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IMPLANTAO DE UM SISTEMA DE COMANDO NUMRICO COMPUTADORIZADO (CNC) POR RETROFITTING EM UM TORNO MECNICO UNIVERSAL.
CRISTIANO DONIZETI FERRARI, ORIENTADOR: MARCOS APARECIDO CHAVES FERREIRA
Automao Industrial, Faculdade de Tecnologia de Catanduva Centro Paula Souza
E-mail: [email protected]
Resumo - O rpido avano da produo industrial obriga as indstrias nacionais a substiturem suas mquinas-ferramenta operadas manualmente por mquinas automatizadas, como as comandadas nume-
ricamente, e assim se manterem competitivas dentro do mercado nacional e internacional. Esta substi-
tuio de tecnologia trouxe consigo uma grande necessidade de profissionais qualificados. Tal situao implica na necessidade de treinamentos eficientes, visando estudos prticos com mquinas CNC (Co-mando Numrico Computadorizado). Visando suprir esta deficincia, este trabalho descreve a constru-o de um torno CNC didtico, de baixo custo a partir da modernizao de um torno mecnico universal
e a utilizao de um microcomputador, como unidade de comando numrico da mquina. Os comandos so enviados pelo computador atravs da interface paralela aos motores de passo; estes por sua vez rea-
lizam movimento de rotao que permitem o deslocamento linear dos carros do torno. O Software con-
trolador numrico adotado foi o MACH3 comercializado pela ArtSoft, baseado no sistema operacional Microsoft Windows. Sua escolha baseou-se em algumas vantagens apresentadas pelo mesmo, como im-portao direta de arquivos CAD, gerao de cdigos G atravs de interface grfica amigvel, facilidade
programao atravs do bloco de notas e a possibilidade de aproveitar os computadores tipo desktop
comerciais.
Abstract The rapid advance in industrial production requires domestic industries to replace their ma-
chine tool manually operated by automated machines, such as numbering richly commanded, and thus
remain competitive in the domestic and international markets. This substitution of technology has
brought a great need for qualified professionals. This situation implies the need for effective training,
practical studies aimed at machines with CNC (Computer Numeric Control). Aiming to address this shortcoming, this paper describes the construction of a CNC lathe teaching, low cost from the moderni-
zation of a universal lathe and uses a PC as the unit of numerical control machine. The commands are
sent by the computer through the parallel interface to stepper motors and these in turn perform rotation
that allows linear movement of cars around. The software used was a numerical controller MACH3 marketed by ArtSoft, based on the Microsoft Windows operating system. His choice was based on some
advantages presented by the same as direct import of CAD files, code generation via G-friendly graph-
ical interface, easy programming via notepad and the ability to take advantage of the commercial desk-
top type computers.
Palavras-chave (Keywords) Retrofitting, CNC, Torno Mecnico, Qualificao.
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1- Introduo
As mquinas-ferramenta apresentaram um rpido desenvolvimento, devido principalmente utilizao dos sistemas de comando numrico computadorizado (CNC). Com o passar do tempo as mquinas-ferramenta passa-ram a apresentar sintomas que alertam para a inadequao ou fim de vida til das mesmas. Do ponto de vista
econmico, a simples troca destes equipamentos pode-se tornar um investimento extremamente dispendioso, no
entanto, uma alternativa que vem sendo experimentada com muito sucesso por diversas empresas a denomina-da modernizao ou Retrofitting (adaptao), que tem por objetivo a atualizao tecnolgica das mquinas-ferramenta (Demec, 2011).
Mesmo mquinas mais antigas, podem ser reaproveitadas, pois possuem estruturas de elevada rigidez, pro-
porcionando condies de permanecerem em operao e agregando novas funes e recursos. A modernizao
trata-se principalmente da incluso ou substituio dos sistemas de comando e controle, acionamentos e sistemas de medio por equipamentos atuais. Desta forma, a mquina passaria a apresentar melhores especificaes
(Demec, 2011). O retrofitting de mquinas, tambm conhecido como reforma ou modernizao, muitas vezes a soluo pa-
ra empresas que desejam dar uma sobrevida para mquinas antigas, mantendo suas caractersticas perifricas, com perfeito estado de conservao mecnica. Essa necessidade crescente, uma vez que a eletrnica das m-
quinas, equipamentos e sistemas evoluiu muito nos ltimos anos e continua com rpida evoluo.
