Tcc carlos felipe de paiva perché

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DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS

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Tcc carlos felipe de paiva perché

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - CAMPUS ITABIRA ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS ITABIRA 2013
  2. 2. CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal de Itajubá como parte dos requisitos necessários para a ob- tenção do Grau de Engenheiro da Compu- tação. Orientador: Prof. Dr. Eben-ezer Prates da Silveira. ITABIRA 2013
  3. 3. CARLOS FELIPE DE PAIVA PERCHÉ DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PROTOTIPAGEM PARA PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS Trabalho Final de Graduação, apresentado à Universidade Federal de Itajubá - Campus Itabi- ra, como requisito parcial para aprovação no curso de graduação em Engenharia da Computa- ção. Professor Orientador Dr. Eben-ezer Prates da Silveira Resultado:________________ Itabira, MG,_________________________________ BANCA EXAMINADORA ________________________________________________ Professor Dr. Eben-ezer Prates da Silveira ________________________________________________ Professor Dr. Evandro Daniel Calderaro Cotrim ________________________________________________ Professor Msc. Ivan Lucas Arantes
  4. 4. RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema baseado no conceito de controle numérico computadorizado e destinado a criação de protótipos de placas de circuito impresso através de um equipamento micro controlado. Elaborou-se uma estrutura mecânica composta de três eixos cartesianos (X, Y, Z) que são movimentados por motores de passo. O aciona- mento dos motores é comandado por um software que realiza a troca de informações com um microcontrolador através de uma interface USB. PALAVRAS-CHAVE: Motor de Passo, USB, Circuito Impresso, Fresagem, Microcontrola- dor.
  5. 5. ABSTRACT This study presents the development of a system based on the concept of computerized nu- merical control and intended for prototyping printed circuit boards through a micro-controlled device. We developed a mechanical structure composed by three Cartesian axes (X, Y, Z) which are moved by stepper motors. The triggers of the engines are controlled by software that performs the exchange of information with a microcontroller through a USB interface. KEY WORDS: Stepper motor, USB, PCB, Milling, Microcontroller.
  6. 6. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Mini Fresa CNC construída por alunos de Engenharia Mecatrônica da USP......... 14 Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103 .......................................................................... 17 Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router ........................................................................ 18 Figura 4 - Fresadora IEC 3030............................................................................................. 19 Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R. ...................................................... 23 Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M. ........................................................................ 23 Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido................................................... 24 Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido..................................................................... 24 Figura 9 - Motor de passo unipolar....................................................................................... 25 Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar ............................................................... 25 Figura 11 - Motor de passo bipolar....................................................................................... 26 Figura 12 - Esquema circuito Ponte H.................................................................................. 26 Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase ............................... 27 Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases.............................. 28 Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo ............................................................... 29 Figura 16 - Drive L/R .......................................................................................................... 30 Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor .................. 31 Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR ........................................................................ 32 Figura 19 - Modo de acionamento por comutação................................................................ 32 Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento............................... 33 Figura 21 - Topologia USB.................................................................................................. 35 Figura 22 - Modelos de conectores USB .............................................................................. 38 Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber................................................ 40 Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo Eagle .................................................................... 41 Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto........................................................................... 43 Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação............................................................... 44 Figura 27 - Imagem CAD eixo X ......................................................................................... 45 Figura 28 - Imagem CAD eixo Y ......................................................................................... 46 Figura 29 - Imagem CAD eixo Z.......................................................................................... 47 Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X.................................................... 47 Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem.............................................................. 48 Figura 32 - Motor de passo NEMA 23KM-C051-07V.......................................................... 49 Figura 33 - Micro retífica..................................................................................................... 49 Figura 34 - Esquema elétrico da Placa Controladora ............................................................ 50 Figura 35 - Diagrama pinos de conexão ............................................................................... 52 Figura 36 - Esquema elétrico Placa Driver........................................................................... 53 Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297............................................................................ 55 Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante.................................................. 55 Figura 39 - Estrutura interna do CI L297.............................................................................. 56 Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step............................... 57 Figura 41 - Sequência de passos do tradutor modo two-phase-on full................................... 57 Figura 42 - Sequência de passos do tradutor modo one-phase-on full................................... 57 Figura 43 - Circuito chopper................................................................................................ 58 Figura 44 - Disposição dos pinos do L298............................................................................ 59 Figura 45 - Diagrama interno do L298 ................................................................................. 59 Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor........................................................................... 60 Figura 47 - Esquema elétrico Placa Relé .............................................................................. 62 Figura 48 - Fonte Chaveada utilizada no projeto .................................................................. 63
  7. 7. Figura 49 - Esquema elétrico Placa Reguladora.................................................................... 64 Figura 50 - Interligação módulos eixo X .............................................................................. 65 Figura 51 - Interligação módulos eixo Y .............................................................................. 66 Figura 52 - Interligação módulos eixo Z............................................................................... 66 Figura 53 - Formulário Principal.......................................................................................... 67 Figura 54 - Configuração ..................................................................................................... 67 Figura 55 - Fresar Circuito................................................................................................... 68 Figura 56 - Controle Manual................................................................................................ 69 Figura 57 - Fluxograma da etapa de conversão do arquivo Gerber ....................................... 70 Figura 58 - Etapas de fresamento do circuito........................................................................ 71 Figura 59 - Fluxograma geral do firmware PIC.USB............................................................ 74 Figura 60 - Fluxograma geral do firmware PIC.CPU............................................................ 75 Figura 61 - Reconhecimento automático do firmware .......................................................... 78 Figura 62 - Novo driver instalado ........................................................................................ 79 Figura 63 - Exemplo de um traçado de reta que compõe um circuito.................................... 80 Figura 64 - Empeno dos Carros............................................................................................ 89 Figura 65 - Estrutura mecânica desenvolvida ....................................................................... 89 Figura 66 - Protótipo placa controladora .............................................................................. 90 Figura 67 - Protótipo placa reguladora ................................................................................. 90 Figura 68 - Protótipo placa driver ........................................................................................ 91 Figura 69 - Protótipo placa relé............................................................................................ 91 Figura 70 - Protótipo placa sensor........................................................................................ 91 Figura 71 - Teste tratamento das informações de um arquivo Gerber. .................................. 92
  8. 8. LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103.................................................................. 17 Tabela 2 - Especificações SHG0404 CNC Router ................................................................ 18 Tabela 3 - Especificações IEC 3030..................................................................................... 19 Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC................. 34 Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC.......................................................... 34 Tabela 6 - Componentes da placa controladora .................................................................... 51 Tabela 7 - Componentes da placa driver............................................................................... 54 Tabela 8 - Componentes da placa sensor.............................................................................. 61 Tabela 9 - Componentes da placa relé .................................................................................. 62 Tabela 10 - Componentes da placa reguladora...................................................................... 65 Tabela 11 - Protocolo de comunicação................................................................................. 72 Tabela 12 - Lista dos principais matérias para o sistema mecânico....................................... 84 Tabela 13 - Lista dos elementos do sistema eletromecânico ................................................. 85 Tabela 14 - Lista dos elementos Placa Controladora............................................................. 85 Tabela 15 - Lista dos elementos Placa Driver....................................................................... 86 Tabela 16 - Lista dos elementos Placa Reguladora ............................................................... 86 Tabela 17 - Lista dos elementos Placa Sensor ...................................................................... 87 Tabela 18 - Lista dos elementos Placa Relé.......................................................................... 87 Tabela 19 - Outros elementos............................................................................................... 87 Tabela 20 - Cronograma do projeto...................................................................................... 88
  9. 9. LISTA DE ABREVIATURAS ASCII - American Standard Code for Information Interchange API - Application Programming Interface CI - Circuito integrado CN - Comando Numérico CAD - Computer-aided design CAM - Computer-aided manufacturing system CDC - Communications Device Class CNC - Comando numérico computadorizado FET - Field-effect transistor FTP - File Transfer Protocol GND - Ground GNU - General Public License HID - Human Interface Device HTTP - HyperText Transfer Protocol Secure IP - Internet Protocol ISO - International Organization for Standardization LED - Light-emitting diode MSD - Mass Storage Device Class PCI - Placa de circuito impresso PIC - Programmable Interface Controller PID - Product ID PWM - Pulse-width modulation RAM - Random Access Memory ROM - Read Only Memory RPM - Rotações por minuto TCP - Transmission Control Protocol USB - Universal Serial Bus USP - Universidade de São Paulo VID - Vendor ID
