas. Entretanto, a gama de aplicações de EDM tendem a aumentar

(Ho e Newman, 2003).

Uma série de aplicações e melhorias envolvendo eletroerosão vêm sendo

desenvolvidas em pesquisas (Pandey e Singh, 2010), dentre as quais se destacam: a

aplicação do processo na usinagem de novos materiais como ligas de metal duro,

cerâmicas avançadas e compósitos modernos; técnicas de fabricação e simplificação

de projeto de eletrodos; novas composições de fluidos dielétricos; otimização de

parâmetros do processo; aprimoramentos de medidas de performance;

desenvolvimento de processos híbridos de usinagem; monitoramento e controle do

processo de faíscas .

Algumas das recentes áreas de pesquisas sobre EDM são apresentadas por

Pandey e Singh na figura 1.

Figura 1 - Classificação de pesquisas EDM

Fonte: Pandey e Singh, 2010.

O projeto se justifica pela relevante importância das pesquisas de EDM no

cenário atual, permitindo que o projeto da máquina de eletroerosão de faíscas

unitárias venha a contribuir no estudo e aprimoramento de processos de eletroerosão,

pois a máquina proposta pelo projeto se diferencia das máquinas convencionais de

eletroerosão que produzem sequencias de pulsos para um usinagem contínua,

15

viabilizando o estudo do efeito de eletroerosão causado por uma única faísca. Outra

vantagem proporcionado pelo projeto da máquina EDM de faíscas unitárias diz

respeito a sua capacidade de realizar experimentos de forma automatizada,

realizando a aquisição de dados do processo sem intervenção humana, o que

segundo Mendes et al (2009) minimiza erros de aquisição de dados de experimentos,

tornando os dados mais confiáveis.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Este trabalho se trata do desenvolvimento de projeto e implementação uma

máquina de eletroerosão de faíscas unitárias com sistema automatizado de testes de

avaliação de desempenho do processo para aplicação exclusiva em ensino e

pesquisa. O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema com

capacidade para realização automatizada de experimentos de eletroerosão,

programados através de uma interface de usuário, que inclui realizar

automaticamente: ajustes de parâmetros do processo, posicionamento do eletrodo e

captura dos sinais de tensão e corrente elétrica do processo.

O sistema proposto não tem como objetivo conceber um produto comercial, no

entanto ele será desenvolvido com base em metodologias sistemáticas de

desenvolvimento de produto. A abordagem metódica de desenvolvimento do produto

tem por objetivo reduzir a complexidade da solução através da racionalização do

problema em estruturas funcionais simplificadas e assim melhor gerenciar e reduzir o

tempo de ciclo de desenvolvimento e custo do projeto (Pahl et al, 2005).

Para atender todas as funcionalidades desejadas, o sistema deverá integrar

diversos subsistemas compostos, principalmente, por mecanismos mecânicos,

atuadores, sensores, componentes elétrico/eletrônicos, conjuntos de hardware,

firmware e software, sendo que parte dos subsistemas necessários devem ser

projetados e implementados.

A partir dos resultados obtidos, deseja-se fornecer um instrumento alternativo

para desenvolvimento de pesquisas relacionadas à usinagem por descargas elétricas.

16

1.2.2 Objetivos Específicos

A identificação, solução e implementação de um conjunto de subsistemas que

viabilizam as funcionalidade previstas para o presente trabalho corresponde aos

objetivos específicos:

a) posicionamento automatizado do eletrodo, cujos aspectos contemplam:

- medição da abertura da fresta entre eletrodo e peça, usando um

micrometro de precisão;

- interface de comunicação e decodificação para leitura de medidas de

um micrômetro digital;

- acionamento de sistema de locomoção no eixo Z do eletrodo móvel

(movimento vertical), via motor de passo com redução, acoplado a um

micrômetro, permitindo o controle do afastamento entre eletrodos

(abertura de fresta) onde ocorre a faísca (arco elétrico);

- detecção automática do zero da abertura da fresta (consiste em

aproximar os eletrodos até o momento em que se tocam) através do

fechamento de circuito próprio;

- acionamento e controle de posição do eletrodo no plano XY, via motor

de passo, acoplado a um fuso;

- criação dos desenhos técnicos e confecção de um estrutura mecânica

para posicionamento do eletrodo;

b) módulo eletrônico de produção de faíscas, cujas as características

contemplam:

- disparo de pulsos de corrente contínua;

- auto detecção do instante inicial da faísca e limitação do tempo de

duração da descarga elétrica previamente programado;

- ajuste dos parâmetros do processo de eletroerosão referentes a máxima

corrente de disparo, tensão em aberto e tempo de duração da faísca;

- painel físico que permita ajustar parâmetros programáveis do processo

e visualizar os valores configurados;

- interface de comunicação para transmitir/receber parâmetros do

processo e comandos como ativar a faísca;

- projeto e implementação de circuitos elétricos/eletrônicos para gerar

faíscas;

17

- projeto e implementação de um gabinete para acomodar a instalação

dos circuitos, componentes e painel do módulo;

c) sistema automatizado de aquisição de sinais de tensão e corrente baseado em

PC;

d) interface de operação do sistema (aplicativo), com as seguintes

funcionalidades;

- enviar comando de operação aos subsistemas;

- receber e disponibilizar informações sobre o processo;

- configurar parâmetros de comunicação com subsistemas;

- programar ciclos de máquina;

- visualizar as formas de onda de tensão e corrente capturadas durante a

faísca (ou arco);

- armazenar e recuperar dados obtidos do processo;

- realizar funções de análise (como cálculo de energia e potência, valores

extremos e duração da faísca) aplicadas sobre as formas de onda;

e) complementos opcionais ao sistema:

- videoconferência, monitoramento por webcam direcionada para o

processo de eletroerosão;

- operação remota do sistema através de uma interface web (WebLab).

1.3 JUSTIFICATIVA

Diversas pesquisas têm sido desenvolvidas a respeito de processos de

eletroerosão (Abbas et al, 2007). Esta técnica de usinagem é utilizada em diversos

setores industriais. As aplicações de EDM tendem a aumentar, pois suas

características distintas satisfazem muitas das necessidades exigidas através da

tendência redução dimensional dos produtos, destacando-se neste aspecto a micro-

EDM, capaz de usinar materiais condutores elétricos a uma escala micrométrica não

alcançada atualmente por métodos convencionais de usinagem (Son et al, 2007).

Além da evidente relevância do processo de eletroerosão, é acrescentado por meio

deste trabalho a aplicação de conceitos de sistemas automatizados de testes. As

soluções técnicas que satisfazem o projeto requerem atividades interdisciplinares

aplicáveis ao desenvolvimento de sistemas mecatrônicos, caracterizados por integrar

estruturas físicas, de hardware e software. As etapas do projeto serão planejadas

18

considerando recomendações de metodologias sistemas de desenvolvimento de

produtos. Com a implementação do sistema, obtém-se uma máquina de usinagem por

descargas elétricas de faíscas unitárias especialmente desenvolvida para ensino e

pesquisa. O sistema permitirá automatizar a realização de experimentos de

eletroerosão, beneficiando no desenvolvimento de pesquisas sobre o processo.

Devido ao alto nível de automação do sistema, novas aplicações poderão ser

derivadas na continuação do trabalho, como a adoção do conceito WebLab

(laboratório operado remotamente) para o sistema, beneficiando o ensino a distância

e viabilizando pesquisas colaborativas.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Os capítulos a seguir discorrem sobre as etapas do projeto.

No capítulo dois relata-se a fundamentação teórica do projeto, através de uma

revisão bibliográfica dos conceitos, tecnologias e métodos necessários para a

compreensão do trabalho.

No capítulo três os processos metodológicos empregados no desenvolvimento

são descritos e o detalhamento das etapas de implementação do projeto são

expostos.

As análises e apresentação dos resultados do trabalho são apresentados no

capítulo quatro.

O capítulo cinco contém as considerações finais e conclusões acerca do

projeto.

19

2 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Os principais conceitos necessários para compreensão do projeto são

referentes a processos de usinagem por descargas elétricas, modelos metódicos de

desenvolvimento de projeto/produto, sistemas automatizados de testes e

instrumentação virtual. Neste capítulo, pretende-se esclarecer o significado dos

conceitos aplicáveis ao projeto.

2.1 USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS

Usinagem por descargas elétricas (EDM – electrical discharge machining) é

uma opção bem sucedida para fabricação de geometrias complexas ou peças de

material duro, que são difíceis de se usinar por processos convencionais de usinagem.

Ho e Newman (2003), descrevem que a técnica de erosão de material incialmente faz

uso de energia elétrica e a transforma em energia térmica através de uma série

discreta de descargas elétricas entre o eletrodo e a peça, imersos em um fluido

dielétrico. A energia térmica gera um canal de plasma entre o cátodo e o ânodo à uma

temperatura na faixa de 8000 a 12000°C. O súbito aquecimento causa a fusão do

material na superfície de cada polo. Quando o pulso de corrente contínua é desligado,

o canal de plasma se decompõe. O fluido dielétrico circula rapidamente na região do

plasma, causando uma súbita redução de temperatura e lavando o material fundido

da superfície dos polos sob a forma de detritos microscópicos.