Devido ao avano tecnolgico, os produtos esto se tornando defasados cada vez mais rpidos. Dessa ma-
neira, a tendncia direcionar os esforos da indstria para se produzir produtos competitivos de acordo com as
demandas do consumidor. Isto, por consequncia, significar trabalhar com estoques menores e um sistema de
produo que atenda a essas variaes de um modo rpido e econmico (Rubio, 1999). Segundo, Paulo Freire (Freire, 1996), a tecnologia de um pas sua educao de qualidade, e a tecnologia
a base de sustentao da economia e soberania de uma nao.
possvel verificar os diversos tipos de estudos e equipamentos experimentais nas mais diversas reas, tanto de engenharia, fsica, computao e outras, visando baixo custo no investimento para as instituies e facilidade
de montagens e peas de fcil reposio. Isso demonstra uma forma eficaz de suprir as necessidades dos alunos
em aplicar na prtica os conhecimentos adquiridos na teoria, sem que haja grande investimento em equipamentos comerciais pelas instituies de ensino (Sanches, 2009).
Diante desta situao, se faz necessria a qualificao dos profissionais que iro participar desse processo
produtivo. Para isso pode-se utilizar: mquinas CNC industriais de produo, mquinas CNC didticas ou sof-
twares simuladores. A opo por mquinas industriais cara e perigosa, pois envolve riscos aos alunos e deman-
da rea e instalaes eltricas adequadas. O uso de simuladores pode apresentar menor custo, pois necessita ape-nas de um microcomputador e o software de simulao. Entretanto, o simulador nem sempre representa fielmen-
te o ambiente e a ao de produo, apresentando-se fora da realidade. Por sua vez, a opo por mquinas didti-
cas apresenta menor custo em relao a uma aquisio de uma mquina industrial nova, uma vez que a mquina
construda para fins didticos e no de produo, reduzindo seu preo e possibilitando um treinamento em con-dies semelhantes realidade de produo. Deve-se observar em todas as situaes que o projeto deve ser segu-ro; se o produto no oferece perigo ao usurio sendo necessrio prever anteparos quando os perigos no podem
ser evitados no projeto ou quando isto no possvel, informaes apropriadas devem ser fornecidas.
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Em termos ambientais, o retrofitting de uma mquina evita que a mesma fosse lanada ao meio ambiente como uma sucata sem uso.
Com base nesta expectativa, este trabalho props a construo de um equipamento com caractersticas in-dustriais para utilizao em ambiente acadmico, sendo suporte para as disciplinas ministradas no curso de Tec-
nologia em Automao Industrial da Fatec Catanduva, atravs da modernizao de um torno mecnico, recebido
como doao. O torno foi modernizado adicionando-se um controle de comando numrico, motores de passo,
drivers de potncia, fontes de alimentao e interface de comunicao.
2- Mquinas CNC
Desde os tempos mais remotos nas mais antigas civilizaes, o homem busca racionalizar e automatizar o
seu trabalho, por meio de novas tcnicas. A automao simplifica todo tipo de trabalho, seja ele fsico ou mental (Cassaniga, 2005).
Durante a 2 Guerra Mundial, as necessidades de evoluo foram de papel decisivo, necessitavam-se de muitos avies, tanques, barcos, navios, armas, caminhes, etc., tudo em ritmo de produo em alta escala e gran-
de preciso, pois a guerra estava consumindo tudo, inclusive com a mo de obra. Grande parte da mo de obra
masculina utilizada pelas fbricas como especializada, foi substituda pela feminina, o que na poca implicava na
necessidade de treinamento, com reflexos na produtividade e na qualidade. Era o momento certo para se desen-volver mquinas automticas de grande produo, para peas de preciso e que no dependessem da qualidade
da mo de obra aplicada. Diante deste desafio, iniciou-se o processo de pesquisa onde surgiu a mquina coman-
dada numericamente. A primeira ao neste sentido surgiu em 1949 no laboratrio de Servomecanismo do Insti-tuto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), com a unio da Fora Area Norte americana (U.S. Air Force) e a empresa Parsons Corporation of Traverse City. Foi adotada uma fresadora de trs eixos, a Hydrotel, da Cincinna-
ti Milling Machine Company, como alvo das novas experincias. (Cassaniga, 2005). Os controles e comandos convencionais foram retirados e substitudos pelo comando numrico, dotado de
leitora de fita de papel perfurado. Atualmente o meio mais usado de entrada de dados para o CNC via compu-
tador, embora durante muitos anos a fita perfurada foi o meio mais usado, assim como outros com menor desta-
que.