  10. 10. SUMÁRIO 1 Introdução.................................................................................................................... 13 2 Objetivos...................................................................................................................... 15 2.1 Objetivo geral........................................................................................................ 15 2.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 15 3 Referencial Teórico...................................................................................................... 16 3.1 Tecnologia CNC.................................................................................................... 16 3.2 Trabalhos relacionados .......................................................................................... 16 3.3 Produtos existentes no mercado ............................................................................. 17 3.4 Aspectos mecânicos............................................................................................... 19 3.4.1 Forças de usinagem......................................................................................... 19 3.4.2 Estrutura......................................................................................................... 20 3.4.3 Transmissão dos movimentos ......................................................................... 20 3.4.4 Tipos de motores ............................................................................................ 20 3.4.5 Sistemas de acoplamento ................................................................................ 21 3.5 Aspectos eletrônicos .............................................................................................. 21 3.5.1 Motor de passo ............................................................................................... 21 3.5.2 Tipos de Motores de Passo.............................................................................. 22 3.5.3 Controle de corrente ....................................................................................... 30 3.5.4 Microcontroladores......................................................................................... 33 3.5.5 Universal Serial Bus (USB) ............................................................................ 34 3.6 Aplicativos de comando numérico ......................................................................... 39 3.6.1 Programas de comando numérico (CN)........................................................... 39 3.6.2 Padrão Gerber ................................................................................................ 40 4 Metodologia e Desenvolvimento .................................................................................. 42 4.1 Detalhamento do sistema mecânico........................................................................ 43 4.1.1 Estrutura de sustentação.................................................................................. 44 4.1.2 Eixo X............................................................................................................ 44 4.1.3 Eixo Y............................................................................................................ 45 4.1.4 Eixo Z............................................................................................................. 46 4.1.5 Suporte Micro Retífica;................................................................................... 46 4.1.6 Área de trabalho ............................................................................................. 47 4.2 Detalhamento do sistema eletromecânico............................................................... 48 4.2.1 Motor de passo ............................................................................................... 48 4.2.2 Micro Retífica................................................................................................. 49 4.3 Detalhamento do Hardware................................................................................... 49 4.3.1 Placa Controladora.......................................................................................... 50
  11. 11. 4.3.2 Placa Driver.................................................................................................... 53 4.3.3 Placa Sensor ................................................................................................... 60 4.3.4 Placa Relé....................................................................................................... 61 4.3.5 Fonte de alimentação ...................................................................................... 63 4.3.6 Placa Reguladora de tensão............................................................................. 63 4.3.7 Diagrama de interligação dos módulos eletrônicos.......................................... 65 4.4 Detalhamento do Software ..................................................................................... 66 4.4.1 Implementação do sistema .............................................................................. 66 4.4.2 Software Controlador...................................................................................... 67 4.4.3 Arquivo Gerber .............................................................................................. 69 4.4.4 Fresamento de circuitos .................................................................................. 70 4.4.5 Protocolo de Comunicação ............................................................................. 71 4.5 Detalhamento do Firmware ................................................................................... 72 4.5.1 Considerações importantes.............................................................................. 73 4.5.2 PIC.USB......................................................................................................... 73 4.5.3 PIC.CPU......................................................................................................... 74 4.5.4 Biblioteca de funções...................................................................................... 75 4.5.5 Descritores USB ............................................................................................. 77 4.5.6 Bits de configuração ....................................................................................... 77 4.5.7 Configuração comunicação serial.................................................................... 78 4.5.8 Instalação e Funcionamento............................................................................ 78 4.6 Memória de Cálculo............................................................................................... 79 4.6.1 Resolução de deslocamento ............................................................................ 79 4.6.2 Velocidades de avanço.................................................................................... 80 5 Recursos financeiros .................................................................................................... 84 5.1 Sistema mecânico .................................................................................................. 84 5.2 Sistema eletromecânico.......................................................................................... 84 5.3 Circuitos eletrônicos .............................................................................................. 85 6 Cronograma ................................................................................................................. 88 7 Resultados e Conclusões .............................................................................................. 88 Referências.......................................................................................................................... 94 APÊNDICES ....................................................................................................................... 97 APÊNDICE A. Base da estrutura.................................................................................. 97 APÊNDICE B. Pórtico.................................................................................................. 97 APÊNDICE C. Carros .................................................................................................. 98 APÊNDICE D. Flanges................................................................................................. 99 APÊNDICE E. Mancais.............................................................................................. 100
  12. 12. APÊNDICE F. Mesa X............................................................................................... 101 APÊNDICE G. Mesa Y .............................................................................................. 101 APÊNDICE H. Suporte Retífica Baixo ....................................................................... 102 APÊNDICE I. Suporte Retífica Cima.......................................................................... 102 APÊNDICE J. Buchas de deslizamento....................................................................... 103 APÊNDICE K. Buchas Rosca M14-MA..................................................................... 103 APÊNDICE L. Layer para confecção da Placa Controladora....................................... 104 APÊNDICE M. Máscara da Placa Controladora.......................................................... 104 APÊNDICE N. Layer Bottom para confecção da Placa Driver .................................... 105 APÊNDICE O. Layer Top para confecção da Placa Driver ......................................... 105 APÊNDICE P. Máscara da Placa Driver..................................................................... 106 APÊNDICE Q. Layer para confecção da Placa Sensor................................................ 106 APÊNDICE R. Máscara da Placa Sensor .................................................................... 106 APÊNDICE S. Layer para confecção da Placa Relé.................................................... 107 APÊNDICE T. Máscara da Placa Relé........................................................................ 107 APÊNDICE U. Layer para confecção da Placa Reguladora......................................... 107 APÊNDICE V. Máscara da Placa Reguladora............................................................. 108
  13. 13. 13 1 INTRODUÇÃO A utilização de placas de circuito impresso como suporte aos circuitos eletrônicos trouxeram diversas vantagens para a área da eletrônica, como o baixo peso e volume, monta- gem simplificada e organizada, mais robusta e resistente a vibrações, entre outras. O termo circuito impresso refere-se ao desenho, conhecido como layout, que fica es- tampado na placa de face metalizada colocada sobre um material isolante rígido, geralmente é empregado fibra de vidro ou fenolite, substituindo a fiação de interligação dos componentes eletroeletrônicos do circuito através de trilhas com seus devidos dimensionamentos. O dimen- sionamento das trilhas é realizado pelo projetista do circuito e o desenho por aplicativos espe- cíficos, cita-se alguns como Eagle, OrCAD, Tango, Circuit Maker, etc. Atualmente a confecção das placas de circuito impresso em ambientes acadêmicos e por hobistas para criação de protótipos é feita de maneira manual utilizando tinta permanente e um processo de corrosão por Percloreto de Ferro. Seja qual o método de desenho do circuito utilizado, todos demandam alguns passos para sua confecção, salvo pequenas variações, são eles: • Corte da placa no tamanho específico; • Limpeza da placa; • Traçagem do circuito desejado; • Corrosão; • Furação; • Limpeza final. Este trabalho manual necessita de inúmeros equipamentos dependendo do método adotado como foto cópia do circuito, carbono, papel especial, caneta para retroprojetor, im- pressora laser, ferro de passar roupa ou pressa térmica, além de requerer certa habilidade do desenvolvedor do projeto, pois repassar o circuito desenvolvido nos aplicativos de desenho específicos com precisão e rapidez é onde se encontram as maiores dificuldades técnicas. A parte do processo onde certamente poderão ocorrer mais falhas e inconvenientes é a corrosão, pois o processo químico é demorado, perigoso e quase sempre a espessura original da trilha é adulterada, comprometendo o funcionamento do circuito. Com base nessas dificuldades propõe-se o desenvolvimento de um sistema (hardwa- re/software) para a confecção automatizada de protótipos de circuitos impressos.
  14. 14. 14 O sistema consiste em uma máquina baseada no conceito de controle numérico com- putadorizado (CNC). O uso de CNC é uma forma de automação para o problema que traz vantagens, como a repetibilidade e precisão na confecção dos protótipos, privando o trabalha- dor de atividades desgastantes. Um equipamento para estes fins possui valor de mercado da ordem de mais de U$ 6.000,00. O presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma fresadora automatizada para a confecção de placas de circuito impresso. A estrutura mecânica será baseada em uma estrutu- ra metálica com movimentação em três eixos (X, Y e Z), a movimentação destes eixos será feita partir de motores de passo. Estes serão controlados por um microcontrolador que recebe- rá de um microcomputador os devidos dados das trilhas a serem desgastadas, via uma interfa- ce de comunicação USB. O controle será realizado através de um software a ser implementa- do especificamente para este fim. Este tipo de equipamento não é uma novidade e já foi desenvolvido em vários ambien- tes acadêmicos, como exemplo cita-se o Projeto da USP visto na Figura 1. Figura 1 - Mini Fresa CNC construída por alunos de Engenharia Mecatrônica da USP Fonte: Bardelli, 2012 Outro fator importante para a escolha do projeto vem do seu caráter multidisciplinar, aplicando conhecimentos adquiridos ao longo da graduação em Engenharia da Computação, consolidando-os, propiciando a oportunidade de desenvolver e aprimorar a capacidade de coletar várias informações, sintetizando-as no desenvolvimento de um produto ou solução para um problema.
  15. 15. 15 2 OBJETIVOS Para que a proposta deste trabalho seja atendida deve se atentar para os objetivos apre- sentados abaixo. 2.1 Objetivo geral Desenvolver um sistema automatizado de baixo custo para prototipagem de placas de circuito impresso. 2.2 Objetivos específicos Pesquisar e desenvolver as ferramentas de hardware e software para o sistema propos- to. I. Software • Desenvolver um aplicativo de controle via interface USB do microcomputador; • Implementar rotinas de tratamento de formato de arquivos padrões para manufatura de circuitos impressos, exemplo: Gerber; • Implementar firmware com funções de posicionamento dos eixos, acionamento dos motores de passo, leitura dos sensores ópticos e acionamento da micro retífica. II. Hardware • Construir a estrutura mecânica do sistema; • Desenvolver um circuito microcontrolador, circuitos de acionamento dos motores, cir- cuitos dos sensores e circuito de acionamento da micro retífica; • Desenvolver os demais circuitos necessários para o funcionamento dos circuitos prin- cipais.
  16. 16. 16 3 REFERENCIAL TEÓRICO Para desenvolver este projeto se faz necessário o estudo de vários assuntos, cada um possuindo diferentes soluções e características para atender as necessidades do projeto. Tais características devem ser ponderadas para se chegar a uma solução final. Os itens seguintes contextualizam o funcionamento básico de uma máquina-ferramenta CNC, na qual se baseia o projeto, bem como alguns conceitos para o entendimento do processo. 3.1 Tecnologia CNC Computer Numeric Control (CNC), que em português significa Controle Numérico Computadorizado, surgiu em uma pequena empresa chamada "Parsons Corporation" que produzia hélices e rotores de helicóptero. Em 1947 desenvolveu uma forma simples de reali- zar o controle de uma maquina de usinagem através de números, ligando-a a um microcompu- tador onde eram inseridas instruções através de cartões perfurados. Com a divulgação do projeto a força aérea americana visualizou que a fabricação de materiais bélicos poderia ter grande avanço utilizando tal tecnologia e contratou a Parsons, patrocinando estudos e adaptações de controle numérico para máquina-ferramenta convencio- nal. Assim foi criado o primeiro protótipo de uma máquina que utilizava tecnologia CNC a- presentado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 1953 (Henry Dan Falk, 2003). A fresadora CNC possui as mesmas características de uma convencional, porém ela possui um controlador numérico que realiza o controle da máquina. O controle é realizado simultaneamente entre os eixos da máquina por códigos específicos escritos em um arquivo de computador. Na estrutura desses arquivos encontramos um sistema de coordenadas cartesi- anas para elaboração de qualquer perfil geométrico (Silva, 2005). Graças à tecnologia CNC, foi possível produzir peças de extrema complexidade e grande precisão, principalmente quando associados a aplicativos específicos para o projeto do layout de peças (Silva, 2005). 3.2 Trabalhos relacionados Trento e Pilato (2010) apresentam o desenvolvimento de uma fresadora de baixo cus- to, comparadas a soluções de mercado, com a finalidade de Prototipagem de placas de circuito impresso. No projeto proposto foi desenvolvida uma interface microcontrolada que recebe informações de um arquivo G-Code diretamente de um pen drive.