2.2 PARÂMETROS DO PROCESSO DE ELETROEROSÃO

O processo de eletroerosão pode ser analisado a partir de seu comportamento

elétrico. A figura 2 é resultado da aquisição de dos sinais de tensão e corrente elétrica

de uma única faísca de eletroerosão. Antes de iniciar o processo, não há diferença de

potencial elétrico entre o eletrodo e peça. O processo inicia-se quando é aplicada uma

diferença de potencial elétrico (em corrente contínua) entre o eletrodo e a peça. A

tensão elétrica aplicada é chamada tensão em aberto. A partir deste instante, em

algum momento não controlável, se inicia a ionização do fluído dielétrico, formando

de um canal de plasma entre os polos. Quando se estabelece o canal de plasma,

ocorre a faísca (ou arco) de fato. No instante em que surge um fluxo de corrente entre

os eletrodos ocorre uma queda de tensão. O instante inicial do arco (ou faísca) pode

20

ser detectado pelo dispositivo produtor de faíscas através do monitoramento do sinal

de tensão ou corrente entre os polos. Se não ocorrer nenhum fenômeno que perturbe

o processo, a faísca mantem-se relativamente estável (contínua) durante o período

de tempo ajustado para o pulso de corrente gerado no dispositivo produtor de faíscas.

Ao cessar o fornecimento de corrente, o arco extingue-se quase que

instantaneamente

Figura 2 - Formas de onda de tensão e corrente de um arco elétrico

Fonte: o autor, 2012.

No contexto do presente projeto, tem-se o objetivo de controlar a tensão em

aberto. Este parâmetro tem influência na formação do plasma entre os polos: quanto

maior o valor da tensão em aberto, mais fácil será para romper a resistência do fluido

dielétrico, e assim gerar o canal de plasma. Ainda no controle de parâmetros elétricos,

deseja-se controlar o limite máximo da corrente elétrica da faísca, visto que este

parâmetro influencia diretamente na capacidade de remoção de material e na

qualidade do acabamento superficial da peça - quanto maior é a corrente do arco,

maior será a taxa de remoção de material e maior é ‘perda de qualidade’

(irregularidade) do acabamento superficial. O sistema deverá permitir ajustar também

o tempo de duração da faísca, sendo que para tanto se deverá monitorar o sinal de

corrente que flui entre os polos (eletrodo e peça). Ao detectar um fluxo de corrente,

21

um dispositivo contador dá início a cronometragem e desativa o fornecimento de

energia quando se alcança o tempo de duração programado.

Outro parâmetro que deverá ajustável com o sistema é a distância entre o

eletrodo e a peça, chamado de distância de fresta ou distância de fenda (gap). A

distância entre os dois polos, geralmente de 0,010mm a 0,050mm, será controlada

através de um sistema em malha fechada composto por um micrômetro digital e um

dispositivo atuador de deslocamento, acoplado ao micrômetro, sendo que este será

acoplado ao eletrodo móvel, enquanto a peça mantém-se numa referência fixa. A

distância de fenda tem influência na resistência oferecida pelo fluido dielétrico - quanto

maior a distância entre polos, maior será a resistência elétrica do fluido dielétrico.

2.3 ABORDAGENS SISTÊMICAS DE DESENVOLVIMENTO DE PROJETO

Procedimentos metodológicos de desenvolvimento auxiliam no gerenciamento

de custo e tempo de planejamento e desenvolvimento de projetos. Um aspecto

comum na maioria dos modelos de metodologia de projeto é a estratégia de decompor

um problema complexo em outros mais simples, de modo que a solução geral pode

ser obtida da associação de uma combinação de soluções para subproblemas. Em

determinado momento do desenvolvimento, o problema é analisado de modo a expor

sua estrutura funcional básica. A racionalização funcional permite o gerenciamento

das funções parciais num grau de complexidade conveniente. Pahl e Beitz (1996)

apresentam um modelo bem-sucedido de processos metódicos para desenvolvimento

de produtos. A abordagem sistêmica de Pahl e Beitz é amplamente empregada em

empresas de desenvolvimento de projetos e/ou produtos no mundo todo. Este modelo

subdivide o processo de projeto em quatro fases:

a) esclarecimento da tarefa: nesta fase identificam-se as necessidades para o

produto e busca-se um bom entendimento do problema a ser solucionado,

estabelecendo os requisitos e restrições do projeto;

b) projeto conceitual: é a fase que objetiva elaborar uma ideia conceitual do

projeto;

c) projeto preliminar: o projeto conceitual é detalhado e configurado

(dimensionado), iniciando-se o desenvolvimento de protótipos; inclui etapas de

testes para validar soluções;

22

d) projeto detalhado: o produto final é detalhado, construído e validado.

2.4 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE TESTES

Sistemas automatizados de testes (ATS – Automated Test Systems) são

aplicações de sistemas específicos que auxiliam no aumento da confiabilidade e

produtividade de atividades de testes em diferentes fases do ciclo de desenvolvimento

e fabricação de produtos, ao longo dos quais testes são necessários para validar o

produto e a performance de seus subsistemas, bem como garantir que as unidades

produzidas são entregues livres de defeitos para os clientes (Mendes, Back e Oliveira,

2009).

2.4.1 Definição de ATS

Tipicamente sistemas automatizados de testes podem ser analisados em três

principais subsistemas: um físico (essencialmente mecânico), outro elétrico ou

eletrônico (hardware) e o software. O núcleo do sistema é precisamente a camada de

software em que a funcionalidade é implementada. A camada de hardware é

responsável por converter sinais entre o mundo real e o algoritmo de teste, e o sistema

físico contém os dispositivos eléctricos e mecânicos que suportam a execução do

teste. Os ATS interagem com a unidade em teste (UUT – Unit Under Test) através de

equipamentos especiais, sensores e atuadores elétricos / mecânicos (Mendes, Back

e Oliveira, 2009).

Atuadores aplicam as condições de ensaio, e os sensores captam os sinais

desejados. Subsistemas mecânicos são utilizados para apoiar fisicamente e ajudam

a realizar as funções de sensoriamento/atuação. Os sinais são tratados para fornecer

dados digitais para o aplicativo de software, enquanto que suas saídas digitais são

convertidos de volta para o formato analógico e amplificadas para acionar os

atuadores. Eventualmente, os dispositivos com interface digital podem ser

diretamente integrados, tornando a interface analógica transparente. A entrada de

comandos do usuário é dada através de operação em periféricos (teclados, painéis

de botões, joysticks e outros), e os resultados serão apresentados em dispositivos de

visualização. Uma aplicação de software inicia uma rotina de inicialização,

estabelecendo o sistema de teste. O algoritmo de condução de teste, interagindo com

23

a interface de controle do usuário realiza o teste, coleta dados de processo, armazena

e recupera os resultados. Uma compreensão aumentada do sistema pode ser obtida

através de diagramas de fluxos de dados, como exibido no esquema geral da figura

3, onde o diagrama de fluxo de dados evidencia as interações do software com os

sistemas físicos e de hardware.

Figura 3 - Fluxo de dados geral de um sistema automatizado de testes

Fonte: Mendes, Back e Oliveira, 2009.

Ainda segundo Mendes, Back e Oliveira (2009), minimizando-se a intervenção

humana, erros de medição tornam-se mais fáceis de gerir: erros sistemáticos podem

ser facilmente compensados, os aleatórios podem ser tratados com ferramentas

estatísticas que levam em conta as grandes quantidades de medições rapidamente

realizadas.

2.4.2 Instrumentação virtual

Instrumentação virtual é um conceito onde a funcionalidade de um sistema de

instrumentação para medição, controle e automação de processos é transferida para

uma aplicação de software. A partir da instrumentação virtual surge a possibilidade de

se substituir instrumentos de funcionalidade fixa (com as quais, para se montar uma

aplicação, frequentemente é necessário reunir vários instrumentos com capacidades

complementares), por hardware modular e de fácil integração (dimensionado

24

conforme a aplicação) e software desenvolvido pelo usuário (especifico para cada

aplicação). A flexibilidade resultante beneficia o projeto de sistemas personalizados

com recursos avançados, tais como: interface de usuário personalizada;

armazenamento e recuperação de dados; calibração total da cadeia de medição;

integração com sistemas externos e operação remota (Mendes, Back e Oliveira,

2009). Além disto, outras vantagens possibilitadas pela instrumentação virtual

incluem: maior flexibilidade na funcionalidade das aplicações; maior capacidade de

expansão (na quantidade de sensores, por exemplo) e alteração/manutenção mais

fácil. Com estes benefícios, viabiliza-se o uso de sistemas automatizados de testes.

25

3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO

A metodologia aplicada ao desenvolvimento do presente trabalho engaja-se no

contexto de modelos sistêmicos de desenvolvimento de produtos, com o objetivo de

satisfazer a solução de problemas técnicos para estruturas técnicas, tais como

equipamentos, máquinas, dispositivos, conjuntos mecânicos e componentes em

geral. A abordagem sistêmica do modelo metódico de desenvolvimento de sistemas

automatizados de testes é utilizado como referência para o processo de projeto do

sistema de medições dos parâmetros de eletroerosão. Tratando-se de um projeto

especial sem fins comerciais ou de produção em massa, nem todas as etapas

recomendadas nos métodos serão aplicadas, realiando-se apenas a etapas aplcáveis.

Com base nos processos metódicos para desenvolvimento de produtos de Pahl e

Beitz, foram definidas as etapas e procedimentos para desenvolvimento do sistema

mostradas na figura 4.

Figura 4 – Etapas e procedimentos para o desenvolvimento do projeto


A primeira etapa do projeto consiste no estudo do problema (realizado nos

capítulos anteriores) seguido do mapeamento de um conjunto de requisitos para o

sistema. A lista de requisitos é obtida ponderando-se a definição das finalidades que

26

o sistema precisa satisfazer, as características que deve apresentar e as restrições

impostas. Como restrições iniciais, foram estabelecidas:

a) captura das formas de onda de tensão e corrente utilizando equipamentos

e dispositivos pré-disponíveis para o projeto, sendo estes compreendidos

por um osciloscópio digital Tektronix TDS-644B equipado com ponteira de

medição de tensão (P5100), ponteira de medição de corrente (TCP202) e

uma interface GPIB-USB;

b) restrição de custos: Excetuados os equipamentos pré-disponíveis, o projeto

será custeado por seu autor;

c) distância de fresta (ou gap): deverá ser aferida através de um micrômetro

digital Mitutoyo 164-162 pré-disponível para o projeto;

d) utilizar um suporte de eletrodo acoplável ao micrômetro de uma EDM piloto

desenvolvida em projeto anterior.