A partir de 1957, houve nos Estados Unidos, uma grande corrida na fabricao de mquinas comandadas por CN, e com isso alguns problemas foram aparecendo dentre eles a falta de padronizao da linguagem devido
ao grande nmero de fabricantes. Em 1958, por intermdio da EIA (Eletronic Industries Association) organizou-se estudos no sentido de padronizar os tipos de linguagem, ento foi desenvolvida pelo MIT (Massachusetts Ins-titute of Tecnology) a linguagem APT (Automatically Programed Tools), a partir deste instante foram desenvol-vidas outras linguagens para a gerao contnua de contornos como AutoPrompt (Automatic Programming of Machine Tools), ADAPT, Compact II, Action, e outros que surgiram e continuam surgindo para novas aplica-es (Navarro,1991).
No incio da dcada de 70, surgem no Brasil as primeiras mquinas CNC (Controle Numrico Computadori-zado) vindas dos Estados Unidos, alm das primeiras mquinas CN (Comando Numrico) de fabricao nacio-nal. A partir da, observa-se uma evoluo contnua e notvel concomitantemente com os computadores em ge-
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ral, fazendo com que os comandos CNC mais modernos, empreguem em seu conceito fsico (hardware) tecnolo-gia de ltima gerao. Com isso, a confiabilidade nos componentes eletrnicos aumentou e consequentemente a
confiana em todo sistema.
A evoluo do torno universal levou criao do torno revlver, do torno copiador e do torno automtico.
De acordo com Robson, Alexandre e Juan C. C. Rubio (2000), basicamente em uma mquina de comando CNC encontra-se as seguintes tecnologias:
Unidade de Controle Numrico;
Dispositivo de acionamento;
Sistema de controle;
Comutador da ferramenta.
Figura 1: Esquema Geral de um Torno CNC comercial (ROMI)
De maneira simplificada, pode-se dizer que uma mquina CNC trabalha seguindo trs passos bsicos, bem
diferenciados. Primeiro o computador da mquina l um programa e transfere para a linguagem de mquina, ou
seja, o cdigo binrio entendido pela mesma. Em seguida, quando o operador inicia o ciclo automtico, o com-putador transforma o cdigo binrio em pulsos eltricos que so enviados unidade alimentadora da mquina. A unidade de controle compara o nmero de pulsos enviados e recebidos. Por ltimo, quando os dispositivos de
acionamento recebem cada pulso, estes automaticamente transformam-no em movimento possibilitando o deslo-
camento relativo pea-ferramenta.
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2.1 - Unidade de Controle Numrico
Com base na tecnologia digital disponvel no momento de sua criao (incio da dcada de 1950), surgiram os primeiros comandos numricos. Essas mquinas no possuam memria, portanto no armazenavam progra-
mas. Segundo Amic (1997), para produzir uma pea mais de uma vez, as mquinas CN tinham que reler o pro-grama e execut-lo passo a passo aps a leitura do mesmo.
Uma nova era para os CNCs surgiu com o desenvolvimento da microeletrnica (microprocessadores e peri-frico). Assim, com a utilizao dos microprocessadores, foi permitido ao comando numrico computadorizado (CNC) realizar operaes lgicas, aritmticas e de controle de movimento especialmente a memorizao de in-formaes (Rubio,1992). Atualmente as mquinas CNC armazenam os programas na memria quando esto lendo o programa pela primeira vez. Isso garante uma economia de tempo quando se produz lotes maiores de peas idnticas, uma vez que o programa no necessita de uma nova leitura. As mquinas CNC possuem um
computador acoplado que permite a realizao das tarefas de leitura, anlise e edio das informaes do pro-
grama. Em essncia, o que difere as mquinas CN das CNC o computador (Amic, 1997). Trabalhando no princpio binrio, como todo computador, o da mquina CNC usa apenas dois caracteres (0
e 1) para processar suas informaes. Os computadores respondem a esses impulsos no exato momento em que os recebem do circuito. Assim o pulso com tenso o nvel 1, e o sem tenso o nvel 0. As sries de 0 e 1 o
tipo de informao que o computador reconhece, entretanto ao criar um programa, o programador no necessita
conhecer todas as sequencias de 0 e 1 do comando; ele faz uso de uma lista de cdigos determinados pelo fabri-
cante da mquina que so inseridos manualmente no painel, ou gerados por um software especfico e transmiti-dos por uma rede a mquina CNC. Pata padronizao das linguagens utilizadas existe um conjunto de normas, sendo uma delas fornecida pela ISO (International Organization for Standardization) que estabelece padres de utilizao. Dentre as linguagens est a linguagem G ( ou cdigo G), padronizada pela ISO 6983:1982.