  17. 17. Filho (2008) realizou um estudo sobre Controle Numérico, conceitos fundamentais sobre o Comando Numérico bem como características técnicas dos motores de passo, servo motores e controle para uma mesa de coordenadas para aplicações com pressos, polimerização a laser e Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pa so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocid de dos motores, capacidade de armazenagem para configurações diversas dos equipamentos, capacidade de armazenar comandos manuais, possibilitando a programa gem. 3.3 Produtos existentes no mercado Existem diversos tipos de alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde si vam de analise ao projeto a ser de • Fresadora LPKF ProtoMat S103 AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a mostra o produto: Figura Fonte A Tabela 1 apresenta as principais especificações do produto Tabela Área de trabalho (X / Y / Z) Interface de comunicação Resolução Velocidade de fresamento Filho (2008) realizou um estudo sobre Controle Numérico, onde são abordados os conceitos fundamentais sobre o Comando Numérico bem como características técnicas dos motores de passo, servo motores e encoders. Em seu projeto foi desenvolvido um sistema de controle para uma mesa de coordenadas para aplicações como a confecção de circuitos i pressos, polimerização a laser e corte de chapas a água. Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pa so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocid de dos motores, capacidade de armazenagem para configurações diversas dos equipamentos, capacidade de armazenar comandos manuais, possibilitando a programação por aprendiz Produtos existentes no mercado Existem diversos tipos de máquina-ferramenta CNC, os itens subsequentes mostram alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde si vam de analise ao projeto a ser desenvolvido. Fresadora LPKF ProtoMat S103 - produzida pela empresa PKF Laser & Electronics AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a Figura 2 - Fresadora LPKF ProtoMat S103 Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012 as principais especificações do produto: Tabela 1 - Especificações LPKF ProtoMat S103 Área de trabalho (X / Y / Z) (229 x 305 x 38) Interface de comunicação USB 0.5 Velocidade de fresamento 150 / 17 onde são abordados os conceitos fundamentais sobre o Comando Numérico bem como características técnicas dos . Em seu projeto foi desenvolvido um sistema de o a confecção de circuitos im- Cristo (2009) desenvolveu uma metodologia que realiza o controle de motores de pas- so via porta paralela de um microcomputador para ser utilizada em processos de automação. O projeto desenvolvido obteve resultados importantes como precisão no controle da velocida- de dos motores, capacidade de armazenagem para configurações diversas dos equipamentos, ção por aprendiza- CNC, os itens subsequentes mostram alguns exemplos destes equipamentos bem como suas características para que mais tarde sir- roduzida pela empresa PKF Laser & Electronics AG e criada para a produção de protótipos de placas de circuito impresso, a Figura 2
  18. 18. 18 Velocidade do motor 0-100000 Potência do motor 450 Diâmetro da broca 1/8” Alimentação 90/240 Preço US$25.000,00 Fonte: LPKF Laser & Electronics Ag, 2012 • Fresadora SHG0404 CNC Router - produzida pela empresa chinesa Exciteche criada para corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 3 mostra o produto: Figura 3 - Fresadora SHG0404 CNC Router Fonte: Excitech, 2012 A Tabela 2 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 2 - Especificações SHG0404 CNC Router Área de trabalho (X / Y / Z) (400 x 400 x 100) Interface de comunicação USB Resolução < 0.01 Velocidade de fresamento 300 / Velocidade do motor 6000-24000 Potência do motor 800 Peso 150 Alimentação 220 Preço US$12.000,00 Fonte: Excitech, 2012 • Fresadora IEC 3030 - produzida pela empresa IEHK Laser and CNC Systems Co. Ltd. criada para o roteamento e perfuração de placas de circuito impresso e também para usinagem de materiais macios corte e usinagem em 2D e 3D, a Figura 4 mostra o pro- duto:
  19. 19. 19 Figura 4 - Fresadora IEC 3030 Fonte: ICHK, 2012 A Tabela 3 apresenta as principais especificações do produto: Tabela 3 - Especificações IEC 3030 Área de trabalho (X / Y / Z) (300 x 300 x 100) Interface de comunicação Porta paralela (LTP) Resolução 0.01 Velocidade de fresamento 1000 / Velocidade do motor 0-20000 Potência do motor 800 Alimentação 220 Preço US$6.200,00 Fonte: ICHK, 2012 3.4 Aspectos mecânicos Assim como é importante definirmos os objetivos da nossa fresadora também é preci- so estar atento aos aspectos mecânicos envolvidos na concepção projeto. Este capítulo aborda alguns dos aspectos mais importantes para o desenvolvimento do projeto. 3.4.1 Forças de usinagem Primeiramente deve-se estimar as forces de usinagem, feito isso é possível estimar qual será a velocidade de avanço, rotação da ferramenta, tipo de corte e a rigidez da estrutura a ser usada, estruturas pouco rígidas tendem a se deformar e consequentemente afetam a pre- cisão da máquina (Bardelli, 2005). É com base nos parâmetros de corte que serão ajustados os parâmetros que definem a rigidez que a estrutura necessita, são eles (Santos, 2003): • Rotação da ferramenta; • Diâmetro da ferramenta; • Velocidade de avanço;
  20. 20. 20 • Velocidade de corte; • Tipo de corte. 3.4.2 Estrutura A escolha da estrutura da máquina deve ser realizada de maneira a ser o mais rígida possível e com o menor peso, sendo capaz de suportar os esforços exigidos durante o processo de fresagem. Outro fator importante a se considerar refere-se à geometria da máquina que deve privilegiar o movimento de menores massas garantindo maiores velocidades de deslo- camento e menores vibrações (Bardelli, 2005). Idealmente uma máquina precisa ser projetada de forma que a estrutura atenda no mí- nimo os seguintes critérios (Santos, 2003): • Rigidez da estrutura deve ser elevada, se possível em sistema estrutural monobloco; • Elevada precisão nos deslocamentos; • Peso reduzido; • Partes móveis com menos peso; • Alta capacidade de amortecimento; • Estabilidade térmica da estrutura. 3.4.3 Transmissão dos movimentos Os elementos desta categoria influenciam diretamente na precisão dos movimentos do conjunto do equipamento. Quanto aos tipos de elementos, encontram-se máquinas que possu- em transmissão através de fuso de esfera de alta precisão, máquinas com elementos de trans- missão por correias planas ou dentadas que ficam acopladas ao eixo do motor e também exis- tem outras que utilizam barras roscadas padrão M ou cremalheiras de medição (Bardelli, 2005). 3.4.4 Tipos de motores Atualmente uma máquina-ferramenta CNC pode ser movimentada por diferentes tipos de motores como os motores lineares, motores de corrente contínua com um sensor óptico encoder, servo motores e motores de passo (Bardelli, 2005). Os motores de passo são transdutores que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos denominados passos estes motores oferecem vantagens em relação aos outros tipos quando se deseja construir uma máquina de baixo custo, facilidade para implementar o con-
  21. 21. 21 trole, além de serem mais baratos. Porém, nessa categoria de motores, existem algumas des- vantagens como velocidade limitada e a indução de vibrações (Stoeterau, 2004). 3.4.5 Sistemas de acoplamento A função do sistema de acoplamento é garantir que a força o sentido e a velocidade de rotação entregue pelo motor ao eixo seja transmitido ao sistema de transmissão de um eixo da máquina-ferramenta sem que haja perda ou garantir um mínimo de perda admissível (Bardelli, 2005). A transmissão mecânica do movimento pode ser realizada entre eixos coaxiais (em- breagens, articulações) e não coaxiais (polias e correias ou correntes, rodas de fricção e en- grenagens) (Stoeterau, 2004). Para uma máquina ferramenta CNC que utiliza sistemas de eixos coaxiais, o mais in- dicado é utilizar sistemas de acoplamento elásticos, pois eles permitem uma compensação dos erros de alinhamento dos eixos através de deslocamentos relativos. Já para sistemas não coa- xiais, o mais indicado é a utilização de acoplamentos por correias dentadas e polias (Bardelli, 2005). 3.5 Aspectos eletrônicos Nesta secção é apresentada uma breve abordagem sobre os componentes eletrônicos que realizam a interface entre o aplicativo de controle e o equipamento. 3.5.1 Motor de passo Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que tem como função converter impulsos elétricos em movimentos mecânicos discretos. O eixo de um motor de passo gira em incrementos discretos quando são aplicados comandos de impulsos elétricos na sequência correta de acionamento das suas bobinas. O modo como é feito a aplicação dos impulsos elé- tricos influencia diretamente na rotação dos motores de passo. A sequência dos impulsos de- termina a direção de rotação do eixo do motor. A velocidade de rotação está diretamente rela- cionada com a frequência dos impulsos de entrada e o comprimento da rotação está direta- mente relacionado com o número de impulsos aplicados (Kuo, 1974). As principais vantagens do uso de motores de passo são: • O ângulo de rotação do motor é proporcional ao impulso de entrada. • Quando os enrolamentos estão energizados e o motor está parado o seu torque é total.
  22. 22. 22 • Possuem um posicionamento preciso e boa repetibilidade dos movimentos, uma vez que bons motores de passo têm um erro de precisão de 3 a 5% de um passo para outro e este erro não é acumulativo. • Excelente tempo de resposta para iniciar, parar e reverter. • Vida útil longa, pois não existem escovas de contato no motor. Por conseguinte, a vida útil do motor depende apenas da vida útil do rolamento. • Uma das vantagens mais importantes de um motor de passo é a sua capacidade em ser controlado com precisão por um sistema em malha aberta. Isso significa que nenhuma informação de feedback sobre a sua posição é necessária. Eliminando assim a necessi- dade de dispositivos de detecção e retorno que são caros, como codificadores ópticos. Sua posição é conhecida simplesmente por manter o controle dos impulsos de entrada. • É possível atingir uma velocidade muito baixa de rotação síncrona com uma carga a- coplada diretamente ao eixo do motor. • Uma vasta gama de velocidades de rotação pode ser realizada, pois ela é proporcional à frequência dos impulsos de entrada. Dentre as principais desvantagens dos motores de passo cita-se: • Ressonâncias se não forem devidamente controladas poderão ocorrer. • Não é fácil operar motores de passo em velocidades muito altas (Kenjo, 1986). 3.5.2 Tipos de Motores de Passo Os motores de passo podem ser classificados quanto a sua estrutura de funcionamento por três formas que serão descritas nas subseções a seguir. 3.5.2.1 Relutância variável (V.R.) É o tipo de motor de passo mais antigo. Do ponto de vista estrutural é provavelmente o mais fácil de entender. Este tipo de motor é composto por um rotor de ferro multi dentado e um estator bobinado. Ao energizar as bobinas com corrente contínua os pólos se magnetizam e assim a rotação ocorre pela atração dos dentes do rotor pelos pólos do estator que está ener- gizado (Souza, 2007). A Figura 5 apresenta a seção transversal de um típico motor de relutân- cia variável.