A primeira etapa do projeto foi mapear um conjunto de requisitos para definição

do sistema. A máquina de eletroerosão de faíscas unitárias se diferencia das

máquinas de eletroerosão convencionais (que produzem sequências de faíscas para

a usinagem contínua), tornando necessário a definição de requisitos referentes a

parâmetros de processos de eletroerosão específicos. Esses requisitos foram

estabelecidos com base em: comparações de especificações de máquinas

convencionais; parâmetros e resultados de experimentos com uma EDM piloto de

faíscas unitárias desenvolvida em um projeto anterior; parâmetros de experimentos

de processos de eletroerosão disponíveis na literatura; e conversas com professores

e pesquisadores do processo. Estabeleceu-se assim a lista de requisitos do quadro 1.

Quadro 1 - Lista de requisitos do sistema

TCC – EDM de

faíscas unitárias Lista de requisitos do sistema

Folha:

página 1

Modificação E/D Requisitos Responsável

Parâmetros elétricos

Wagner

E Tempo de descarga = 30 – 250µs

E Tensão em aberto = 80, 120, 160 e 200 VDC

E Corrente de descarga (máximo) = 18A

E Capacidade de gerar pulsos unitários

Requisitos gerais

27

E Aplicável a pesquisas

D Flexível a alterações e reprogramação

E Detectar ocorrência da faísca

E Capturar formas de onda de tensão e corrente, registrar e tratar os

dados

E Detectar contato físico entre eletrodo e peça (amostra)

E Permitir o posicionamento de eletrodo (área mín.) = 100x100mm XY

E Curso mínimo de ajuste de gap = 35mm;

E Precisão de ajuste de gap = 1µm

E Posicionamento automático do eletrodo

D Posicionamento manual do eletrodo

D Interface física (painel) para operação do sistema

Aplicativo

E Interface gráfica para operação do sistema

D Programar ciclos de máquina

E Executável em PC

E Armazenar e recuperar dados dos processos em disco local

D Processar funções de análise (cálculo de energia e potência, valores

extremos, duração);

Segurança

E Isolamento elétrico do módulo de faíscas

D Fácil acesso a componentes mais propícios a falhas

D Segurança contra choque elétrico

Restrições

E

Capturar formas de onda de tensão e corrente com osciloscópio digital

Tektronix TDS-644B equipado com ponteira de medição de tensão

(P5100), ponteira de medição de corrente (TCP202) e interface NI GPIB-

USB

E Medir gap utilizando um micrometro digital Mitutoyo 164-162

E Custeio do projeto pelo aluno

E Utilizar suporte de eletrodo proveniente de projeto anterior

LAUS/PUCPR

Substitui a 2ª edição de 02.08.2013


28

Para atender às funcionalidades desejadas para o sistema, estabeleceu-se o

projeto de dois subsistemas compreendidos por um módulo de faíscas capaz de gerar

descargas elétricas unitárias e um módulo de movimentação do cabeçote do eletrodo,

sendo que ambos devem atender às especificações técnicas definidas nos requisitos.

3.1 MÓDULO DE FAÍSCAS

O módulo de faíscas unitárias é o sistema cujo objetivo fundamental é gerar

pulsos de tensão que provocam as faíscas de eletroerosão. Sua concepção resulta

da integração de subsistemas projetados para desempenhar funções específicas

determinadas a partir de uma análise funcional das finalidades predefinidas para a

máquina. A estrutura funcional do módulo de faísca foi modelado como mostra a figura

5, onde a modelagem visa priorizar as finalidades determinantes da máquina.

Figura 5 - Estrutura funcional do módulo de faíscas


A modelagem da estrutural funcional permite uma visão modular acerca da

solução, permitindo sua racionalização em subsistemas. As principais subfunções do

módulo de faísca são: ajustar os valores de tensão em aberto, de limite de corrente

da faísca e de tempo de duração da faísca, conforme parâmetros definidos pelo

usuário; comunicar-se com sistema externo para enviar dados do processo e receber

29

comandos de configuração e execução de processo. A funcionalidade geral do

sistema é alcançada através da integração das soluções para as subfunções. As

seções a seguir apresentam o detalhamento dos subsistemas do módulo EDM.

3.1.1 Fonte de alimentação

O processo de eletroerosão tem como uma de suas principais características,

a aplicação de uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre eletrodo e peça de

usinagem, que ioniza o fluido dielétrico formando um caminho entre os eletrodos,

gerando um canal de plasma responsável pela remoção de material da peça. Um dos

requisitos definidos foi a capacidade de gerar diferenças de potencial elétrico na faixa

de tensão compreendida entre 80 a 200Volts, atendendo assim ao parâmetro de

tensão em aberto necessário para as aplicações propostas. Para viabilizar o

funcionamento automatizado do sistema, é necessário que os parâmetros dos

equipamentos possam ser configurados através de uma interface gráfica (software);

para tanto, foi necessário projetar uma fonte de alimentação elétrica com parâmetros

configurados por microcontrolador dotado de interface de comunicação de dados.

A fonte de potência foi projetada para fornecer quatro níveis de tensão de

corrente contínua (80V, 120V, 160V e 200V). As descargas elétricas são limitadas

pelo sistema a uma corrente máxima de até 18A por períodos de até 250µs. Para

suprir esta demanda de potência, a energia necessária é armazenada em banco de

capacitores. Os quatro níveis de tensão são obtidos através de um transformador de

tensão com quatro secundários (127 para 57, 85, 113 e 141VAC), que são chaveados

a um circuito retificador de onda completa conforme a tensão requisitada. O

chaveamento é realizado através de relés de estado sólido acionados por

microcontrolador. Para evitar/minimizar interferências, instabilidades na operação do

microcontrolador e riscos de sobretensão sobre componentes, os circuitos de alta e

baixa tensão são isolados eletricamente através de optoisoladores. A tensão de saída

(tensão em aberto) do módulo de faísca é definida pela carga existente no banco de

capacitores.

3.1.1.1 Transformador de força

Um transformador de alimentação foi assumido como solução para

fornecimento dos níveis de tensão da máquina. O trafo foi projetado para conectar-se

30

diretamente a rede de distribuição elétrica de 127VAC / 60Hz, sendo o enrolamento

primário simples monofásico. O dimensionamento do transformador é dado através

da tensão e corrente de saída do enrolamento secundário. Neste projeto foram

estabelecidos os níveis de tensão em aberto de 80, 120, 160 e 200VDC para as gerar

as faíscas de eletroerosão. A partir dos níveis de tensão definidos, calculou-se os

valores rms das tensões de saída necessárias ao transformador a ser projetado. A

tensão RMS é igual a 70,7% da tensão de pico de corrente alternada; portanto:

𝑉𝑟𝑚𝑠 = 0,707𝑉𝑝

Logo, as saídas do transformador devem ser 56,56, 84,84, 113,12 e 141,40VAC. A

conversão da tensão alternada da saída do transformador para tensão contínua é

realizada através de um retificador de onda completa em ponte. Esta tensão retificada

então alimenta um circuito formado por resistores limitadores de corrente, e então

supre o banco de capacitores que armazenam a energia necessária para realizar o

processo de eletroerosão desejado. A resistência equivalente dos limitadores de

corrente foi definida em 170 Ohm para todos os níveis de tensão, exigindo assim uma

corrente máxima de 1,176A de carga no transformador. Buscando minimizar a massa

e as dimensões geométricas do transformador, estabeleceu-se que os patamares de

tensão seriam obtidos através de associações em serie dos enrolamentos

secundários do trafo, resultando na especificação do transformador representado pela

figura 6.

Figura 6 - Transformador de força


31

Devido à especificidade deste transformador, foi necessário construir um

transformador especialmente para o projeto. Visando a simplificação do projeto, o trafo

foi projetado para utilizar materiais padronizados, como condutores de cobre AWG

esmaltados e lâminas ferromagnéticas (em formato E e I padronizadas). Com base

nas considerações e nos dados para projeto de transformadores de pequena potência

monofásica de Martignoni (1991, p.73-104), calculou-se o número de espiras dos

enrolamentos, as dimensões das lâminas do núcleo e demais parâmetros do trafo,

como apresentado na tabela 1.

Tabela 1 - Especificações do transformador

Enrolamento Potência (W) Número de espiras Corrente (A) Bitola do fio

Secundário 56,57V (N1) 107,48 119 1,90 19 AWG




Potência total dos secundários 268,73

Primário 127V (V1) 254,00 254 2,33 18 AWG

Possibilidade de execução: 3,13 (Requer cuidados ao enrolar)

Espiras por Volt: 2

Perda do transformador: 10 %

Indução magnética do núcleo: 11300 Gauss

Densidade de corrente: 3 A/mm²

Altura das laminas empilhadas (H): 4,6 cm

Largura da perna central das laminas (h): 4 cm


A corrente do trafo foi aumentada para 1,9A, de modo a otimizar a construção

do trafo devido às dimensões das lâminas do núcleo adquiridas, beneficiando também

a flexibilidade para alterações futuras (ex.: aumento de potência da máquina). A

construção do transformador foi realizada pelo autor conforme as recomendações de

Martignoni (1991, p.73-104), e como resultado obteve-se o transformador exibido nas

imagens da figura 7.

32

Figura 7 - Construção do transformador

Fonte: o autor, 2013

Após a construção do trafo, foi realizado um teste para verificação de seu

funcionamento, onde verificou-se um erro máximo de 2,5% em relação a saída

estimada conforme os dados da tabela 2, sendo considerado assim adequado ao

projeto, pois gerou tensões pouco superiores ao necessário, podendo-se realizar um

ajuste fino através do descarregamento parcial dos capacitores, conforme a tensão

configurada pelo operador.