A maioria dos fabricantes adotam cdigos de programao padres, criando uma redefinio e uma custo-
mizao, baseados no Sistema ou Normas ISO de padronizao de linguagem G.
O programador insere o cdigo no computador da mquina que o compila atravs de seu software especfico gerando uma linguagem de mquina (0 e 1). Ento, o computador do CNC envia o sinal para os acionamentos que geram o movimento relativo pea-ferramenta. O controle da mquina est todo num microcomputador, as-
sim o programador no necessita informar todos os pontos onde a ferramenta ir passar, mas apenas os pontos
principais e a referncia da trajetria. Como exemplo, em um contorno de raio, o programador s informa o tipo de movimento (horrio ou anti-horrio), seu ponto inicial, seu ponto final e seu raio. Com base nessas informa-es o computador calcular todos os pontos necessrios onde a ferramenta deve passar para realizar o contorno
mais preciso.
2.2 - Dispositivos de Acionamento
Para promover o deslocamento relativo entre a pea e a ferramenta existem diversos tipos de dispositivos, entre eles podemos citar os cilindros pneumticos, cilindros hidrulicos, servomotores lineares, rotativos, entre
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outros. Em relao aos motores rotativos, destacam-se os motores de passo e os servomotores de corrente cont-
nua, corrente alternada e de fluido. (Amic, 1997) Os servomotores de corrente contnua tem a rotao controlada pela variao da tenso a eles aplicada. So
utilizados para acionar mecanismos de movimentao de mquinas-ferramenta por fornecerem alto nvel de tor-
que. Os servomotores de corrente alternada tem a sua velocidade controlada pela variao da frequncia da rede
eltrica que os alimenta; tem maior potncia que os servomotores de corrente contnua. J os servomotores de
fluido so capazes de produzir maior potncia que os dois anteriores citados, no caso dos servomotores hidruli-cos; no caso dos servomotores pneumticos desenvolvem maior velocidade. O servomotores de movimento con-
tnuo requerem a utilizao de uma malha de controle fechada para realizar o posicionamento.
Os motores de passo so dispositivos eletromecnicos de acionamento que promovem, a partir de pulsos el-
tricos, a movimentao angular discreta de seu eixo. A cada um desses movimentos angulares d-se o nome de
passo. Um motor de passo caracterstico possui um rotor com ms permanentes em sua periferia e enrolamentos em um estator. Quando o estator energizado atravs de um pulso eltrico, o rotor atrado a alinha magnetica-mente seus polos com o par de polos gerados pelos enrolamentos. Cada pulso eltrico enviado pelo mdulo de
comando (driver) corresponde a um passo. Sua desvantagem o baixo desempenho em altas velocidades, alm da ocorrncia de ressonncia. Quanto ao tipo de funcionamento os motores de passo podem ser: de relutncia varivel, de ms permanentes e hbridos.
Quanto aos tipos de acionamento usados para controle do motor de passo podem ser usados: full step (passo completo), half step(meio passo) , normal ou micro passos.
Tabela 1: Comparativo entre os dispositivos de acionamento (Brite e Santos, 2011) Caractersticas Motor de Corrente
Contnua Motor de passo Servomotor
Velocidade Alta Baixa Mdia
Torque Zero/Alto Alto/Mdio Baixo/Alto
Facilidade de Controle Fcil Mdia Complexo
Preciso Nenhuma Alta Muito Alta
Durabilidade Mdia tima Mdia Manuteno Sim No Sim
Abaixo, na figura 2 mostrado de forma simplificada o acionamento de um motor de passo, apresentando o
circuito integrado SAA 1027. O pino 15 recebe o sinal de disparo, o pino 3 recebe a direo de rotao e o pino 3 recebe o sinal de habilitao do motor. Os sinais de sada so transmitidos pelos pinos 6, 8, 9 e 11 s bobinas do
motor de passo.
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Figura 2: Esquema de acionamento de um motor de passo.