  23. 23. 23 Figura 5 - Seção transversal de um motor de passo V.R. Fonte: Stepper Motor Basics, 2012 3.5.2.2 Ímã permanente (P.M.) Como o nome sugere motores deste tipo possuem ímãs permanentes adicionados a sua estrutura e são conhecidos por serem de baixo custo e por possuírem ângulos de rotação bai- xos, que estão tipicamente na faixa de 7.5º até 15º. O seu rotor não possui vários dentes como os motores de relutância variável, em vez disso o rotor é magnetizado com a alternância de pólos norte e sul situado numa linha reta paralela ao eixo do rotor. Os pólos magnetizados do rotor proporcionam uma intensidade do fluxo magnético maior e por isso os motores de ímã permanente possuem melhores características de torque quando comparados a motores de relutância variável. Ao energizar as bobinas do motor o rotor irá tentar superar o seu torque de retenção, fazendo com que ele gire até que fique alinhado com o campo magnético no estator. Para que o motor gire, é necessário que as bobinas sejam alimentadas em uma sequên- cia correta e também é possível obter o controle de velocidade e rotação (Cunha, 1983). A Figura 6 apresenta o princípio de funcionamento da estrutura de um motor de passo ímã per- manente. Figura 6 - Rotor de um motor de passo P.M. Fonte: Stepper Motor Basics, 2012
  24. 24. 24 3.5.2.3 Motores Híbridos Este tipo de motor de passo, Figura 7, possui um custo mais elevado quando compara- dos aos outros dois tipos já descritos, porém, oferece desempenho superior com relação ao torque, velocidade e resolução (ângulos de rotação na faixa entre 0.9º a 3.6º) é de longe o mais utilizado em aplicações industriais. O termo híbrido é proveniente do fato de que o mo- tor combina as melhores características operacionais de ambos os tipos de motores de passo já descritos anteriormente. O rotor é multi dentado como o motor de relutância variável e con- tém um ímã magnetizado axialmente concêntrico em torno do seu eixo (Cunha, 1983). A for- ma como é construída a estrutura do estator de um motor hibrido é essencialmente a mesma que a de um motor V.R., porém, a diferença entre eles é que no motor híbrido existem duas fases por bobina no mesmo pólo, conhecida como conexão bifilar, enquanto em um motor V.R. há somente uma fase por bobina em um pólo (Kenjo, 1986). Figura 7 - Seção transversal de um motor de passo híbrido. Fonte: Stepper Motor Basics, 2012 A principal característica deste motor são as duas peças de pólo multi dentadas presen- tes na estrutura de seu rotor. Entre elas há um ímã permanentemente magnetizado em paralelo com o eixo do rotor, criando em uma das extremidades do rotor um pólo norte e na outra ex- tremidade um pólo sul. Existe uma defasagem nas extremidades sul e norte entre os dentes presentes no rotor como mostra a Figura 8 (Souza, 2007). Figura 8 - Rotor de um motor de passo híbrido Fonte: Kenjo, 1986 3.5.2.4 Modos de Operação dos Enrolamentos O modo como é realizada a operação de alimentação das bobinas em um motor de passo pode ser feita de duas formas, que serão discutidas nas subseções a seguir.
  25. 25. 25 3.5.2.4.1 Alimentação Unipolar Facilmente de serem identificados pelo fato de possuírem uma derivação central em cada uma das bobinas, assim, o número de fases será sempre o dobro do número de bobinas, pois cada bobina encontra-se dividida em duas. A Figura 9 apresenta a estrutura de um motor de passo com acionamento unipolar de quatro fases. Figura 9 - Motor de passo unipolar. Fonte: Laboratório de garagem, 2012 Geralmente, a derivação no centro de cada enrolamento é ligada ao positivo da fonte de alimentação, já os extremos de cada enrolamento encontram-se ligados alternadamente à conexão de terra do circuito para que ocorra a inversão da direção do campo magnético gera- do por cada um dos enrolamentos. É mais comum de se encontrar este tipo de acionamento para motores de relutância va- riável, pois o conjugado não depende da direção da corrente nas suas fases. A única vantagem mais relevante em se optar pela utilização da alimentação unipolar é o fato da necessidade de um circuito de chaveamento simplificado (Figura 10), podendo ser implementado facilmente utilizando componentes discretos. Porém a desvantagem mais evi- dente é devida ao fato da presença do enrolamento bifilar duplo. Isto significa que em alguns tipos de bobinas o diâmetro da espira pode ser muito fino tornando a resistência muito alta, podendo haver assim elevadas perdas de energia em motores maiores (Hopkins, 2012). Figura 10 - Configuração motor de passo unipolar Fonte: Hopkins, 2012
  26. 26. 26 3.5.2.4.2 Alimentação Bipolar Desvantagem em utilizar o acionamento unipolar é o devido fato de não ser possível utilizar todas as bobinas do motor. O fluxo de corrente sempre ocorrera em apenas metade de cada enrolamento. Se ao invés disso, ambas as partes do enrolamento forem utilizadas, deduz- se então que irá ocorrer um aumento da corrente que percorre a bobina gerando a mesma dis- sipação de energia produzida pelo modo unipolar, tais características iram elevar o conjugado produzido pelo motor. Este tipo de acionamento que possibilita tal feito é chamado de acio- namento bipolar. O termo advém do fato em que a corrente que percorre as bobinas pode ser revertida através da alternância da polaridade em seus terminais (Hopkins, 2012). Os motores bipolares (Figura 11) são formados por dois enrolamentos separados, estes devem ser alimentados com o fluxo de corrente em direções opostas para permitir o avanço do passo. Para que seja feito, os motores que possuem este modo de operação devem possuir um controlador capaz de inverter a polaridade da tensão nos enrolamentos seguindo uma sequên- cia própria de alimentação dos seus terminais para cada tipo de motor, procedimento que é obtido através de um circuito Ponte H, como mostra a Figura 12. Neste circuito, a inversão da corrente se dá pelo fechamento e abertura dos transistores, que funcionam como chaves, de forma apropriada. Para realizar o acionamento das duas bobinas presentes no motor, é preciso que haja dois deste circuito (Hopkins, 2012). Figura 11 - Motor de passo bipolar Fonte: Laboratório de garagem, 2012 Figura 12 - Esquema circuito Ponte H Fonte: Hopkins, 2012
  27. 27. 27 Conclui-se que a vantagem do circuito bipolar é que há apenas um enrolamento, com baixo valor da resistência do enrolamento. A principal desvantagem é o circuito de aciona- mento mais complexo, este necessita de dois comutadores para cada fase. Isto é conseguido através de um circuito conhecido como ponte-H completo para cada fase, necessariamente requerendo mais transistores que a configuração unipolar. O circuito unipolar necessita apenas de um comutador, implementado com dois tran- sistores para o GND, para cada fase. Sua maior desvantagem, contudo, que um enrolamento bifilar duplo é necessário. Isto significa que, área da secção é menor e a resistência é muito maior. As dificuldades vão ser discutidas neste trabalho. Motores unipolares ainda hoje são populares para aplicações de baixo desempenho, pois o circuito de acionamento é mais simples podendo facilmente ser implementado com dispositivos discretos. No entanto, com os circuitos integrados disponíveis hoje em dia, é pos- sível desenvolver controladores de motores bipolares com poucos componentes, assim como os motores unipolares. 3.5.2.5 Modos de Acionamento Seja qual for o tipo de alimentação a ser utilizado, o acionamento das bobinas de um motor de passo pode ser realizado por quatro tipos distintos, que serão apresentados a seguir. 3.5.2.5.1 Passo completo de única excitação por fase Neste modo de operação apenas uma fase do motor é energizada por vez, fazendo com que a posição de equilíbrio de cada fase seja comum à posição de equilíbrio dos ímãs. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada Figura 13. Nota-se que para esta sequência o rotor gira no sentido anti-horário, para a reversão basta apenas inverter a sequência, esta informação também é valida para os todos os modos que serão descritos a seguir. (Hopkins, 2012). Figura 13 - Sequência para passo completo de única excitação por fase Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo.