Tabela 2 - Teste do transformador

Bobina Tensão de entrada

no primário (VRMS)

Tensão de saída

real (VRMS)

Tensão de saída

calculada (VRMS)

Variação da

tensão esperada

Secundário (N1) 127,9 58,5 57,0 2,5%

Secundário (N2) 127,9 86,6 85,4 1,4%

Secundário (N3) 127,9 115,8 113,9 1,6%

Secundário (N4) 127,9 142,8 142,4 0,3%


3.1.1.2 Circuito de potência

A solução adotada para satisfazer os requisitos de potência do sistema inclui o

uso de transformador de força, que eleva ou rebaixa a tensão para valores

aproximados aos especificados para o processo EDM. Entretanto, a tensão alternada

originada pelo transformador precisa ser convertida em tensão de corrente contínua.

Devido às características do transformador projetado (sem tomada central aterrada),

10 cm

33

empregou-se um sistema retificador de onda completa em ponte não-controlado para

conversão da tensão em corrente alternada em tensão de corrente contínua (AC –

DC). O retificador se conecta em serie com resistores limitadores de corrente de carga

e capacitores (que armazenam a energia condicionada conforme o parâmetro de

tensão em aberto). O sistema foi concebido dispondo de apenas um circuito para

limitar corrente e armazenar energia, sendo assim necessário o chaveamento das

saídas do transformador a esses circuitos conforme a tensão desejada. Este

chaveamento ocorre via relé de estado sólido (SSR) acionados pelo microcontrolador

da máquina. Os SSRs são alimentados por uma fonte comum com a fonte de

alimentação das faíscas, portanto seu acionamento via microcontrolador é isolado

eletricamente por optoacopladores. O chaveamento dos relés deve ser intertravado

de modo que não permita o acionamento simultâneo de relés, pois acarretaria em

curto circuito. Neste projeto o intertravamento é realizado por firmware do

microcontrolador.

Figura 8 - Circuito de potência


O esquemático do circuito foi desenvolvido conforme a figura 8, onde os relés,

resistores e ponte de diodo foram especificados para suportar uma corrente de pico

de 2A. O limitador de corrente de pico foi implementado com quatro resistores de 680

34

Ohm/10W ligados em paralelo, resultando numa resistência equivalente de

170ohm/40W. No entanto, a potência de pico do sistema é de 235,3W (para tensão

de 200V). Os resistores foram dimensionados para suportar uma carga contínua de

40W partindo-se da premissa que suportam a potência de pico do sistema, pois o

funcionamento ocorre em curtos períodos de tempo, apenas início do ciclo de carga

do banco de capacitores. Para facilitar diagnósticos e visualização de estado do

circuito, LEDs foram adicionados para indicar sinais de acionamento dos relés.

Figura 9 - Circuito de dissipação de energia dos capacitores


Por medida de segurança para certas situações, como durante o manuseio dos

eletrodos, um sistema de descarga de tensão do banco de capacitores foi projetado,

podendo assim a energia armazenada no banco de capacitores ser dissipada por

resistores de potência, baixando a tensão a um nível mínimo, quando acionada uma

das chaves (manual ou digital) dedicadas para esta função. A chave manual é

acionada por um botão físico no painel da máquina, enquanto a chave digital é

acionada pelo microcontrolador. A figura 9 contém o esquema desse circuito elétrico

de descarga.

35

3.1.1.3 Regulador de tensão EDM

Como explicado na seção anterior, o sistema de potência de faíscas

compreende um transformador com quatro saídas em aberto que são chaveadas para

ligar um dos níveis de tensão do trafo a um retificador, e então carregar um banco de

capacitores conforme o parâmetro de tensão em aberto definido pelo usuário.

Contudo, a tensão obtida por este sistema pode conter variações de até 2,5%. Visando

conferir maior confiabilidade no funcionamento da máquina de eletroerosão (EDM), foi

estabelecido que o sistema deve verificar a efetividade do carregamento e aferir a

tensão real no banco de capacitores, o que requer a adição ao projeto de um sensor

de tensão. A disponibilidade de um sensor de tensão permite funcionalidades

adicionais a máquina, como a possibilidade de executar processos de eletroerosão

que demandam maior precisão ou valores de tensão intermediários. As

funcionalidades adicionais são viabilizados pelo ajuste fino da tensão através do

carregamento ou descarregamento dos capacitores, seguidos de medições e ações

de controle se necessário, constituindo assim um controlador em malha fechada para

ajuste de tensão. Para centralização de controle do módulo EDM, definiu-se que os

sinais do sensor de tensão fossem avaliados através do microcontrolador, através de

um sensor de tensão isolado, por segurança. As soluções mais comuns de isolamento

elétrico são do tipo galvânico e óptico. Para o projeto da EDM, optou-se por utilizar

um sensor de tensão com isolamento óptico devido à sua imunidade à interferências

eletromagnéticas, diferentemente do isolamento Galvânico, que transmite sinais

elétricos e potência por meio de acoplamento magnético, podendo ser afetado por

sinais eletromagnéticos emitidos pelos transformadores elétricos contemplados na

máquina. O sensor de tensão isolado escolhido para a aplicação baseia-se no circuito

integrado HCNR200, da HEWLETT PACKARD (HP), que é um acoplador óptico

analógico de alta linearidade.A opção por este sensor foi definida por suas

características de linearidade, flexibilidade de aplicação e baixo custo, que

apresentaram-se adequadas para aplicação neste projeto. Segundo a folha de dados

do fabricante, o HCNR200 consiste de um diodo emissor de luz (LED) de alta

performance que ilumina dois fotodiodos rigorosamente alinhados de tal forma que

recebam aproximadamente a mesma quantidade de energia, o esquemático do CI é

exibido na figura 10. O fotodiodo da entrada pode ser usado para monitorar e

estabilizar a emissão de luz do LED, como resultado, as características de não

36

linearidades e drift podem ser virtualmente eliminadas. O fotodiodo da saída produz

uma fotocorrente linearmente proporcional à emissão de luz do LED.

Figura 10 - Esquemático do acoplador óptico linear HCNR200

Fonte: HEWLETT PACKARD, 2013

O esquemático da figura 11 exibe o circuito do sensor de tensão isolado

definido para o projeto.Este design de circuito é adaptado de uma aplicação de sensor

de tensão isolado de alta velocidade e baixo custo utilizado em fontes chaveadas.

Esta aplicação requer boa largura de banda, baixo custo e ganho estável, mas não

requer muita precisão. O resistor R1 foi calculado para fornecer uma corrente no LED

de cerca de 7-10mA (valor nominal de operação), conforme a seguinte equação:

𝐼𝐹 = (𝑉𝐼𝑁𝑅1

)/𝐾1

com ganho K1 (IPD1/IF) do optoacoplador típico de 0,5%. O resistor R2 foi selecionado

de modo a atingir a tensão de saída desejada de acordo com a seguinte equação:

𝑉𝑂𝑈𝑇𝑉𝐼𝑁

= 𝑅2/𝑅1

os resistores R4 e R6 aumentam a resposta dinâmica e estabilidade dos circuitos de

entrada e saída. R3 e R5 são selecionados para fornecer a corrente de polarização

de base dos transistores Q2 e Q4 respectivamente, e R7 foi escolhido via simulação

em software ISIS Proteus de modo a proporcionar uma corrente no transistor Q4

próxima a corrente no coletor do transistor Q2.

37

Figura 11 - Esquemático do sensor de tensão


A fonte de alimentação é também responsável por suprir a demanda elétrica

dos demais componentes eletrônicos do sistema. Para esta finalidade, foi utilizado um

transformador 12+12VAC de 400mA, sendo sua saída retificada para tensões de 12VDC

e 5VDC.

Os circuitos retificadores, de chaveamento, de isolamento óptico, de

sensoriamento de tensão e do banco de capacitores são interligados, compondo o

circuito geral da fonte de alimentação, seu esquemático é disponibilizado no apêndice

A. Este circuito foi projetado tendo em vista sua implementação em uma placa de

circuito impresso.

3.1.1.4 Banco de capacitores

A energia dispendida no processo de eletroerosão é fornecida pelo banco de

capacitores da máquina. A figura 12 exibe sinais de tensão, corrente e energia de uma

faísca unitária realizada por uma máquina EDM piloto com características similares às

propostas neste projeto. Apartir de dados armazenados sobre faísca citada

anteriormente, verificou-se que ela demandou 38,3mJ de energia.

38

Figura 12 - Eletroerosão em alumínio com gap de 25um


O dimensionamento do banco de capacitores foi realizado visando suprir a

demanda de energia para um arco EDM. Outro aspecto desejado é uma baixa queda

de tensão no capacitor pós faísca, reduzindo assim os períodos de recarregamento

do banco de capacitores. O pulso de tensão em aberto é alimentado apenas pela

carga do banco de capacitores, sendo que durante esta etapa o circuito de recarga

não é ativo. Os capacitores foram dimensionados com auxílio da equação de energia

armazenada no campo elétrico do capacitor e da equação de tensão de descarga do

capacitor no tempo. A energia armazenada no capacitor é dada por:

𝑤 =1

2𝐶𝑣2

e a tensão de descarga é determinada (simplificando o sistema através de sua

modelagem como um circuito RC sem fonte) com a equação a seguir:

𝑣(𝑡) = 𝑉𝑜𝑒−𝑡 𝑅𝐶⁄

sendo 𝑉𝑜 a tensão inicial do capacitor carregado.