2.3 - Sistemas de Controle
Podem-se diferenciar os dois tipos de controle nas mquinas CNC em funo do tipo de acionamento. Os
controles podem ser em malha aberta e malha fechada. A preciso da mquina definida pelo tipo de malha uti-
lizada (Rubio, 1999). No sistema de controle de malha aberta, a unidade de controle no tem realimentao (feedback) da posio
que se encontra o dispositivo. Os motores de passo recebem os pulsos da unidade de controle e executam os mo-
vimentos; a quantidade de movimento determinada pelo nmero de pulsos que a unidade de controle envia. Em
funo de emitir somente pulsos, sem realimentao, no possvel detectar se existe um desvio de posio, im-possibilitando-se precisar se a ferramenta vai alcanar a posio desejada. Dessa forma a mquina no reconhece o posicionamento da ferramenta em funo de seu ponto de origem. A exatido depender exclusivamente dos
pulsos enviados aos motores de passo. Como no necessria a adio de dispositivos eletrnicos, como enco-ders ou transdutores, para fazer a medio direta ou indireta do ponto desejado, o controle por malha aberta tor-na-se mais barato. A grande desvantagem a dificuldade de detectar um eventual erro de posicionamento
(Amic, 1997). No sistema de controle por malha fechada, o dispositivo de movimentao tambm recebe pulsos eletrni-
cos, realizando o movimento relativo pea-ferramenta. Esse movimento detectado e realimenta o sistema de
controle por meio de transdutores ou encoders. A cada movimento, o elemento de controle (encoder/transdutor) envia sinais para o controle, que compara esses pulsos com a posio atual dos eixos no programa. Assim, quan-
do o nmero de sinais emitidos pelo transdutor igual ao programado pelo operador e interpretado pelo pro-
grama CNC, o comando comea a enviar os pulsos do prximo movimento. O sistema de malha fechada permite uma melhor preciso no posicionamento. Alguns sistemas so dotados de sensores que indicam o erro ao co-
mando e este realiza a correo automtica do posicionamento, fazendo a ferramenta retornar a sua posio cor-
reta, sem a necessidade de interveno do operador; como por exemplo, um desgaste da ferramenta de corte.
Obtm-se um sistema mais fino, consequentemente mais caro, quando se trabalha com servomotores.
2.4 - Comutador de Ferramenta
A complexidade das peas e as vrias etapas de sua produo necessitam de ferramentas diferentes para ca-da tipo de perfil. A ferramenta deve ser trocada de forma rpida para a prxima operao da mquina. Para faci-
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litar a troca rpida de ferramentas, as mquinas CNC recebem comutadores de ferramentas, que podem ser au-tomticos ou manuais. Os manuais so do tipo troca-rpida, onde o operador retira manualmente uma ferramenta
previamente presa a um gabarito e a substitui por outra ferramenta; usando para isso uma chave de troca com um
simples giro de 90. As comutadoras automticas no tem interferncia direta do operador, pois atravs de uma funo do programa CNC, o comando envia um sinal que realiza a troca automtica da ferramenta. Centros de usinagem so dotados de magazines para diversas ferramentas e tornos CNC so dotados de torres eltricas ou
hidrulicas para a troca automtica das ferramentas.
3- Metodologia e desenvolvimento
O projeto teve seu incio com o recebimento do torno mecnico marca IMOR, modelo OPHICINA 420 fa-bricado em 1980. A mquina foi doada FATEC Catanduva e encontrava-se fora de uso e sem utilidade s ati-
vidades didticas da instituio de ensino.
Primeiramente analisou-se a viabilidade do projeto e as possibilidades de modernizao do equipamento re-cebido. Para a modernizao, procurou-se apurar as adaptaes estruturais necessrias para qualific-la como um
Torno CNC. Foram levadas em conta as funes didticas do equipamento e o custo final do projeto, pensando-se em reduzir custos o mximo possvel sem perder a qualidade e preciso.