  28. 28. 28 Sua principal vantagem é o fato deste modo de acionamento consumir menos energia que os outros tipos, porém, sua desvantagem é que para motores unipolares apenas 25% do total de enrolamentos são utilizados em um dado instante de tempo e para motores bipolares apenas 50%, o que resulta em uma menor produção de torque. Outro problema grave é a pos- sibilidade da existência de ressonância quando o motor estiver em baixas velocidades. 3.5.2.5.2 Passo completo com excitação de duas fases Este tipo de acionamento ocorrerá quando duas fases forem alimentadas em um mes- mo instante. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a Figura 14. . O tamanho do deslocamento do passo é o mesmo que no modo descrito anteriormen- te, porém, a posição mecânica não é a mesma. Esta posição é deslocada de metade de um pas- so completo, conforme a Figura 14 (Kenjo, 1986). Figura 14 - Sequência para passo completo com excitação de duas fases Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo A principal vantagem deste modo de acionamento está relacionada ao bom torque pro- duzido e apresenta baixa ressonância quando o motor estiver em baixa velocidade. O torque prove aproximadamente 30 a 40% mais que a excitação única, em contrapartida, será requeri- do o dobro de potência da fonte (Kenjo, 1986). 3.5.2.5.3 Meio passo Pode ser obtido através de uma combinação dos modos descritos anteriormente ope- rando-os de forma alternada, como resultados tem-se o deslocamento do passo reduzido a metade de um passo completo. A resolução do total de passos do motor dobra, porém o torque deixa de ser uniforme para cada passo. Devido à operação de forma alternada dos modos de única excitação e dupla excitação. Para que o motor gire passo por passo é preciso que seja aplicada uma tensão de alimentação nas fases na forma sequencial apresentada conforme a
  29. 29. 29 Figura 15, que agora passa a possuir oito passos, e não quatro como nos modos descritos ante- riormente. Figura 15 - Sequência para o modo de meio passo Fonte: Tutorial sobre motores passo a passo Uma observação importante a se fazer sobre os diagramas dos modos de acionamento apresentados é que o termo ON e OFF se referem a motores de passo unipolares, e os símbo- los + e - se referem a motores de passo bipolares. 3.5.2.5.4 Micropasso Outra forma de realizar o acionamento dos motores de passo é pelo modo de micro- passo. Como visto anteriormente, ao energizar as duas fases de um motor com correntes i- guais são obtidas posições intermediárias localizadas exatamente na metade das posições quando há uma única fase acionada, obtendo o deslocamento de meio passo. Caso sejam apli- cadas correntes diferentes nas duas fases, é de se esperar que a posição do rotor desloque em direção ao pólo mais forte. Tal feito é utilizado no modo de acionamento denominado micro-
  30. 30. 30 passo, que basicamente subdivide o passo completo do motor em uma escala proporcional à corrente presente nas duas bobinas. Desta forma, o deslocamento do passo será menor e quando o motor estiver em baixas velocidades à suavidade dos movimentos será melhorada. Tal técnica é recente e requer cuidados no projeto. Um micropasso preciso aumenta a exigência de precisão de controle da corrente no motor, particularmente com baixos níveis de corrente. Um pequeno desequilíbrio de fase, que geralmente não produz grandes influências quando o motor está operando no modo de meio passo, poderá produzir graves erros de posi- cionamento quando utilizado o modo de micropasso (Tecnologia eletromecânica, 2006). 3.5.3 Controle de corrente Em um motor de passo, a corrente do motor é determinada principalmente pela tensão de acionamento e a impedância do motor (resistência e indutância). Uma topologia de acio- namento simples e popular é feita através do fornecimento de tensão necessária, utilizando a resistência interna (RL) do enrolamento para limitar a corrente. Para simplificar, o único FET na Figura 16, Figura 18 e Figura 19 representam tanto o FET quanto um diodo para motores unipolares ou uma combinação de duas chaves diagonais de uma Ponte H completa para o acionamento de motor de passo bipolar. Em um motor típico com 5V e 1A sobre cada uma de suas bobinas significa que, com um acionamento de 5V a corrente resultante será de 1A, o que corresponde a ter uma resistência da bobina 5Ω (Hopkins, 2012). Figura 16 - Drive L/R Fonte: Hopkins, 2012 Como já foi discutido anteriormente, o torque do motor é, dentre outros fatores, pro- porcional à corrente nos enrolamentos. Na sequência de passo full-step, o motor altera a pola- ridade da corrente no enrolamento no mesmo enrolamento do estator de dois em dois passos. A taxa em que ocorrem as mudanças de direção da corrente, sob a forma de uma função ex-
  31. 31. 31 ponencial, dependem da indutância do enrolamento, da resistência da bobina e da tensão de acionamento. A Figura 17(A) mostra que a uma baixa taxa de passo a corrente no enrolamen- to IL atinge o seu valor nominal VL/RL antes da direção ser alterada para o passo seguinte. No entanto, em velocidades mais elevadas, a polaridade da corrente no estator é alterada a uma maior frequência e a corrente já não atinge o seu valor de saturação por causa do tempo de mudança limitado. Claramente, o pico e a área sob a forma de onda da corrente diminuem com o aumento da taxa de passo, reduzindo assim o torque e a potência. Como pode ser visto na Figura 17(B) (Hopkins, 2012). Figura 17 - Pico da corrente no enrolamento, limitada pela indutância do motor Fonte: Hopkins, 2012 A única maneira de fazer a corrente subir mais rapidamente é ter uma tensão de acio- namento mais elevada ou ter uma menor indutância. Um método utilizado para obter o melhor desempenho é aumentar a tensão de excitação e utilizar uma resistência externa para limitar a corrente para o valor nominal do motor de passo, como mostrado na Figura 18. . A constante de tempo exponencial é L/R de modo que aumentando a resistência di- minui-se o tempo de subida da corrente. Uma vez que a corrente assintótica é definida pela resistência interna das bobinas, a constante de tempo e a corrente podem ser ajustadas através da seleção da tensão de acionamento e da resistência externa. Esta topologia é referenciada como acionamento L/nR, e foi comummente utilizada nas primeiras impressoras. A sua des- vantagem é a dissipação de energia na resistência externa. Por exemplo, para um motor de corrente nominal de 1A a dissipação na resistência externa é de cerca de 20W (Hopkins, 2012).
  32. 32. 32 Figura 18 - Topologia de acionamento L/nR Fonte: Hopkins, 2012 Necessariamente precisamos de um circuito de acionamento com baixa dissipação que proporcione rápidos tempos de subida com uma tensão de acionamento mais elevada e que limite a corrente para o valor desejado, sem a dissipação elevada associada com a resistência externa como na configuração de acionamento L/nR. Tal acionamento pode ser implementado utilizando técnicas de comutação como mostrado na Figura 19. Figura 19 - Modo de acionamento por comutação Fonte: Hopkins, 2012 Nesta topologia, a corrente de pico é definida pela tensão de referência e o valor da re- sistência de detecção, de modo que a cada vez que a corrente atinja o valor de pico definido, a chave é desativada para o restante do período. As perdas nesta técnica são somente a perda pela saturação do comutador, na resistência de detecção da corrente e na resistência da bobi- na, proporcionando um rendimento total bastante elevado. A corrente média recebida da fonte de alimentação é menor que a corrente no enrola- mento, devido ao corte. Quando o transistor está ligado, a corrente é fornecida pela fonte de alimentação, no entanto, quando o transistor está desligado a corrente recirculante é local e não há corrente fornecida pela fonte de alimentação.
  33. 33. 33 Este tipo de controle de corrente de fase deve ser feito separadamente para cada fase do motor, levando a melhor relação entre a energia elétrica fornecida e a energia mecânica emitida pelos motores. A Figura 20 compara, para um motor híbrido, o tempo de subida da corrente para as três topologias de acionamento. O acionamento L/R utiliza a tensão nominal do motor, o a- cionamento L/nR utiliza uma tensão cinco vezes a tensão nominal do motor e um resistor ex- terno igual a quatro vezes a resistência do enrolamento e para o modo de acionamento por comutação foi utilizada uma tensão de alimentação cinco vezes a tensão nominal do motor com a corrente de pico definida para a tensão nominal do motor dividido pela resistência do enrolamento, resultando em 1A. Em todos os casos, a corrente final atinge 1A, porém, a Figu- ra 20 mostra claramente que o tempo de subida é mais rápido nos modos de acionamento com tensão mais elevada. Este aumento mais rápido melhora significativamente o torque em taxas de passo mais elevadas. Figura 20 - Formas de onda da corrente para os modos de acionamento Fonte: Hopkins, 2012 3.5.4 Microcontroladores Microcontroladores são circuitos integrados que podem ser programados para executar tarefas específicas, são constituídos de um microprocessador, memórias e uma variedade de periféricos, dependendo do modelo escolhido. Entre os vários fabricantes de microcontrolado- res existentes, os mais conhecidos são, Atmel, Freescale, Intel, Microchip e Texas Instru- ments. Dentre os diversos fabricantes citados acima, no mercado nacional os microcontrola- dores PIC (Programmable Interface Controller), fabricados pela Microchip Technology, estão disponíveis com facilidade e baixo custo em uma ampla gama de modelos que se diferenciam
  34. 34. 34 pela sua arquitetura, número de portas, tamanho de memória, tanto memória de dados (RAM) quanto memória de programa (ROM), periféricos, entre outros, à Tabela 4 mostra uma peque- na comparação entre PICs com arquitetura de 8, 16 e 32 bits (PREDKO, 1998). Tabela 4 - Comparação entre algumas características de microcontroladores PIC Arquitetura Linhas Memória de programa Frequência de clock Desempenho (frequência máxi- ma) 8 bits Baseline (instruções de 12 bits) 3 kB 20 MHz 5 MIPS MidRange (instruções de 14 bits) 14 kB 20 MHz 5 MIPS High Performance (PIC18F) 128 kB 64 MHz 16 MIPS 16 bits PIC24F/PIC24H 256 kB 80 MHz 40 MIPS dsPIC30F/dsPIC33F 256 kB 160 MHz 40 MIPS 32 bits PIC32MX 512 kB 72 MHz 1,5 DMIPS/MHz Fonte: Saber Eletrônica, 2008 Os microcontroladores PIC suportam programas que utilizem tanto linguagem de má- quina (Assembly), ou também linguagens de alto nível, como C, C++ através do uso de com- piladores. (Pereira, 2010). O microcontrolador será empregado para realizar o controle dos motores de passo, a- nálise dos sensores e entrada de dados via USB, assim, o modelo adotado deverá possuir um número mínimo de portas, reconhecimento de interrupções, modo de entrada de dados USB além de uma boa capacidade de processamento. Atendendo a todas estas especificações al- guns modelos de microcontrolador da família PIC podem ser adotados: PIC18F2550 e PIC18F4550, a Tabela 5 apresenta uma comparação entre as características destes dois micro- controladores. Tabela 5 - Comparação entre microcontroladores PIC Característica PIC18F2550 PIC18F4550 Número de pinos 28 40 Memória de programa 32 kB 32 kB Memória RAM 2048 B 2048 B Velocidade CPU 12 MIPS 12 MIPS Preço de mercado R$18,98 R$20,89 Fonte: Microchip Technology Inc., 2013 3.5.5 Universal Serial Bus (USB) Idealizado em 1995 por empresas de tecnologia, o padrão USB permite que existam até 127 equipamentos ligados a um computador através de hubs.
  35. 35. 35 Atualmente a maioria dos equipamentos possui integrados a si um módulo de comuni- cação USB que se caracteriza pela facilidade de sua utilização, confiabilidade na transmissão de dados, ótima velocidade de comunicação, versatilidade que a interface proporciona, padrão de conexão Plug and Play (PnP), ou seja, é possível que um dispositivo se conecte a um com- putador sem que haja uma fonte de alimentação externa. Tais vantagens fazem com que a instalação de periféricos que utilizem o padrão USB possa ser realizada por profissionais ou leigos. Porém esta simplicidade existente para os usuários destes equipamentos não é a mes- ma para o seu desenvolvedor, como é visto a seguir, onde são apresentadas as características técnicas mais relevantes para a utilização do padrão USB (USB - Universal Serial Bus, 2007). Três módulos fazem parte de um sistema de comunicação USB: interconexão, disposi- tivo e o host. O barramento USB é o responsável por conectar os dispositivos que suportam este pa- drão. Internamente a interconexão entre os periféricos é realizada por uma topologia estrela, disposta em níveis por camada. Um conector, chamado de hub, é o centro de cada estrela. Para cada sistema USB e- xiste apenas um host. A implementação de seu controlador é realizada utilizando uma combi- nação entre hardware e software. Existem dispositivos USB do tipo Hub, utilizado como distribuidor extra para pontos de acesso à rede USB, e o tipo Funções, que disponibilizam novos recursos ao sistema, como exemplo, games, impressoras, máquinas fotográficas, etc. (Universal Serial Bus Specification, 1998). A Figura 21 apresenta a topologia USB. Figura 21 - Topologia USB Fonte: Universal Serial Bus Specification, 1998
  36. 36. 36 Existem duas maneiras de se alimentar eletricamente um periférico USB, que são: • Bus-powered, o barramento USB é quem alimenta o periférico; • Self-powered, o periférico possui alimentação externa. O Host é o responsável pelo início e o controle das transações no barramento USB. As transações realizadas possuem até três pacotes, sendo que, a transação só irá iniciar quando o host enviar um pacote que descreva o tipo e a direção da transação, o devido endereço do pe- riférico e o número de ponto final (do inglês, endpoint) (Universal Serial Bus Specification, 1998). Não existe uma única forma de transferência, a especificação USB permite quatro ti- pos de transferências, que são: • Controle (do inglês, Control) - usado para configurar e enviar comandos, por exemplo, da enumeração do dispositivo, adiante vamos ver o que é isso. • Bloco (do inglês, Bulk) - utilizado quando se é necessário uma grande transferência de dados, é o tipo mais rápido de transferência, no entanto, não existe garantia de que os dados serão transmitidos em um determinado tempo, possui latência insegura. Este ti- po de transferência é utilizado por dispositivos como discos rígidos, pen drivers, scan- ners, impressoras, etc. • Assíncrona (do inglês, Isochronous) - utilizada quando é necessário haver uma trans- ferência de dados em tempo real como na transferência de dados que envolvam voz. • Interrupção (do inglês, Interrupt) - realiza a comunicação entre o periférico e o host em um determinado tempo síncrono. Os dispositivos USB podem utilizar mais de um modo de transferência, porém o modo Control é utilizado sempre por todos os dispositivos no processo de enumeração. Ao se conectar um periférico ao barramento USB o host imediatamente o detectará, ao ser detectado é necessário fornecer ao host algumas informações sobre o dispositivo, a este processo se da o nome de enumeração. Tais informações estão contidas nos chamados descri- tores do dispositivo, onde ficam armazenados dados em sua memória não volátil que incluem a seguintes informações: a identificação do fornecedor (VID) e do produto (PID), o consumo de corrente do dispositivo, o tipo de transferência utilizado, endpoint utilizado, USB versão suportada, classe usada, etc. O VID (Vendor ID) e PID (Product ID) são dois valores de 16 bits hexadecimais.