39

Considerando-se o fornecimento de energia entre 3,2 e 20J em condições

extremas (80-200V), e queda de tensão máxima de 5,5% para o caso extremo de

faíscas com duração de até 250µs, determinou-se que um banco de capacitores com

capacidade de carga de 1000µF/200V adequa-se às necessidades do sistema. O

comportamento do circuito de carga do banco de capacitores foi simulado para

obtenção de dados para seu dimensionamento. O circuito foi modelado em Simulink

MATLAB conforme a figura 13 com objetivo de adquirir as curvas de tensão, corrente

e potência do processo de carregamento dos capacitores por fonte retificadora de

onda completa, para então analisar-se o tempo de carregamento e potência do

sistema.

Figura 13 - Modelagem do sistema de carregamento de capacitores em Simulink


O modelo foi simulado considerando o caso que exige maior potência da

máquina, sendo este o carregamento dos capacitores com tensão de 200V. Com a

carga dos capacitores fixada em 1000µF, avaliou-se valores para o resistor limitador

de corrente. Com o resistor configurado para 170Ohm, o tempo de carga do capacitor

para atingir cerca de 98% da tensão final foi de aproximadamente 10 segundos,

conforme a sua curva de carga exibida no gráfico da figura 14.

40

Figura 14 - Carregamento do banco de capacitores


O sinal de corrente e potência no capacitor são apresentados nos gráficos da

figura 15, onde é possível notar que a potência máxima do circuito foi próximo de 60

watts, porém com oscilações, pressupondo-se assim uma potência eficaz inferior aos

40W especificados como capacidade de dissipação de potência térmica para os

resistores.

Figura 15 - Sinais de corrente e potência da carga dos capacitores


Na construção do circuito optou-se por implementar o banco de capacitores com

quatro capacitores, sendo ligados dois pares de capacitores em série e então estes

foram conectados em paralelo, como apresentado na figura 9. Os capacitores foram

41

ligados em série para aumentar sua capacidade de tensão e então ligados em paralelo

para compensar a perda de capacidade de armazenamento (devido a ligação em

série) e dividir o pico de corrente nos capacitores.

3.1.2 Circuito de acionamento e controle de faíscas

Os processos de usinagem por descargas elétricas consistem em gerar arcos

elétricos por curtos períodos de tempo. A máquina de eletroerosão desenvolvida no

contexto do presente projeto deve ser capaz de gerar faíscas com duração de 30 a

250 microssegundos, o que exige alta velocidade de atuação do sistema e resposta

rápida dos sensores. Um circuito de acionamento e controle de faíscas foi projetado

especificamente para o projeto. Este circuito é parte essencial do sistema, e está

localizado na sequência de etapas do processo conforme indicado na figura 16.

Figura 16 - Etapas do processo gerador de faíscas


O acionamento da tensão em aberto é a etapa do processo onde se fornece a

diferença de potencial elétrico entre os eletrodos. O microcontrolador da máquina

envia um sinal para o circuito de acionamento de faíscas, que consequentemente

aciona uma chave digital que permite estabelecer a diferença de potencial entre o

eletrodo e a peça de trabalho. O isolamento elétrico do sinal de acionamento da chave

emitido pelo microcontrolador é realizado por um optoacoplador com schmmit trigger,

que além de isolar os circuitos também elimina ruídos no sinal. Esse optoacoplador

lógico precisa ter alta velocidade de comutação (chaveamento) para reduzir ao

máximo efeitos de retardo no controle de duração de tempo da faísca. O circuito

integrado H11N1 foi escolhido devido a seu rápido chaveamento nominal de 7,5 ns

42

conforme seu fabricante (Fairchild). O schimmit trigger detecta o sinal de disparo do

controlador e aciona o FET responsável pelo chaveamento do pulso de tensão em

aberto. O MOSFET também é responsável por limitar a corrente de descarga.

Escolheu-se para desempenho destas funções o IRF640, MOSFET que suporta

cargas de até 200V a 18A segundo seu fabricante (STMicroelectronics, 1999). O

circuito dispõe de um optoacoplador configurado para detectar a presença de

potencial elétrico e assim permitir ao microcontrolador validar a etapa de abertura de

fenda (quando os eletrodos se encontram em contato, o sinal de saída é anulado). O

esquemático do circuito é exibido na figura 17.

Figura 17 - Esquemático do gerador de pulso para produção da faísca


A corrente elétrica da faísca é limitada através do FET de potência (IRF640),

sendo que o nível de tensão no gate do FET estabelece esse limite. A tensão no gate

é definida através de um retificador de sinal PWM. O sinal PWM vindo do

microcontrolador passa por optoacopladores e então é retificado por filtro RC. A saída

retificada refere-se à tensão no gate do FET limitador de tensão. O esquemático do

circuito é exibido na figura 18.

43

Figura 18 - Filtro RC retificador de PWM


Com os valores do resistor e do capacitor do filtro especificados em 100kOhm

e 1µF respectivamente, obteve-se via simulação em software (ISIS Proteus) os sinais

do gráfico da figura 19, que representam a resposta do circuito para entradas de sinais

PWM. Verificou-se que o tempo de estabilização da saída é cerca de 600

milissegundos e a tensão de ripple foi quase nula. Como o tempo dispendido por esta

etapa do processo não prejudica o controle de tempo da faísca, esta solução mostrou-

se satisfatória para aplicação.

Figura 19 - Sinais de resposta do filtro PWM


44

Para detectar o início da faísca é utilizado um sensor corrente por efeito Hall

FHS 40-P Kit 8 (ver figura 20). O sensor é capaz de medir correntes elétricas de -16

a 16 A, o que não prejudica a especificação de eletroerosão de até 18A, pois a função

do sensor neste caso é apenas detectar a ocorrência de arco elétrico, enquanto a

captura das formas de onda da corrente é executada através de um osciloscópio

dotado de uma ponteira apropriada. Portanto, a saturação do sinal de corrente no

sensor não prejudica o funcionamento do sistema. Não foi necessário isolar o sensor,

já que o mesmo proporciona um isolamento galvânico entre o circuito primário (alta

tensão) e o circuito secundário (sensor). Este sensor gera uma saída de tensão

proporcional ao campo magnético gerado pelo fluxo de corrente que passa pela trilha

condutora da placa (LEM, 2010. p.1). O rápido tempo de resposta de 3

microssegundos do sensor foi o fator decisivo para a escolha de sua aplicação no

sistema.

Figura 20 - Sensor de corrente


O sistema de acionamento e controle de faíscas é controlado por um

microcontrolador Arduino Mega 2560, que também é responsável pelo gerenciamento

e controle dos demais subsistemas do módulo de eletroerosão, as conexões estão

eletricamente isoladas por componentes de isolamento ótico, para evitar que o disparo

cause variação de tensão, sobrecorrente ou ruídos no microcontrolador. O circuito de

acionamento de faíscas e os circuito da fonte de alimentação foram modelados em

software ARES Proteus gerando uma única placa de circuito impresso compondo

esses sistemas, o esquemático da placa pode ser consultado no apêndice A.

3.1.3 Integração do módulo de faíscas unitárias

A integração dos circuitos, da interface de comunicação de dados com PC e

interface de operação manual da máquina de eletroerosão são executados através de

45

um microcontrolador. O projeto da máquina de faíscas unitárias determinou a

necessidade um microcontrolador equipado com no mínimo 26 portas digitais e 2

portas analógicas para que se pudesse integrar todos os sistemas. O Arduino Mega

2560 disponibiliza um total de 54 portas digitais e 16 portas analógicas, e foi

selecionando para esta integração. O Arduino Mega 2560 é uma placa de

microcontrolador baseada no microcontrolador ATmega2560. Sua plataforma foi

desenvolvida para prototipagem eletrônica de hardware livre (Arduino, 2013). Além de

atender aos requisitos de hardware do projeto, a plataforma Arduino pode ser

adquirida a um preço acessível e possui uma vasta base de conhecimento para

consulta. Do microcontrolador também exigiu-se recursos de interrupção externa,

contador de tempo (timer) e interface de comunicação serial. As interrupções são

necessárias para acionar os contadores de tempo e através deles controlar o tempo

de duração das faíscas. O Arduino contempla interface de comunicação serial

(também chamada de UART ou USART) via USB, dispensando o uso de conversores

RS232-USB e viabilizando a comunicação entre a máquina e o computador,

permitindo assim controlar o módulo por uma interface gráfica em PC. A figura 21

ilustra a arquitetura básica de integração da máquina.

Figura 21 - Arquitetura do módulo EDM


46

Uma placa de circuito impresso foi projetada para o acoplamento do

microcontrolador, constituindo um shield Arduino. O circuito inclui um retificador de

onda completa, conectores e um regulador de tensão de 5V para alimentação do

microcontrolador e dos demais componentes acionados pelo sistema de controle.

Parar garantir o isolamento elétrico entre a placa controladora e os circuitos de alta

tensão, utilizou-se de um transformador dedicado para o circuito do microcontrolador.

O esquema elétrico da placa controladora é apresentado pela figura 22.

Figura 22 - Esquemático do circuito de controle EDM


O microcontrolador utiliza sua interface de comunicação serial para receber

valores de parâmetros e comandos para executar o processo de eletroerosão.

Respostas são ser enviadas para o PC, a fim de verificar/registrar o estado atual dos

parâmetros da máquina. A programação do microcontrolador da máquina é o núcleo

fundamental para o funcionamento da máquina de faíscas unitárias. A modelagem do

funcionamento do firmware do microcontrolador é apresentada na figura 23.

47

Figura 23 – Fluxograma do firmware controlador do módulo EDM


48

Um gabinete (ou painel) recipiente foi projetado a partir da definição do

dimensionamento geométrico das placas e demais componentes do módulo. Visando

a versatilidade da máquina desenvolvida, uma interface de operação manual através

de painel físico também foi projetada, onde o usuário configura através de um teclado

os valores desejados para o processo e aciona o comando de disparo. A figura 24

apresenta o projeto do gabinete que contempla os sistemas do módulo de

eletroerosão. Na construção do gabinete se utilizou chapas de PEAD de 6mm de

espessura como matéria-prima, sua aplicação justifica-se por suas características de

bom isolamento elétrico e fácil usinabilidade, além disso, o material foi disponibilizado

por colaboradores sem custos para o projeto. No apêndice B é possível verificar o

layout da distribuição das placas no interior do gabinete da máquina.