A construo se deu atravs da modernizao e adaptao de um torno mecnico universal e da utilizao de
um software para comando numrico baseado no uso da porta paralela de um microcomputador do tipo desktop. O software adotado foi o MACH3, da ArtSoft que possui uma interface grfica simples, alm de rodar em ambi-ente Windows, o sistema operacional ainda de maior aceitao entre os usurios. Atualmente o software MACH3
um dos melhores softwares para CNC baseados em PC com aproximadamente 10 mil usurios. O torno CNC
projetado capaz de usinar ao, cobre e suas ligas, alumnio, polmeros e madeira. Como foi utilizado um torno mecnico industrial, sua capacidade de usinagem no foi modificada podendo executar todos os trabalhos que
eram manuais. Com o auxlio de fluido refrigerante e ferramentas adequadas pode-se trabalhar com aos de bai-
xa, mdia e at alta dureza.
Figura 3: Torno utilizado para implementao do CNC (Fonte: Autor)
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3.1 - Projeto Mecnico
Aps o levantamento das modificaes necessrias, passou-se a elaborao dos desenhos das peas para im-
plementao do torno CNC, usando o software AutoCad, da Autodesk Inc. Neste perodo, procurou-se projetar peas de acordo com os recursos disponveis, preocupando-se com seu custo, facilidade de obteno, materiais apropriados com caractersticas de boa resistncia mecnica. Assim, optou-se pelo alumnio e pelo Ao ABNT
1020. O alumnio foi selecionado para a construo dos mancais de rolamento dos fusos de esferas, do acopla-
mento flexvel e das polias sincronizadoras, devido a sua leveza e facilidade de usinagem. O ao ABNT 1020 foi
usado para fabricao dos suportes dos motores de passo dos eixos X e Z. Aps a concluso do projeto mecnico das peas, da definio da metodologia de montagem, e ajustes necessrios, passou-se a etapa de construo me-cnica.
Figura 4: Desenho Completo Eixo X (Fonte: Autor)
Figura 5: Desenho Completo Eixo Z (Fonte: Autor)
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3.2 - Construo Mecnica
O processo de construo mecnica constitui-se na substituio dos acionamentos mecnicos do torno, ade-
quao de uma placa de 3 castanhas, adequao de um painel eltrico de comando e fixao dos conectores dos
motores de passo.
O torno constitudo de dois eixos: Longitudinal ou Eixo Z e Transversal ou Eixo X. No eixo Z retirou-se o
fuso roscado mecnico, o varo de acionamento do movimento automtico mecnico alm do varo de aciona-mento eltrico do eixo rvore. Foi adquirido no comrcio, um fuso de esferas recirculantes para conferir preciso
e velocidade ao movimento do eixo Z. O fuso foi adaptado estrutura do torno por intermdio dos mancais de
rolamento posteriormente fixados ao torno por parafusos. Para o eixo X, o processo adotado foi praticamente o
mesmo do eixo Z, sendo necessrio retirar-se o fuso mecnico e a bucha roscada de bronze que encontrava-se com muita folga. Tambm foi adquirido um fuso de esferas recirculantes e adaptado ao torno com mancais de
rolamento, como pode ser visto na figura 6.
Para a movimentao dos carros sobre as guias do torno optou-se pela utilizao de motores de passo. Como
o eixo Z exige um maior esforo mecnico optou-se pela utilizao de um motor de passo com 42 Kgf*m que
aciona o fuso indiretamente por meio de uma correia sincronizadora de passo 5 milmetros. Construiu-se um suporte para o motor de passo do eixo Z sendo acoplada ao motor uma polia sincronizadora de 25 dentes, a mesma utilizada no fuso do eixo Z. O fuso do eixo X exige menor esforo e optou-se pela utilizao de um mo-
tor de passo de 15 Kgf*m. O motor foi fixado diretamente ao fuso por meio de um acoplamento flexvel constru-do de alumnio e um elastmero intermedirio. Os fusos utilizados foram de 25 milmetros de dimetro para o eixo Z e 16 milmetros de dimetro para o eixo X, sendo que o custo dos fusos de esferas foi compensado pela preciso adquirida no equipamento. As velocidades dos motores chegaram a 2600 mm/min no caso do eixo Z e
2200 mm/min no eixo X, otimizadas por software e sem entrar em ressonncia.
Verificou-se que a placa de 3 castanhas que acompanhava o torno no encaixava-se no seu eixo rvore. Foi
necessria usinar uma nova flange e uma adaptao para o modelo de placa 3 castanhas que pertencia ao torno original. Alm disso, o projeto necessitava de um novo painel de comando, que foi adquirido e fixado ao torno de forma a no atrapalhar suas funes. Tambm se necessitou posicionar as ligaes eltricas dos drivers at os
motores, onde foram colocadas uma esteira porta-cabos e caixas com tomadas de conexo instantnea. No foi
possvel, neste momento do projeto, criar algum comutador automtico de ferramentas.