  37. 37. 37 O protocolo USB provê algumas classes que descrevem o estado ou comportamento de seus objetos, elas proveem propriedades e métodos que são reutilizados pelos objetos pre- sentes nas classes e que podem ser utilizadas por dispositivos que tenham características se- melhantes. Informações mais precisas sobre as classes podem ser encontradas no site oficial do protocolo (http://www.usb.org/developers/defined_class). A seguir será feita uma breve explicação sobre as classes mais utilizadas, são elas: • HID (Human Interface Device) - exemplos de dispositivos que usam essa classe são: teclado, mouse, tela sensível ao toque, joystick, etc. Sua velocidade máxima é relati- vamente baixa, os tipos de transferência suportados por esta classe são: controle e in- terrupção. Uma característica interessante ao utilizar esta classe é que o desenvolvedor não precisa instalar um driver específico para o sistema operacional, pois se pode uti- lizar um padrão que já está incluído no sistema. • MSD (Mass Storage Device Class) - como o próprio nome sugere, é geralmente utili- zada para dispositivos de armazenamento de dados, como discos rígidos, pen drives, câmeras digitais, gravadores de CD e DVD, etc. Esta classe pode ser usada apenas em dispositivos que suportam alta velocidade. Os tipos de transferência em bloco, por in- terrupção e de controle podem ser utilizados em conjunto. Assim como a classe HID, ela também não necessita que se instale um driver específico, podendo ser utilizados drivers genéricos já instalados nos sistemas operacionais. • CDC (Communications Device Class) - facilmente encontrada em dispositivos de co- municação de dados, como modems. As transferências suportadas são: de controle, in- terrupção e em bloco. Também possui um driver padrão incluído nos sistemas opera- cionais. Ao utilizar esta classe para desenvolver softwares que controlam dispositivos, será criada uma porta serial virtual e a comunicação entre software e firmware é reali- zada como se estivesse trabalhando com uma porta serial propriamente dita. Esta é a principal vantagem em utilizar esta classe, pois as linguagens de programação mais u- tilizadas certamente possuem pelo menos uma biblioteca de componentes que permi- tem o fácil acesso à porta serial. • Custom Class - Utilizado quando o dispositivo não se assemelha às características de qualquer uma das classes padrões. Neste caso será preciso projetar um driver especifi- co para o dispositivo, se não, o dispositivo não será reconhecido pelo microcomputa- dor. Projetar um driver partido do zero não é uma tarefa simples, pois exige conheci- mentos tanto da arquitetura do computador quanto do sistema operacional utilizado.
  38. 38. 38 Como qualquer tecnologia existente, o padrão USB também possui seus prós e contras como é apresentado a seguir (USB - Universal Serial Bus, 2007): As suas principais vantagens são: • Dispositivos de fácil conexão e configuração; • Rápida interface; • Taxas de erro de transferência de dados reduzidas; • Versatilidade; • Baixo custo; • Pode ser alimentado pela própria arquitetura, excluído a necessidade de uma fonte de alimentação externa; • Suportado pelos sistemas operacionais mais utilizados atualmente. As suas principais desvantagens são: • Os cabos de interconexão não podem ultrapassar cinco metros de comprimento; • Broadcasting, os dados são enviados pelo host a cada dispositivo de forma individu- almente e não simultaneamente; • A complexidade para desenvolver dispositivos USB é bem maior quando comparados com dispositivos com padrão de comunicação serial. A interconexão de um sistema USB é realizada através de portas padronizadas, que são apresentadas na Figura 22. Figura 22 - Modelos de conectores USB Fonte: Desktop Boards, 2013
  39. 39. 39 3.6 Aplicativos de comando numérico Para que uma máquina-ferramenta CNC se movimente corretamente é necessário que ela seja instruída. São os aplicativos de controle os responsáveis por tais ações a serem toma- das pelo equipamento, indicando como e o que a máquina precisa fazer para realizar o proces- so de usinagem como, por exemplo, qual velocidade deve possuir em determinado instante, qual direção do movimento entre outras ações. Serão apresentados neste item o que vem a ser um programa de comandos numéricos utilizados por máquina-ferramenta CNC bem como alguns exemplos encontrados no mercado, no qual serão baseados os conceitos para o desenvolvimento de um aplicativo próprio. 3.6.1 Programas de comando numérico (CN) A comunicação entre o microcomputador e a máquina ocorre através de códigos, onde é necessário transformar um desenho, ou layout, do projeto em números e letras. A estrutura de um programa CN pode ser definida da seguinte forma (Silva, 2005): • Bloco de sentenças, composto por caracteres de endereçamento e que juntos informam a central de controle as operações a serem executadas; • Caracteres, qualquer símbolo computacional que signifique algo para a central de con- trole, por exemplo, letras, números, símbolos, etc.; • Caracteres de endereçamento, instruções alfabéticas enviadas a central de controle on- de cada uma possui um significado sobre a ação a ser tomada, por exemplo, executar um tipo de movimento; • Palavra, composta por uma letra junto a um valor numérico. Para programas CN comerciais existe um padrão definido pelo sistema ISO a adotado pelos fabricantes de comandos no desenvolvimento de seus aplicativos, chamado linguagem G, ou G-Code. A linguagem G possui algumas normas a serem seguidas de forma rígida onde podem ser desenvolvidos recursos próprios a cada aplicativo, porém devem ser mantidas as funções básicas que jamais poderão ser definidas de maneira diferente da especificada pela ISO (Silva, 2005). Para se utilizar uma máquina CNC, não é necessário que o usuário seja um especialista em G-Code. Existem ferramentas que realizam a conversão de um layout do elemento a ser usinado para a linguagem G, um exemplo típico para este fim seria o Ace Converter que reali- za a conversão de arquivos dxf em G-Code (Silva, 2005).
  40. 40. 40 Atualmente existem diversos softwares que realizam o controle de uma máquina- ferramenta CNC, dentre os mais comuns cita-se o KCAM, MACH 2 e 3, todos estes softwares são pagos, já o EMC2 e o TURBOCNC são disponibilizados gratuitamente. 3.6.2 Padrão Gerber O padrão Gerber é um formato padrão de arquivo utilizado para a manufatura de pla- cas de circuito impresso, na sua estrutura existem informações que descrevem características de como as trilhas do circuito devem ser gravadas na superfície metálica da placa. A versão atualmente utilizada é o Gerber estendido (RS-274X) desenvolvida pela Gerber Systems Corp (Seidle, 2010). O arquivo pode ser gerado através de qualquer software utilizado na criação de layout de placas de circuito impresso através de um processador CAM (Computer-aided manufactu- ring system) normalmente incluso em programas do tipo CAD voltados à PCI, estes softwares têm a função de converter um determinado tipo de arquivo, como um layout gerado em um software CAD como o Eagle da CADSoft, em um conjunto de instruções, gerando programas do tipo CN (Comando numérico) que poderão ser executados por uma máquina. Estes arqui- vos consistem de uma definição de abertura ou cabeçalho, seguido das instruções para traçar cada linha do circuito impresso (Silva, 2005). A geração do arquivo Gerber é simples, utilizando a versão gratuita do Eagle, é possí- vel gerar arquivos Gerber de alguns layouts de placa de circuito impresso em segundos. A Figura 24 mostra um exemplo de arquivo Gerber gerado a partir do layout mostrado na Figu- ra 23. Figura 23 - Layout exemplo para criação de arquivo Gerber Fonte: Própria do autor
  41. 41. 41 Figura 24 - Arquivo Gerber gerado pelo Eagle Fonte: Própria do autor
  42. 42. 42 4 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO Para realização deste projeto onde o equipamento a ser desenvolvido atuará automati- camente em um processo de prototipagem para placas de circuito impresso, é necessário que a implementação e a avaliação do mesmo seja feita de forma cuidadosa, a fim de garantir que seu funcionamento atenda às necessidades dos usuários. O equipamento é composto por quatro partes distintas, que juntas formam o conjunto responsável pela realização das operações necessárias, mas que podem ser implementadas de forma independente. • A estrutura mecânica corresponde às mesas de deslocamento dos eixos X, Y e Z, o su- porte para as mesas, mandril para fixação da placa de circuito impresso a ser fresada e suporte à micro retífica que ficará acoplada a estrutura. • Os circuitos eletrônicos, que interfaceiam o sistema de processamento de dados com os motores. Os circuitos estão distribuídos em módulos, são eles, circuito controlador, circuito de acionamento dos motores, circuito de acionamento da micro retífica, circui- to de sensores de fim de curso e circuito regulador de tensão. A alimentação dos cir- cuitos é feita através de uma fonte chaveada de 24 V e 14,6 A. • O software que realiza o tratamento de dados presentes em um arquivo GERBER, de forma que sejam processados, decodificados e transmitidos ao firmware que realiza o acionamento dos motores para o deslocamento dos eixos. • O firmware realiza o acionamento dos motores de passo, conforme solicitado pelo software, processa o estado dos sensores e realiza o acionamento da micro retífica. O sistema está representado pela Figura 25. As partes integrantes do projeto são des- critas detalhadamente nos subitens a seguir.