Figura 24 - Gabinete do módulo EDM


3.2 MÓDULO DE POSICIONAMENTO DE ELETRODO

Um sistema de posicionamento automatizado do cabeçote do eletrodo foi

desenvolvido, dispensando assim qualquer ação manual na preparação do sistema.

O sistema de posicionamento de cabeçote foi dimensionando para mover o cabeçote

do eletrodo, que é composto pelo eletrodo, suporte de eletrodo e um micrômetro

digital. O módulo integra subsistemas mecânicos e eletrônicos. As seções a seguir

descrevem o desenvolvimento dos subsistemas que contemplam o módulo de

posicionamento automatizado do eletrodo.

230 mm

14

0 m

m

265 mm

49

3.2.1 Driver de acionamento de motor de passo

Optou-se por utilizar motores de passo híbridos bipolares padrão NEMA 17

para a movimentação nos eixos X e Y do plano horizontal. Os motores utilizados

possuem 3,5kgf.cm de torque, e sua corrente nominal é de 0,33A com alimentação de

12V. Para deslocamento do eletrodo na vertical (eixo Z) utilizou-se um motor unipolar

de pequeno porte. No acionamento destes motores foram utilizados os circuitos de

drivers de potência. Esses drivers foram baseados no circuito impresso (CI) de ponte

H dupla L298N, capaz de fornecer 2A por saída (picos de 3A). O driver de potência foi

projetado de modo a minimizar a quantidade de portas digitais exigidas no

microcontrolador do módulo empregando transistores configurados como inversores

lógicos, necessitando-se assim de apenas duas portas digitais do controlador para

mover os motores passo a passo. O esquema elétrico do driver de potência é

apresentado na figura 25. O módulo de movimentação do eletrodo contém um driver

para cada motor, inclusive para o do eixo Z. O motor do eixo Z é unipolar de quatro

bobinas (6 fios ligado como bipolar em configuração de torque para ser acionado pelo

driver de potência desenvolvido.

Figura 25 - Driver de motor de passo


50

3.2.2 Circuito detector de contato entre eletrodos

O processo de eletroerosão exige um ajuste preciso do parâmetro de abertura

de fenda (ou gap), que é a distância entre os eletrodos. Para executar a medida dessa

distância, geralmente na ordem de 10 a 50µm, efetua-se primeiramente a

aproximação dos eletrodos até que se toquem. Para detectar o toque, um eletrodo é

energizado em baixa tensão, enquanto o outro é conectado a um circuito sensível a

tensão elétrica. Quando os eletrodos se tocam, o eletrodo sensível a tensão também

é energizado, e com o recebimento deste sinal interrompe-se o avanço progressivo

de aproximação dos eletrodos. Então, lê-se a medida atual do micrômetro e toma-se-

a como referência para definir o recuo necessário para atingir a abertura de fenda

programada, a partir de um cálculo proporcional usando uma constante com unidades

[µm de abertura] / [passo no motor]. O circuito da figura 26 é responsável por detectar

o contato físico entre os eletrodos. Este circuito possui proteção contra sobretensão,

para evitar danos ao sistema caso ocorra um disparo de faíscas acidental durante a

etapa de aproximação dos eletrodos.

Figura 26 - Circuito detector de contato de eletrodos


A proteção contra sobretensão no circuito é oferecida por um fusível (definido

em 100mA) e um diodo zener 1N4742A, que passa a conduzir a corrente do circuito

51

quando a tensão é maior que 12A, quando a corrente que flui no diodo torna-se maior

que 100mA o fusível se abre, interrompendo a ligação entre o microcontrolador e

circuito detector de contato elétrico protegendo-os.

3.2.3 Integração do módulo de posicionamento de eletrodo

O microcontrolador Arduino Mega 2560 integra os subsistemas eletrônicos do

módulo de posicionamento do eletrodo. O módulo exige um total de 40 portas digitais

para interagir com os subsistemas e uma interface de comunicação serial para o

recebimento de comando através de computador. Além do acionamento dos

controladores de motores e do circuito detector de contato dos eletrodos, o

microcontrolador gerencia uma interface de usuário manual (painel), realiza leituras

de dados de um micrômetro digital (acoplado ao cabeçote do eletrodo) através de uma

interface Digimatic Mitutoyo (ver apêndice D) e monitora sensores fim de curso do

plano XY. A figura 27 ilustra a arquitetura básica de hardware do módulo de

posicionamento.

Figura 27 - Arquitetura do módulo de posicionamento de eletrodos


Foi desenvolvida uma placa de circuito impresso para o acoplamento da placa

microcontroladora. A placa compreende o circuito de interfaceamento do micrômetro,

e conectores de comunicação com o painel de operação manual e demais

52

subsistemas. Na figura 28, o esquema elétrico da placa é apresentado. Os sensores

de fim de curso utilizados foram do tipo chave tátil, que quando acionadas geram um

sinal de tensão. O recebimento deste sinal dispara uma rotina no microcontrolador

que interrompe a alimentação do motor que atingiu o fim de curso. O sistema é

alimentado por uma fonte padrão ATX de PC.

Figura 28 - Esquemático do circuito controlador do módulo de posicionamento


Um gabinete (ou painel) recipiente também foi projetado para acomodação e

proteção dos componentes do módulo. O gabinete contempla uma interface de

operação manual através de painel físico, possibilitando ao usuário o controle do

sistema e a visualização de informações referentes ao estado da máquina e a posição

do eletrodo. A figura 29 apresenta o projeto do gabinete desenvolvido e no apêndice

B tem-se o layout de distribuição das placas no interior do gabinete. Para a construção

do gabinete utilizou-se como matéria prima chapas de PEAD de 6mm de espessura,

53

este material é um bom isolante elétrico e de fácil usinabilidade, além disso, o material

foi disponibilizado sem custos para o projeto.

Figura 29 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos


3.2.4 Sistema mecânico de posicionamento do eletrodo

A automatização do posicionamento do cabeçote do eletrodo móvel (em

relação a outro eletrodo fixo na cuba com fluido dielétrico) viabiliza a programação da

execução de múltiplos ensaios de eletroerosão. Os eixos do plano XY são deslocados

através de sistema de eixo fuso, que compreende um eixo roscado acoplado ao motor

de passo e uma porca fixada na estrutura móvel. O eixo Z é deslocado através do eixo

móvel do micrômetro, que transforma o movimento rotacional impulsionando pelo

motor de passo, através de uma redução de engrenagens que permite a precisão

desejada de 1µm, em movimento linear no eixo do micrômetro. O mecanismo foi

dimensionado para permitir o posicionamento do eletrodo numa área de até

250x250mm no plano XY, com curso de 50mm ao longo do eixo Z, limitado pelo

tamanho da haste de micrômetro digital. A figura 30 exibe a estrutura mecânica

projetada e os planos cartesianos convencionados.

230 mm

15

0 m

m

210 mm

54

Figura 30 - Estrutura mecânica de posicionamento de eletrodos


O formato da estrutura de posicionamento do eletrodo foi desenhado para

confecção em polietileno de alta densidade (PEAD) e polietileno de massa molecular

ultra-alta (UHMW). Estes materiais foram utilizados para reduzir os custos do projeto,

pois sua usinagem poderia ser realizada na oficina de modelos e no laboratório de

usinagem da PUCPR sem custos; além disto, o material necessário para o projeto

poderia ser doado por colaboradores. A utilização destes materiais apresentou

vantagens quanto à massa final da estrutura e à facilidade para usinagem sem

depender de maquinário avançado; entretanto, como desvantagem, apresentou

pouca estabilidade dimensional. Na concepção do desenho da estrutura, priorizou-se

um modelo estrutural simples, de fácil fabricação e baixo custo, sendo projetada para

incorporar apenas os itens essenciais do sistema. Como não há contato físico entre

ferramenta e peça no processo de eletroerosão, ou seja, não há tensão mecânica, a

55

função da estrutura resume-se a suportar componentes e circuitos agregados. A

ilustração da figura 31 apresenta uma vista explodida da estrutura.

Figura 31 - Vista explodida da estrutura mecânica de movimentação do eletrodo


O sistema de locomoção do cabeçote de eletrodo no plano XY é implementado

por fusos roscados padrão M10 com passo de 1mm, sendo o fuso acoplado

diretamente ao eixo do motor de passo através de um acoplamento flexível (5-8mm).

O movimento rotacional do motor é convertido em movimento linear por porcas

acoplados ao fuso, onde as porcas são fixadas nas hastes móveis da estrutura suporte

do eletrodos. Para o alinhamento linear do deslocamento, ambos os eixos X e Y

receberam guias lineares compostas por eixos cilíndricos retificados e pillow blocks

(suporte de rolamentos). No eixo X, utilizou-se eixos e pillow blocks (SCS12UU) de

12mm de diâmetro, e no eixo Y foram utilizados eixos e pillow blocks (SCS8UU) de

8mm. Os sensores fim de curso foram instalados nas hastes móveis dos eixos X e Y,

56

sendo utilizados dois sensores por eixo de modo a detectar colisão nas extremidades

entre as hastes móveis e a estrutura, ou seja, utilizou-se um sensor para cada sentido

de deslocamento. Como o deslocamento no plano XY desta aplicação não exige

precisão, se estabeleceu um controle de posição em malha aberta, onde a máquina,

ao ligar, descola o eletrodo até que seja acionado o sensor de fim de curso, quando

então toma-se a posição como referência e de tal modo que as novas posições são

definidas através da relação [milímetros]/[passos do motor]. Esta relação é

determinada através da razão entre o passo da rosca do fuso pelo número de passos

necessários para uma revolução do motor, sendo definida em [1mm/200passos] neste

projeto. A figura 32 ilustra o sistema de locomoção do plano XY.