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Figura6: Peas utilizadas no trabalho
3.3 Projeto Eltrico/Eletrnico
Aps a finalizao da construo mecnica, partiu-se para a execuo do projeto eltrico/eletrnico. Basi-camente constituiu-se da interligao dos drivers de comando comerciais com os motores de passo, alm da co-municao entre o microcomputador com os drivers atravs da porta paralela e a partida direta do motor do eixo
rvore.
Devido necessidade do projeto em ter uma mquina precisa e com recursos para usinagem de ao, optou-se pela utilizao de drivers comerciais, que foram adquiridos pela FATEC Catanduva. Esses drivers tem contro-
le de corrente e podem realizar micro passos, garantindo a preciso dos movimentos. Os drivers adquiridos so
dos modelos AKDMP7-5.6A (driver X) e AKDMP5-5.0A (driver Z) fabricados pela Akiyama Corporation. O chaveamento dos motores de passo realizado pelos drivers. Para isso, necessrio que os mesmos este-
jam conectados ao computador via porta paralela. Cada driver recebe duas linhas de dados do computador: uma fornece a direo e outra fornece o passo para a rotao. Atravs destas duas linhas realizado o comando do
driver, opcionalmente pode-se incluir uma linha para habilitar o driver. Como os drivers trabalham com altas correntes, necessrio proteger o computador de possveis sobretenses e sobrecorrentes. Para isso foi adquirida
uma placa opto-acoplada importada, modelo Breakout DB 25, fabricada pela Zhongshan Koqi Electronics, que recebe os sinais da porta paralela e os envia para os drivers de comando. A figura a seguir apresenta a placa ad-
quirida, o painel de entrada da porta paralela onde foi fixada a placa e o painel de comando onde esto os drivers e as fontes de alimentao.
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(a) (b) (c) Figura 7: (a) Placa opto-acoplada adquirida, (b) painel com drivers e (c) Fontes de alimentao (Autor)
O torno possui um motor Dahlander (duplo enrolamento) de 2 e 4 CV que, nesse momento do projeto, aci-onado em partida direta utilizando-se somente 1 enrolamento para a velocidade mais alta . O sinal de comando para a partida tambm transmitido pela porta paralela placa opto-acoplada que dotada de um rel; este rel
alimentado com 220 V e, a partir da placa opto-acoplada, faz o chaveamento do contator do motor. Assim, a
seleo de velocidades do torno ser associada a uma combinao mecnica de duas alavancas no cabeote prin-
cipal e a partida direta do motor controlada pelo comado do computador. Tambm foi instalado um boto de
emergncia que desliga o equipamento e todos os drivers.
A insero de chaves de fim-de-curso no torno delimita o campo de trabalho dos carros e impede a movi-
mentao fora da rea de trabalho garantindo segurana e tambm possibilitando o ajuste de referncia para o software (home). Para chaves de fim-de-curso foram usados 4 sensores indutivos de 2 fios, atuando como cha-ves, que quando acionados enviam um sinal ao comando; o comando interrompe o programa e emite um alerta
de fim-de-curso acionado. A figura 8 a seguir apresenta o esquema simplificado das ligaes.
Figura 8: Esquema simplificado de ligaes (Autor)
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3.4 Programa CNC
A unidade de controle numrico da mquina um computador comercial comum, utilizando-se de um sof-tware como programa CNC. Foi necessria a utilizao de um software confivel e de baixo custo para exercer
suas funes de forma didtica e prxima de um ambiente real de uma indstria. Foram testados 3 softwares: o
TURBO CNC da DAK Engineering, o EMC2 da Linuxcnc.org e o MACH 3 da ArtSoft. O primeiro foi descarta-
do por ser pago e usar como sistema operacional o DOS, j em desuso; o segundo um software livre, porm usa o sistema operacional baseado em LINUX, o que dificultaria a didtica por ser um sistema ainda pouco amig-
vel. Por isso optou-se pelo uso do MACH 3, mesmo sendo um software tambm pago, apresenta-se com uma
interface grfica amigvel, telas fceis de entendimento, fcil configurao e guias pr-configuradas para facili-
tar a programao, como pode ser visto na figura 8.