  43. 43. Figura 4.1 Detalhamento do sistema mecânico O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontr dos em grupos de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC (http://www.guiacnc.com.br) e o Clube CNC Brasil ( Figura 25 - Diagrama de blocos do projeto Fonte: Própria do autor do sistema mecânico O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontr os de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC (http://www.guiacnc.com.br) e o Clube CNC Brasil (http://www.clubecncbrasil.com.br 43 O sistema mecânico foi projetado e baseado em dados empíricos de projetos encontra- os de desenvolvimento relacionados ao tema deste trabalho, como o Guia CNC ecncbrasil.com.br) le-
  44. 44. 44 vando sempre em consideração os conceitos e sugestões apresentadas nas referências utiliza- das que abrangem os aspectos mecânicos do projeto. A estrutura mecânica foi desenvolvida em partes, onde cada uma possui uma função específica. Para projeto do sistema mecânico foi utilizada à versão de demonstração, válido por 30 dias, do software Autodesk® Inventor® Professional desenvolvido pela Autodesk e disponibilizado para download em seu site (http://usa.autodesk.com). Na seção Apêndices encontram-se os desenhos com as respectivas medidas das peças deste trabalho. 4.1.1 Estrutura de sustentação A função da estrutura de sustentação é dar apoio a toda estrutura mecânica, possuindo quatro pés de apoio para nivelamento do equipamento. Para garantir uma área de trabalho de 200 mm de comprimento por 15 mm de largura e uma altura de 5 mm, a estrutura ficou com as dimensões totais de 550 mm de comprimento por 400 mm de largura e 400 mm de altura. As partes que compõem a estrutura de sustentação (Figura 26) são: a) Base; b) Árvore. Figura 26 - Imagem CAD estrutura de sustentação Fonte: Própria do autor 4.1.2 Eixo X O eixo X possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido X. As partes que compõem o eixo X (Figura 27) são: b a
  45. 45. 45 a) Mancal; b) Rolamento; c) Carro; d) Mesa; e) Guia Barra Inox 16 mm; f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor; h) Flange; i) Bucha; j) Porca; k) Acoplamento. Figura 27 - Imagem CAD eixo X Fonte: Própria do autor 4.1.3 Eixo Y O eixo Y possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Y. As partes que compõem o eixo Y (Figura 28) são: a) Mancal; b) Rolamento; c) Carro; d) Mesa; e) Guia Barra Inox 16 mm; f) Fuso Barra roscada M14-MA; g) Motor; b a d c e f h g
  46. 46. 46 h) Flange; i) Bucha; j) Porca; k) Acoplamento; Figura 28 - Imagem CAD eixo Y Fonte: Própria do autor 4.1.4 Eixo Z O eixo Z possui a finalidade de deslocamento da área de trabalho no sentido Z. As par- tes que compõem o eixo Z (Figura 29) são: a) Mancal; b) Rolamento; c) Carro; d) Guia Barra Inox 16 mm; e) Fuso Barra roscada M14-MA; f) Motor; g) Flange; h) Bucha; i) Porca; j) Acoplamento; 4.1.5 Suporte Micro Retífica; g h aj d c i
  47. 47. 47 Figura 29 - Imagem CAD eixo Z Fonte: Própria do autor 4.1.6 Área de trabalho A função da área de trabalho é fixar a placa de circuito impresso a ser trabalhada e é montada sobre a mesa do eixo X. Para possibilitar a fixação da placa, foram desenvolvidos dois apoios em polietileno com um sulco de 5 mm de profundidade, sendo um apoio fixo e o outro móvel montados em dois tirantes de 4,5 mm de diâmetro e 215 mm de comprimento. Com o intermédio de porcas, é possível ajustar a área de trabalho ao tamanho da placa de cir- cuito impresso, a qual tem suas dimensões máximas limitadas a 200 mm por 150 mm. As par- tes que compõem a área de trabalho (Figura 30) são: a) Apoio; b) Tirante. Figura 30 - Imagem CAD área de trabalho sobre o eixo X Fonte: Própria do autor k a b
  48. 48. 48 A Figura 31 apresenta o projeto CAD do sistema para a prototipagem de placas de cir- cuito impresso. Figura 31 - Imagem CAD sistema de prototipagem Fonte: Própria do autor 4.2 Detalhamento do sistema eletromecânico 4.2.1 Motor de passo Os motores de passo são os responsáveis pela movimentação e posicionamento dos ei- xos, neste trabalho foram utilizados três motores de passo (Figura 32) padrão NEMA 23KM- C051-07V marca Atrosyn, suas principais características são: • Resolução 1,8º por passo completo; • Podem ser acionados tanto pelo modo unipolar (torque 9,9 kgf/cm), como também pe- lo modo bipolar (torque 12 9,9 kgf/cm). No caso deste trabalho, foi escolhido o modo bipolar por proporcionar um torque mais elevado; • Corrente por fase 2 A; • Resistência 2 Ohms; • Indutância 4,4 mH; • Tensão de alimentação 9 V.
  49. 49. 49 Figura 32 - Motor de passo NEMA 23KM-C051-07V Fonte: Globeteck Industrial Parts, 2013 4.2.2 Micro Retífica A função da micro retífica é realizar a usinagem da placa de circuito impresso de mo- do a criar as trilhas do circuito. Como dito anteriormente ela é fixada ao eixo Z por meio do suporte de fixação. A micro retífica (Figura 33) utilizada neste trabalho possui tensão de ali- mentação 110 V, potência de 135 W e velocidade ajustável de 8000 a 30000RPM. Figura 33 - Micro retífica Fonte: Brocks, 2013 4.3 Detalhamento do Hardware A movimentação dos eixos em uma máquina CNC é controlada por um aplicativo de computador que envia sinais ao sistema elétrico do equipamento e após o devido tratamento, estes são enviados aos motores, para realizarem a movimentação dos eixos do equipamento. A fase de desenvolvimento do hardware foi divida em duas etapas, onde primeiramen- te foram realizadas pesquisas para o levantamento das opções que melhor se adequavam ao sistema eletrônico. Os fatores que foram levados em consideração nesta etapa como: disponi- bilidade de mercado, custo e qualidade dos componentes. A segunda etapa compreende no desenvolvimento do hardware que foi construído em módulos a fim de facilitar a manutenção e possibilitar a troca de tecnologias utilizadas sem que seja necessária uma alteração completa do sistema, os módulos serão descritos nos subi- tens a seguir.
  50. 50. 50 Para o projeto do hardware, foi utilizada a versão de demonstração do software Eagle (do inglês, Easily Applicable Graphical Layout Editor) desenvolvido pela CadSoft e disponi- bilizado para download em seu site (http://www.cadsoft.de). 4.3.1 Placa Controladora A placa controladora é a responsável por receber os sinais do programa de controle a- través de uma interface USB para então tratar tais informações e solicitar o acionamento dos motores de passo enviando comandos para as placas drivers (4.3.2). Outras duas funções que competem à placa controladora são: cada instrução de movimentação enviada pelo software à placa controladora deverá fazer a leitura das placas sensor (4.3.3) de curso para saber se o movimento poderá ser executado ou não e realizar o acionamento ou desacionamento da mi- cro retífica através da placa relé (4.3.4). A Figura 34 apresenta o esquema elétrico da Placa Controladora. Figura 34 - Esquema elétrico da Placa Controladora Fonte: Própria do autor Existe apenas uma placa controladora no sistema, a seguir é apresentada a Tabela 6 com a lista de componentes utilizados.
  51. 51. 51 Tabela 6 - Componentes da placa controladora Partlist Exported from Controladora_usbxRS232B.sch at 5/29/aaaa 20:03:36 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part Value Device Package Library Sheet 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 C1 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C2 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C3 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C4 10u CPOL-USE2.5-7 E2,5-7 rcl 1 C5 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C6 22p C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C8 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 D1 1N4148 1N4148 DO35-10 diode 1 IC1 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40 DIL40 microchip 1 IC2 PIC18F4550_40 PIC18F4550_40 DIL40 microchip 1 LED1 LED5MM LED5MM led 1 MOTORX PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 MOTORY PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 MOTORZ PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 Q1 XTAL/S QS special 1 Q2 XTAL/S QS special 1 R1 10k R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R2 27R R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R3 27R R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 R4 330 R-EU_0207/10 0207/10 rcl 1 RELE PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 S1 10-XX B3F-10XX switch-omron 1 SENSORX1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORX2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORY1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORY2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORZ1 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 SENSORZ2 PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 X1 USB PN61729 PN61729 con-berg 1 Os elementos principais desta placa são os microcontroladores, responsáveis pela in- terface entre os elementos do projeto e as ações vindas do programa controlador. Levando em conta os fatores para a escolha dos componentes que foram citados anteriormente, foi decidi- do que será utilizado no projeto dois microcontroladores PIC18F4550 da fabricante Micro- chip. O motivo pela utilização de dois controladores será discutido na seção 4.5. 4.3.1.1 PIC18F4550 Opta-se por utilizar o PIC18F4550 devido ao fato deste atender às necessidades do projeto, além de baixo custo e fácil aquisição. Este microcontrolador possui um módulo de comunicação para interface USB, ou seja, não há a necessidade do desenvolvedor implemen-
  52. 52. 52 tar rotinas complexas para que se estabeleça a comunicação entre o software e firmware, pois este já é fornecido pela Microchip, basta apenas realizar a configuração correta. Sua interface USB permite a transmissão de dados com velocidades de 1,5 Mbps modo low speed e 12 Mbps modo full speed. Outras características presentes no microcontrolador selecionado são: • Arquitetura Harvard; • 35 Linhas de I/O; • Clock de até 48MHz; • 13 canais de AD de 10 bits; • 2 kB de memória de dados; • 256 Bytes de memória não volátil EEPROM; • Comunicação Serial; • 32 kB de memória de programa. Outra característica favorável para se utilizar este microcontrolador é o fato de existi- rem vários compiladores de linguagem de programação C com diversas bibliotecas que auxi- liam no desenvolvimento dos programas. A Figura 35 apresenta a disposição dos pinos de conexão do PIC18F4550. Figura 35 - Diagrama pinos de conexão Fonte: Microchip Technology Inc., 2009 Observando a imagem observa-se que os pinos 23 (D-) e 24 (D+) são os responsáveis pela comunicação USB. O APÊNDICE L e o APÊNDICE M apresentam o layer e a máscara da placa.