Figura 32 - Sistema de locomoção no plano XY


O deslocamento do eletrodo no eixo Z é de grande importância no projeto, sua

precisão é essencial para confiabilidade dos experimentos que serão executados pela

máquina. Como requisito foi estabelecido um ajuste de posição com precisão de 1

57

micrometro ao longo do eixo Z (vertical) do eletrodo. O micrômetro digital Mitutoyo

164-162 foi utilizado para medir a distância entre eletrodos (eixo Z). Este micrômetro

possui uma haste com curso de 50mm, onde foi acoplado o cabeçote suporte de

eletrodo. O suporte utilizado comporta eletrodos cilíndricos de 0,1 a 1mm de diâmetro.

A automação do descolamento da haste do micrômetro se dá através de um motor de

passo unipolar, conectado ao micrômetro através de uma redução projetada para esta

aplicação, que possui um sistema interno que transforma movimento rotacional em

deslocamento linear no eixo do micrômetro. Com este sistema, foi alcançado uma taxa

de deslocamento de 0,5 micrometros por passo do motor, permitindo ao sistema

atingir a precisão necessária. O limite de curso do deslocamento do eletrodo é

implementado por software, que analisa os valores de posição do micrômetro para

limitar a atuação do motor. A foto da figura 33 ilustra o sistema de deslocamento do

eletrodo no eixo vertical.

Figura 33 - Sistema de abertura de fenda


3.3 SISTEMA DE CAPTURA DE TENSÃO E CORRENTE DE FAÍSCA

Um osciloscópio de alto desempenho Tektronix TDS-644B, equipado com

ponteiras de medição de tensão (P5100) e corrente (TCP202), e interface com o

aplicativo em PC via GPIB, é utilizado para a captura das formas de onda da faísca.

O trigger é programado pelo aplicativo no canal de corrente. A transferência dos dados

é automática logo após a conclusão de uma sequência de aquisição quando então o

58

aplicativo processa os dados e exibe os sinais na interface do usuário, realiza o cálculo

de parâmetros (potência, energia e valores de máximo e mínimo) e armazena os

dados em disco local. A utilização destes equipamentos permite automatizar o

processo de captura de sinais elétricos do processo de eletroerosão com

confiabilidade. A modelo de integração do sistema é ilustrado na figura 34.

Figura 34 - Sistema de aquisição de sinais


3.4 INTEGRAÇÃO

O presente projeto exigiu um alto nível de integração e automação. O sistema

é composto por três subsistemas principais: sistema de captura dos sinais de tensão

e corrente da faísca (osciloscópio), módulo de faíscas e módulo de posicionamento

de eletrodo. A integração do sistema se dá através de um aplicativo em LabVIEW, o

qual é executado em computador, conectado localmente com os módulos de faíscas

e de deslocamento do eletrodo, através de conexão serial, e com o osciloscópio via

conexão GPIB. O aplicativo foi desenvolvido para operação do sistema através de

uma interface gráfica de usuário, assim possibilitando enviar comandos de operação,

receber informações sobre o processo e realizar configuração dos parâmetros de

comunicação entre o computador e os subsistemas, viabilizando a programação de

ensaios de eletroerosão. A interface do aplicativo permite ao usuário visualizar os

dados de tensão e corrente das descargas elétricas, ou seja, monitorar as formas de

onda capturadas por ponteiras de medição de tensão e corrente durante as faíscas

(ou arco). Os dados podem ser armazenados em disco local e recuperados a qualquer

tempo. Funções de análise (cálculo de energia e potência, valores extremos, duração)

59

podem ser aplicadas sobre as formas de onda. O aplicativo EDM – SparkVIEW,

resultou de uma adaptação de um software desenvolvido em projeto de pesquisa

anterior (Mendes et al, 2012). O ambiente LabVIEW é indicado para esta aplicação,

pois possui uma plataforma abrangente e estável de suporte a drivers e dispositivos,

que facilitam a etapa de desenvolvimento por fornecer blocos de comunicação,

funções e operações de simples implementação. As alterações implementadas no

aplicativo referem-se à adição das rotinas de comando de movimentação XY (em Z já

existe) e readaptação dos protocolos de comunicação. A figura 35 exibe a interface

principal de operação do sistema.

Figura 35 - Aplicativo gerenciador do sistema


A integração física do sistema é mostrada na figura 36. Os requisitos para este

sistema são: um computador com sistema operacional Windows (XP ou posterior) 32

bits, três portas USB livres, software LabVIEW compatível com a versão 7.1 e driver

do osciloscópio instalados. Ao iniciar o aplicativo SparkVIEW, os parâmetros de

comunicação devem ser configurados. Esta etapa resume-se a informar ao sistema

qual a porta serial que está conectado cada módulo (faíscas e posicionamento do

eletrodo). Para executar o processo de eletroerosão, o usuário deve informar os

60

parâmetros de tensão em aberto, tempo de descarga, limite de corrente, abertura de

fenda e posição do eletrodo, e a seguir executar o comando de disparo de faísca. O

aplicativo então envia os dados para os módulos e programa o osciloscópio para

aguardar pelo trigger; após a faísca, os dados do processo são automaticamente

transmitidos desde o osciloscópio por ordem do aplicativo, e então são

disponibilizados em sua interface através de gráficos e tabelas.

Figura 36 - Integração do sistema


61

4 RESULTADOS

Especificações técnicas para o processo de eletroerosão através da máquina

de faíscas unitárias foram inicialmente elaboradas, servindo de base para o

desenvolvimento dos projetos de hardware, firmware (software) e de mecânica do

sistema. Diversas soluções técnicas foram produzidas, permitindo que os subsistemas

do módulo de faíscas e módulo de posicionamento do eletrodo fossem bem

projetados.

Os subsistemas referentes ao módulo de posicionamento automatizado do

eletrodo que foram implementados são: interface de comunicação com micrômetro;

sensor detector de contato entre eletrodos; circuitos de acionamento dos motores que

impulsionam o deslocamento do eletrodo e permitem o controle da abertura da fenda,

e a interface de comunicação serial.

O desenvolvimento das soluções em hardware (circuitos eletro/eletrônicos) deu

origem a circuitos elétricos que foram modelados e validados através de simulações

em softwares de eletrônica. A implementação desses circuitos realizou-se através de

placas de circuitos impressos, que foram confeccionadas por uma máquina

prototipadora de circuitos impressos (LPKF ProtoMat S63 - ver figura 37). Os circuitos

eletrônicos produzidos integram o módulo de faíscas e o módulo de posicionamento

de eletrodos.

Figura 37 - Produção dos circuitos eletrônicos


Mecanismos físicos do sistema foram dimensionados e projetados com

tecnologia 3D CAD para atender às funcionalidades do sistema. Uma estrutura

mecânica de posicionamento automatizado de eletrodo e dois gabinetes de

62

equipamentos surgiram desses resultados. Sua produção foi executada pelo autor

auxiliado por técnicos dos laboratórios de usinagem e da oficina de modelos da

PUCPR. O processo de fabricação empregou várias técnicas e equipamentos de

usinagem, como fresa de comando numérico, torno, furadeiras (de bancada e

manual), lixadeiras, serras circulares e serra fita. A montagem da estrutura foi

realizada, reajustes feitos e mesmo a refabricação de alguns componentes foi

necessária, como é o caso do fuso roscado do eixo X que precisou ser substituído

após sua falha durante os primeiros testes.

A integração dos subsistemas eletrônicos a nível de hardware foi implementada

por microcontroladores, que se conectam via portas digitais e analógicas aos

subsistemas. Os microcontroladores receberam programações de firmware

especialmente desenvolvidas para interagir e controlar os componentes dos módulos

que compõe o sistema. Com isso, cada módulo tem condições de desempenhar as

funções para as quais foram projetados; no entanto, são operados individualmente. A

capacidade de realizar as funcionalidades gerais do sistema foi obtida através da

integração dos módulos via software em computador. Um aplicativo foi desenvolvido,

viabilizando o controle total de suas funcionalidades do sistema de forma centralizada.

O módulo de faíscas unitárias implementado é formado por transformadores

elétricos, uma placa de potência geradora de pulsos de tensão contínua e uma placa

controladora e um gabinete que agrega esses componentes. Apesar de não ser um

requisito inicialmente proposto para o projeto, decidiu-se posteriormente por adicionar

um painel de controle manual do módulo; entretanto, sua implementado não foi

possível até a conclusão do presente trabalho, e sua implementação será realiza

posteriormente.

A placa controladora do módulo de faíscas foi fabricada na PUCPR, resultando

na placa da figura 38, que acopla um microcontrolador Arduino Mega 2560, circuito

retificador de tensão para 5V, conectores para conexão com PC via USB, display LCD

16x2 seguimentos, teclado matricial 4x4, placa de potência geradora de faíscas e uma

porta serial secundária.

63

Figura 38 - Placa controladora do módulo de faíscas


A figura 39 mostra a placa de circuitos eletro/eletrônicos que contempla fonte

de potência da tensão em aberto, banco de capacitores, sensores de tensão e

corrente, sistemas de isolamento óptico e circuito gerador de faíscas.

Figura 39 - Circuito de potência gerador de faíscas


O transformador elétrico necessário para fornecer a potência do módulo de

faíscas foi produzido pelo autor, com base em técnicas e construção de

64

transformadores disponíveis na literatura. Como resultado, obteve-se o transformador

da figura 40, que atendeu às especificações para sua aplicação.