O software MACH 3 executado em sistema operacional Windows XP, o que tambm pesou na sua escolha pois um dos sistema operacionais mais usados e mais difundidos entre os usurios domsticos.
Figura 9: Telas do programa MACH3 (ArtSoft)
O programa MACH3 capaz de comandar os dois motores de passo, comandar o acionamento do eixo rvo-re, limitar a movimentao dos carros nos dois eixos por meio dos sinais enviados pelos sensores de fim-de-
curso, executar movimentos manuais atravs do teclado, importar arquivos .DXF do CAD e gerar o cdigo de
programao partir dele, alm de possuir uma interface com arquivos facilitadores de programao. Na aba wizards do programa possvel encontrar arquivos de usinagem configurveis, onde o operador apenas infor-ma alguns valores bsicos e o software se encarrega de realizar os clculos e gerar o programa em cdigo ISO
(G). No software tambm h a possibilidade da edio do programa usando apenas o bloco de notas do Win-dows, salvando o arquivo em formato texto. A importao dos arquivos de usinagem tambm feita com base
nos arquivos de texto.
4- Resultados alcanados
Este projeto teve como principal objetivo a modernizao de uma mquina e atingir sua funo didtica na FATEC Catanduva. Os resultados alcanados mostram que esses objetivos foram alcanados. O equipamento
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encontra-se a disposio em um dos laboratrios de Automao da FATEC Catanduva e servir de apoio nas disciplinas do curso de Automao Industrial da instituio. Se compararmos o torno CNC montado no projeto com um mesmo equipamento industrial encontraremos alguns detalhes para comparaes. Em uma mquina
semelhante industrial, as velocidades mximas dos eixos chegam a 10000 mm/min enquanto no projeto conse-guiu-se chegar a 2600 mm/min, em funo do tipo de acionamento: servomotor no equipamento industrial e mo-tor de passo no equipamento do projeto. Guardadas s propores percebe-se que o projeto no fugiu s caracte-rsticas apresentadas.
Outro fator que merece um comentrio o custo. Para se adquirir uma mquina nova industrial, gastar-se-ia
em torno de R$ 120000,00, enquanto a modernizao do equipamento custou em torno de R$ 6000,00 com as configuraes atuais, alm de impedir o descarte do mesmo.
O sistema permite produzir peas diversas com usinagem de materiais de leve a alta dureza, alm de ter ca-
ractersticas prprias aos CNCs industriais familiarizando o aluno ao ambiente de trabalho, como mostrado na
figura 8. Na figura 10 apresentado o resultado final deste trabalho.
Figura 10: Projeto finalizado (Autor)
5- Concluses e Sugestes
Aps os testes do equipamento conclui-se que ele atende plenamente os fins a que se destina:
Aplicar conceitos adquiridos durante a formao acadmica;
Familiarizar o aluno s novas tecnologias;
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Modernizar um equipamento obsoleto e fora de uso.
O projeto cumpriu seus objetivos, proporcionou experincias na rea de desenvolvimento mecnico, eletro-eletrnico e de software. Algumas implementaes podem ser realizadas em trabalhos futuros:
Aplicar um controle de velocidade ao eixo rvore com Inversor de Frequncia;
Criar um sistema de malha fechada, recebendo sinais de encoders e transdutores;
Implantar um sistema capaz de ler a velocidade do eixo rvore para a sincronizao dos movimen-
tos de abertura de roscas no torno pelo software;
Construir um sistema de troca rpida de ferramentas ou troca automtica;
Adequaes s normas reguladoras NR-10, NR-12 e NR-17. DSST - Departamento de Segurana e
Sade no Trabalho, do Ministrio do Trabalho e Emprego.
Buscar solues de software livre para o comando numrico;
Acrscimo de ferramenta girante e posicionamento programado do eixo rvore para a funo de 3
eixo;
Utilizao e controle de fluido refrigerante;
Portas de proteo com controle pneumtico;
Alimentador automtico de barras com placa pneumtica;
Monitor sensvel ao toque.
6- Agradecimentos
Este trabalho foi desenvolvido com o apoio da Metalrgica Loren Sid Ltda., que cedeu seus equipamentos e
seu espao para a usinagem e confeco de todas as peas necessrias ao projeto, exceto o fuso, alm da Cassis Ferramentas que cedeu ferramentas para o projeto.
Agradecimentos tambm a FATEC Catanduva que apostou no projeto e mostrou que com motivao pos-svel alcanar os objetivos.
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