  53. 53. 53 4.3.2 Placa Driver A placa driver é a responsável por receber os dados da placa controladora, tratar e am- plificar tais sinais de maneira a acionar os motores de passo, fazendo com que eles girem. Seu circuito eletrônico foi desenvolvido utilizando circuitos integrados (CI’s) próprios para o acionamento de motores de passo, chamados L297 e L298 e fabricados pela STMicroe- lectronics, a escolha de tais componentes se deu pela redução da complexidade para acionar os circuitos e pelo baixo custo dos CI’s. A Figura 36 apresenta o esquema elétrico da Placa Driver. Figura 36 - Esquema elétrico Placa Driver Fonte: Própria do autor
  54. 54. 54 Como pode ser visto na seção 4.3.2.1 o driver L297 é do tipo Chopper e possui um comparador interno de corrente que tem a função de impedir que o motor não seja danificado por ultrapassar o limite de corrente fornecido, esse controle é feito pelo L297 através de um divisor de tensão implementado pelos resistores R5 e R6, vistos na Figura 36: Foram definidos os valores dos resistores para que o driver realize o controle da cor- rente de forma a não ultrapassar a corrente máxima dos motores de passo, de 2.0A por fase. Existem três placas driver no sistema, a seguir é apresentada a Tabela 7 com a lista de componentes utilizados em cada placa. Tabela 7 - Componentes da placa driver Partlist Exported from motordriver.sch at 3/7/aaaa 23:51:45 EAGLE Version 6.3.0 Copyright (c) 1988-2012 CadSoft Assembly variant: Part Value Device Package Library Sheet 5V 5V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 24V 24V AK500/2 AK500/2 con-ptr500 1 C1 100nF C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 C2 100nF C2,5-3 C2.5-3 capacitor-wima 1 C3 470uF CPOL-EUE5-10.5 E5-10,5 resistor 1 C4 3n3F C2.5/2 C2.5-2 capacitor-wima 1 COILS COILS PINHD-1X4 1X04 pinhead 1 CONTROL PINHD-1X5 1X05 pinhead 1 D1 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D2 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D3 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D4 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D5 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D6 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D7 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 D8 UF4003 UF4003 DO41-10 diode 1 IC1 L297 L297 DIL20 st-microelectronics 1 IC2 L298 L298 MULTIWATT-15 st-microelectronics 1 R1 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R2 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R3 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R4 1R R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R5 5k6 R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R6 1k R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 R7 22k R-EU_0207/10 0207/10 resistor 1 SYNC PINHD-1X1 1X01 pinhead 1 As subseções a seguir fornecem uma breve explicação sobre o funcionamento dos dois CI’s utilizados no projeto, o modo bipolar foi escolhido para o acionamento dos motores, por garantir um melhor torque.
  55. 55. 55 4.3.2.1 Circuito Integrado L297 O L297 (Figura 37) integra todos os circuitos de controle necessários para controlar motores de passo unipolares quanto bipolares. Usado juntamente a um controlador de duplo ponte H como o L298 (Figura 38), formam uma interface completa para o acionamento e con- trole de motores bipolares. Figura 37 - Disposição dos pinos CI L297 Fonte: STMicroelectronics, 2001 Figura 38 - Esquema elétrico recomendado pelo fabricante Fonte: STMicroelectronics, 2001 Ele recebe sinais de controle a partir de um controlador e fornece todos os sinais de comando necessários para a alimentação das fases de motores de passo. Além disso, inclui dois circuitos choppers para regular a corrente nos enrolamentos do motor.
  56. 56. 56 O L297 controla motores de passo de ímã permanente unipolar de quatro fases, bipolar de duas fases e quatro fases para motores de relutância variável. A operação do CI é realizada através de seis sinais, são eles: • Clock - cada sinal de nível lógico baixo nesta porta faz o motor de passo avançar um passo; • CW/CCW - determina o sentido de rotação do motor de passo; • HALF/FULL - determina o modo do passo; • ENABLE - habilita e desabilita o CI; • RESET - reinicia a sequência de acionamento das bobinas; • Vref - tensão de referencia para o chopper PWM realizar o controle da corrente no mo- tor; O L297 associado ao driver de corrente L298 possui muitas vantagens: são necessários poucos componentes, baixo custo dos componentes necessários, simplifica o firmware e reduz os encargos do microcontrolador. Na sua estrutura interna existe um bloco responsável pela lógica de acionamento das fases de um motor de passo chamado de translator (tradutor) que gera a sequência de aciona- mentos adequado para a operação nos modos half-step, one-phase-on full step e two-phase-on full step. Este bloco é controlado pelas entradas de modo de acionamento (HALF/FULL), di- reção do passo (CW/CCW) e por um clock de passo que avança o tradutor de um passo atual para o passo seguinte, ou anterior caso o sentido do passo tenha sido invertido. A Figura 39 apresenta o esquema interno do L297. Figura 39 - Estrutura interna do CI L297 Fonte: STMicroelectronics, 2001 Quatro saídas são fornecidas pelo tradutor para o processamento subsequente pelo bloco de saída lógica que implementa as funcionalidades de inibição e chopper.
  57. 57. 57 Internamente o tradutor consiste em um contador de 3 bits mais uma lógica combina- cional que gera uma sequência base de oito passos, código Gray. As três sequencias de modo de passo podem ser geradas a partir desta lógica combinacional. A Figura 40 apresenta este estado de sequência correspondente ao modo half-step, se- lecionado pelo nível alto (um) na entrada HALF/FULL. Figura 40 - Sequência mestre de oito passos do tradutor modo half-step Fonte: STMicroelectronics, 2001 Os modos de passo completo, full-step, são ambos obtidos saltando alternadamente es- tados na sequência de oito passos. O que acontece é que o clock de passo salta o primeiro es- tado do contador de três bits do tradutor. Se o modo de passo completo for selecionado quando o tradutor estiver em qualquer estado ímpar tem-se um passo no modo two-phase-on full, mostrado na Figura 41. Figura 41 - Sequência de passos do tradutor modo two-phase-on full Fonte: STMicroelectronics, 2001 Por outro lado, o modo one-phase-on full será obtido selecionando o modo full-step quando o tradutor estiver em um número par, mostrado na Figura 42. Figura 42 - Sequência de passos do tradutor modo one-phase-on full Fonte: STMicroelectronics, 2001 Nos modos de passo half-step e one-phase-on full dois outros sinais são gerados: I- NH1 e INH2. Estes são dois sinais inibidores que são ligados, por exemplo, às entradas de habilitação do L298 e servem para acelerar o decaimento da corrente quando um enrolamento é desligado.
  58. 58. 58 Uma vez que ambas as bobinas estejam energizadas continuamente no modo two- phase-on full, não existirá nenhuma bobinagem sempre desligada, assim estes sinais não são gerados. Dois outros sinais estão ligados ao bloco tradutor: entrada RESET e o saída HOME. RESET é uma entrada assíncrona que restaura o bloco tradutor para a posição de origem (es- tado 1, ABCD = 0101). A saída HOME (coletor aberto) assinala esta posição. Por fim, existe uma entrada ENABLE ligada à lógica de saída. Um nível baixo desliga o INH1, INH2, A, B, C e D. Esta entrada é útil para desativar o controlador do motor, evitan- do que as bobinas do motor fiquem energizadas sem que haja necessidade. O L297 proporciona um controle da corrente de carga, sob a forma de dois PWM choppers, um para cada fase de um motor bipolar ou um para cada par de bobinas de um mo- tor unipolar. Cada chopper é composto por um comparador, um flip-flop e um resistor externo de detecção. Um oscilador comum no chip fornece os impulsos ao rate do chopper para ambos os choppers. Em cada chopper (Figura 43), o flip-flop é acionado por cada impulso do vindo do seu oscilador, ligado à saída e proporcionando o aumento da corrente nas bobinas do motor. Figura 43 - Circuito chopper Fonte: STMicroelectronics, 2001 Na medida em que a tensão aumenta sobre a resistência sensor, quando a tensão atinge Vref, o flip-flop é reiniciado. A saída deste circuito (a saída Q do flip-flop) é, portanto, um sinal PWM com ciclo de trabalho constante. Por conseguinte, o Vref determina o pico da corrente de carga sobre as bobinas do motor. Aplicações do L297 podem ser encontradas em quase todos os lugares: robôs, impres- soras, plotters, máquinas de controle numérico, unidades de disquete, máquinas de costura, caixas registradoras eletrônicas, máquinas de telefax, equipamento fotográfico, válvulas elé- tricas entre outros.
  59. 59. 59 4.3.2.2 Circuito Integrado L298 O L298 (Figura 44) é composto de dois circuitos Ponte-H e pode ser utilizado para a- cionar dois motores DC ou um motor de passo unipolar ou bipolar. Sua capacidade máxima de corrente de saída por fase é de 2.5A e pico de 4A, a máxima tensão de acionamento possí- vel é de 45V. Figura 44 - Disposição dos pinos do L298 Fonte: STMicroelectronics, 2000 A principal vantagem deste circuito integrado são os pinos SENSE-A e SENSE-B, que amostram a corrente que o motor está consumindo, com o valor obtido da corrente o circuito integrado L297 realiza o tratamento da informação e controla a corrente para que ela não ul- trapasse o valor projetado pelo desenvolvedor. A Figura 45 apresenta o diagrama interno do L298. Figura 45 - Diagrama interno do L298 Fonte: STMicroelectronics, 2000 O APÊNDICE N, o APÊNDICE O e oAPÊNDICE P apresentam o layer e a máscara da placa.
  60. 60. 60 4.3.3 Placa Sensor A placa sensor possui a função informar à placa controladora que as referências zero dos eixos X, Y e Z foram atingidas, e garantir que a excursão máxima de cada eixo, limitada pela estrutura mecânica, não será excedida. Seu funcionamento é simples e consiste em uma barreira infravermelha, constituída a partir de um foto diodo emissor e um foto transistor re- ceptor. A Figura 46 apresenta o esquema elétrico da Placa Sensor. Figura 46 - Esquema elétrico Placa Sensor Fonte: Própria do autor Quando uma barreira física interrompe o feixe infravermelho, a saída do circuito fica em nível lógico alto, impossibilitando que o sistema de controle tente fazer com que o eixo se desloque adiante naquele sentido, e quando não há nada entre o emissor e o receptor a saída do circuito terá nível lógico baixo, permitindo que o sistema de controle possa enviar coman- dos para que o eixo se desloque naquele sentido. Optou-se por utilizar a barreira infravermelha por apresentar melhor precisão de esta- do, se comparado com a chave fim de curso de acionamento mecânico. Neste circuito são os componentes TIL32 (foto diodo emissor) e TIL78 (foto transistor receptor) os responsáveis por gerar esta barreira infravermelha. São muito utilizados para este propósito, pois o seu custo e a complexidade do circuito são muito baixos. A seguir será feita uma breve explicação sobre tais componentes e apresentação de testes obtidos com os mes- mos. TIL32 - trata-se de um LED que emite luz infravermelha com comprimento de onda de 940nm, para trabalhar em conjunto o receptor precisa trabalhar no mesmo comprimento de onda.

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