Figura 40 - Transformador de força do circuito gerador de faíscas


Para acomodar os subsistemas do módulo de faíscas, foi produzido o gabinete

da figura 41, com chapas de PEAD de 6mm de espessura.aAs dimensões mínimas

definidas para bem acomodar todos os componentes projetados para módulo foram:

265mm de largura, 140mm de altura e 236m de profundidade.

Figura 41 - Gabinete do módulo de faíscas


O módulo de posicionamento automatizado do eletrodo foi implementado

integrando componentes eletrônicos e mecânicos. Uma estrutura física de

65

deslocamento de eletrodos foi projetada e produzida especialmente para o projeto,

visando fornecer uma solução adequada as necessidades do presente trabalho a um

baixo custo, resultando no sistema mecânico da figura 42, que permitiu o

posicionamento do eletro com três graus de liberdade.

Figura 42 - Estrutura mecânica do módulo de posicionamento de eletrodos


O deslocamento do eletrodo é impulsionado por motores de passo. Os drivers

de acionamento dos motores foram construídos conforme a figura 43. Cada driver de

potência tem capacidade para acionar um motor de passo, portanto foi necessária a

construção de três unidades.

Figura 43 - Driver de acionamento de motor de passo


66

Para a automatização plena do posicionamento do eletrodo e ajuste preciso do

parâmetro distância de fresta, um circuito sensor foi projetado para de contato físico

entre os eletrodos, permitindo ao sistema determinar uma posição de referência para

o ajuste de distância de fenda. O sensor foi implemento na forma de placa de circuito

impresso, resultando na placa ilustrada na figura 44.

Figura 44 - Circuito detector de contato entre eletrodos


A integração dos circuitos do módulo de posicionamento do eletrodo é realizada

por uma placa controladora, que foi produzida em circuito impresso e comtempla um

segundo microcontrolador Arduino Mega 2560, a interface de comunicação serial,

interface Digimatic Mitutoyo (para comunicação com micrômetro) e conectores para

integração com os drivers de acionamento dos motores de passo, sensores fim de

curso, circuito detector de toque entre eletrodos, teclado matricial e display LCD para

interface de operação manual. A figura 45 exibe a placa controladora que foi

desenvolvida. A alimentação dos circuitos eletrônicos do módulo suprida por uma

fonte padrão ATX de PC.

67

Figura 45 - Placa controladora do módulo de posicionamento de eletrodos


Assim como no módulo de faíscas, uma interface de operação manual (painel)

para o módulo do eletrodo foi estipulada depois do início do projeto. Como o

desenvolvimento do projeto priorizou a implementação dos componentes essenciais

do sistemas, a interface manual não foi realizada a tempo da conclusão do projeto, a

sua finalização também deverá ser feita posteriormente.

O gabinete que suporta os subsistemas do módulo do eletrodo foi construído

como mostra a figura 46. As dimensões mínimas especificadas para acomodação de

todos os componentes propostos foi de 230mm de largura, 150mm de altura e 216mm

de profundidade, considerando-se a construção com chapas de 6mm de espessura.

Figura 46 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos


68

O sistema de aquisição de sinais de tensão e corrente estavam pré-

estabelecidos com base em projetos de pesquisa realizados previamente pelo autor,

portanto sua implementação demandou adaptações no software, a realização de

testes validação de funcionamento dos novos dispositivos e de comunicação e

integração.

A funcionalidade geral do projeto, ou seja, a realização automática de

experimentos de eletroerosão por faíscas unitárias é alcançada através da integração

dos módulos de faísca, de eletrodo e do sistema de aquisição de sinais em nível de

software. Um aplicativo em plataforma LabVIEW desenvolvido em projeto de pesquisa

anterior foi utilizado como base do sistema, então foi necessário modificá-lo para

atender às especificações do presente projeto. As alterações realizadas

correspondem a adequações dos protocolos de comunicação de modo que

viabilizassem a execução de todas as funcionalidades dos módulos. As novas

funcionalidades referentes ao posicionamento do eletrodo no plano XY foram

programadas e acrescentadas ao aplicativo, completando assim a operabilidade

completa do sistema.

Figura 47 - Integração do sistema


A implementação geral do sistema foi alcançada no extremo limite do prazo

previsto para o projeto (ver figura 47), sendo que sua finalização por completo ainda

exige alguns testes. A partir dos ajustes finais em andamento, o equipamento será

empregado para pesquisas de processos de eletroerosão.

69

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O desenvolvimento do presente projeto requereu um conjunto de atividades

multidisciplinares, característico de projetos de mecatrônica, com a integração de

sistemas contendo componentes de hardware, software (firmware) e mecânica.

A abordagem metódica de desenvolvimento de produtos aplicada contribuiu

principalmente para a etapa de definição do sistema, que resultou na definição dos

atributos essenciais que o projeto deveria contemplar. A estratégia de

desmembramento do sistema em subsistemas com funções específicas permitiu a

concepção de um conjunto solução modularizado: módulo de faíscas unitárias,

módulo de posicionamento de eletrodos, conjunto de aquisição de sinais e

subsistemas diversos.

O objetivo geral estabelecido como ‘desenvolvimento de projeto de uma

máquina de eletroerosão de faíscas unitárias com sistema automatizado de testes de

avaliação de desempenho do processo’ foi alçando plenamente quanto à definição e

especificação do sistema solução; a implementação do sistema, por sua vez, foi

conseguida já na iminência do fim do prazo do projeto, sendo necessário ainda a

realização de alguns testes para a conclusão do sistema.

O sistema projetado é capaz de satisfazer os requisitos impostos. Os

subsistemas que agregam as funcionalidades projeto atendem aos objetivos

específicos, tendo sido modelados, validados por simulações e/ou especificados

tecnicamente, gerando uma documentação que demonstra sua capacidade para as

aplicações.

Os subsistemas projetados que compõem o módulo de faíscas unitárias são:

transformador de potência; circuito controlador de tensão, banco de capacitores para

fornecimento de energia das faíscas; sensor detector de faísca (detecta por corrente);

circuito limitador de corrente máxima da faísca; painel de operação manual da

máquina; interface de comunicação serial; circuito gerador de faíscas unitárias e

gabinete. Com exceção do painel, todos os sistemas foram implementados, a

implementação do painel depende da aquisição de um teclado matricial e fixação de

um display no gabinete. As funcionalidades do módulo que foram implementadas

foram: disparo de pulsos de corrente contínua; auto detectar instante inicial da faísca

e limitar seu tempo de duração previamente programado; controle de tensão da faísca;

controle do limite da corrente do arco (ou faísca) e comunicação com computador.

70

Os subsistemas referentes a interface de operação manual (painel) foram

projetados, mas não implementados no prazo, dependendo apenas da integração de

um teclado matricial e da fixação de um display no gabinete para conclusão. As

funcionalidades implementadas correspondem à: medição da abertura de fresta,

leitura dos valores do micrômetro, posicionamento do eletrodo com três graus de

liberdade (eixos lineares X, Y e Z), detecção automática do zero de aberto de fresta e

controle de posição do eletrodo (malha aberta para o plano XY).

O sistema automatizado de aquisição de sinais de tensão e corrente da faísca

foi previamente estabelecido em projeto de pesquisa anterior, tratando-se assim de

seu aproveitamento no presente projeto. Este sistema permitiu a realização das

funcionalidades desejadas, como: detecção automática das faíscas e aquisição das

formas de onde de tensão e corrente; recebimento de configurações de trigger

programadas via aplicativo e transmissão automática dos sinais das faíscas ao

aplicativo.

A interface de operação do sistema foi implementada via software desenvolvido

em plataforma LabVIEW, este aplicativo foi parcialmente programado em projeto de

pesquisa externo, sua aplicação neste projeto exigiu adequações quanto aos

protocolos de comunicação com o módulo EDM e adição (via programação) das

funcionalidades do módulo de deslocamento de eletrodo. O aplicativo estabelecido

permitiu ao sistema as seguintes funcionalidades: comunicar com módulos (faísca e

posicionador de eletrodo); disponibilizar informações sobre o processo; programar de

ciclos de máquina; programar ensaios de eletroerosão; exibir formas de onda de

tensão e corrente capturas durante a faísca; realizar funções de análise aplicadas

sobre as formas de onda; armazenar e recuperar dados obtidos do processo.

Os resultados obtidos com o presente projeto constituem um equipamento

especialmente projetado para pesquisa de eletroerosão, capaz de realizar de forma

automática ensaios de processos de eletroerosão de faíscas unitárias, sendo

adequado para as aplicações nas quais foi especificado.

Conclui-se que o sistema resultante deste trabalho é capaz de atender aos

objetivos propostos.

71

REFERÊNCIAS

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72

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73

APÊNDICE A – CIRCUITO DE POTÊNCIA E GERADOR DE FAÍSCAS

74

APÊNDICE B – LAYOUT DE DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO MÓDULO

DE FAÍSCAS UNITÁRIAS

Módulo de faíscas unitárias

75

APÊNDICE C – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE DO MÓDULO DE

POSICIONAMENTO DE ELETRODO

Liga

Configura os parâmetros do

sistema

Comando = Deslocamento

do Eletrodo

Comando = Detectar Contato?

S

Sensor Fimde Curso

Acionado?

Aciona motores de deslocamento

N

Informa que o sistema está configurado

Lê Sensores Fim de Curso

S

Lê Comando

N

Realiza o deslocamento

A posição é válida?

S S

Informa posição não alcançavel

N

Aproxima Eletrodos

Lê sensor de contato

Hà contato?

N

Define posição de contato

Lê micrometro

Comando = Calibrar posição

inicial?

N

Define posição inicial

S

N

Comando = Definir posição

de referência da peça

Define posição atual como referência da

peça S

N

76

APÊNDICE D – INTERFACE DIGIMATIC MITUTOYO

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