Projeto de minitorno CNC

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA – CAMPUS FLORIANÓPOLIS CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

Matheus Santos da Silva (Coordenador) Andreilton Carvalho dos Santos Lima Claudio Abílio da Silveira Gustavo Luis de Sousa Leonardo Santana

PROJETO DE UM MINITORNO CNC

PORTFÓLIO

Florianópolis, Abril de 2012.

SUMÁRIO 1 O PRODUTO ............................................................................................... 4 2 OBJETIVOS ................................................................................................ 5 2.1 Objetivo geral.......................................................................................... 5 2.2 Objetivos específicos ................................................................................ 5 3 CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO .......................................................... 6 4 NORMAS E LEIS QUE AFETAM O PRODUTO ............................................... 8 5 NECESSIDADES DOS CLIENTES................................................................. 9 6 REQUISITOS DOS CLIENTES ................................................................... 10 7 REQUISITOS DE PROJETO....................................................................... 11 8 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO ............................................................... 12 9 ESTRUTURA FUNCIONAL ......................................................................... 14 10 CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DO PRODUTO. ....................................... 15 11 SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DAS CONCEPÇÕES ....................................... 16 12 MODELO SIMPLIFICADO DO FUNCIONAMENTO ................................... 17 13 CONTROLADOR ..................................................................................... 18 14 CASA DA QUALIDADE – QFD ................................................................. 19 15 IMAGENS DA CONCEPÇÃO ADOTADA .................................................... 20 16 LISTA INICIAL DE MATERIAIS .............................................................. 23 17 PROJETO PRELIMINAR ......................................................................... 25 17.1 Esforços presentes no processo............................................................. 25 17.2 Módulo Mecânico ................................................................................. 29 17.3 Módulo Eletrônico ................................................................................ 30 17.4 Diagramas esquemáticos dos princípios de solução ................................. 31 17.5 Capacidade dos eixos de movimentação ................................................ 31 17.6 Capacidade do Spindle ......................................................................... 37 18 PARAMETRIZAÇÃO DO MACH3.............................................................. 41 18.1 Configuração inicial .............................................................................. 41 18.2 Saída dos motores ............................................................................... 42 18.3 Sinais de entrada ................................................................................. 43 18.4 Sinais de saída ..................................................................................... 44

3

18.5 Configuração do Spindle ....................................................................... 44 18.6 Configuração de ajuste dos motores ...................................................... 45

1 O PRODUTO O Projeto Integrador VI está relacionado com o objetivo do módulo VI do Cursos Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial que aborda os processos de automação da manufatura e que exige a construção de um protótipo de máquina que possibilite a aplicação de métodos de automatização de processos que são utilizados na indústria. Nesse contexto surge a necessidade de se projetar e construir um equipamento capaz de realizar processos de torneamento com base em comandos do tipo CNC. O produto desse projeto em virtude da sua utilização é conhecido como torno, contudo algumas das características exigidas pelos clientes tornam seu conceito mais restrito. Como se busca obter um equipamento com dimensões reduzidas e que permita sua portabilidade entre diferentes ambientes a denominação final do trabalho é projeto de um minitorno, agregando-se ainda a automação do processo de torneamento tem-se também um equipamento com a tecnologia CNC. Além do atributo de possuir tamanho reduzido, o minitorno é voltado usinagem de materiais do tipo polimérico como poliacetal, polietileno, poliamida entre outros, sendo características desses materiais a baixa dureza, maleabilidade e facilidade de usinagem por remoção de material. O minitono CNC compreende não somente a estrutura física que efetivamente atua no processo de usinagem do material da peça, mas inclui também todo conjunto formado pelo gabinete elétrico e suas partes integrantes, desde as placas eletrônicas de interface, fontes de alimentação, drivers de motores, sensores e outros periféricos necessários ao funcionamento geral do sistema. Inclui-se no escopo do projeto questões técnicas como a produção de documentos que apresentem as características do produto, especificações utilizadas no dimensionamento, etapas de configuração de hardware e software para integração da tecnologia CNC, aplicação dos recursos disponibilidades pela instituição e resultados alcançados ao final do projeto. O projeto do equipamento que atua de forma automática inclui também o desenvolvimento e aplicação de sistemas de proteção de assegurem a integridade

5

dos usuários, dos dispositivos envolvidos no processo de usinagem e da estrutura da instituição em caso de situações anormais de funcionamento ou por solicitação direta do operador. 2 OBJETIVOS Os objetivos descritos a seguir apresentam de forma resumida e direta as diretrizes que são almejadas pelo projeto. 2.1 Objetivo geral Desenvolver equipamento que realize operações de torneamento em peças poliméricas por meio do controle numérico computadorizado de seus movimentos. 2.2 Objetivos específicos São objetivos específicos do projeto: a) selecionar componentes mecânicos; b) desenvolver a estrutura mecânica; c) desenvolver o painel elétrico; d) estruturar dispositivos de segurança; e) realizar integração com controlador CNC MACH3; f) realizar testes de funcionamento; g) apresentar resultados técnicos.

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3 CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO

Projeto Detalhado

Projeto Preliminar

Projeto Conceitual

Projeto Informacional

Etapa

Semana

Atividade

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

x x Definir escopo do projeto x Desenvolver o cronograma do projeto x Desenvolver o cronograma da fase x x Definir os fatores de influência no projeto Identificar as necessidades dos clientes e x transformá-los em requisitos dos clientes x Estabelecer os requisitos do projeto Estabelecer as especificações-meta do x Projeto utilizando QFD x Atualizar o cronograma do projeto x Desenvolver cronograma da fase x Desenvolver a estrutura funcional do projeto x Desenvolver os princípios de soluções x Gerar alternativas de concepções x x Selecionar concepção do produto x x Desenvolver crockis da concepção selecionada x Avaliar a concepção do produto Apresentação do projeto conceitual e da previsão x de compras x Atualizar o cronograma do projeto x Desenvolver cronograma da fase Analisar a concepção para identificar processos x de fabricação e escolher materiais Definir fornecedores e parcerias x de co-desenvolvimento Modelagem em CAD dos sistemas, subsistemas x x x x e componentes (SSC) x x x x Modelagem dos circuitos de comando x x x x Modelagem do circuito pneumáticos x Defesa do projeto preliminar x x Detalhar modelos CAD x x Projeto de acionamento pneumático

Projeto do circuito de comando eletropneumático

x x

Montagem e integração dos sub-sistemas Construção do protótipo Testes/ Otimizações Validação dos sistemas em bancada

x x x x x x x x x x x

Entrega do artigo e relatório do projeto detalhado

x

Defesa final

x

Cronograma de planejamento

7

Ciclo de vida do produto (adaptado de Fonseca, 2000).

PROJETO INFORMACIONAL

8

4 NORMAS E LEIS QUE AFETAM O PRODUTO Ao decorrer do desenvolvimento do projeto é necessário que além de conhecermos os produtos e tecnologias existentes no mercado, nós também saibamos das normas e leis regidas pela sociedade a qual nos incluímos, e que irão de alguma forma afetar as características finais do produto. Para que posteriormente as decisões de projeto acerca do produto tenham em seus critérios a abrangência das normas e leis atuais, levantamos previamente esses fatores. A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) é o órgão responsável pela normalização técnica em nosso país e tem como objetivo fornecer um embasamento para o desenvolvimento tecnológico no país. Como membro fundador da ISO (International Organization for Standardization), da COPANT (Comissão Panamericana

de

Normas

Técnicas)

e

da

AMN

(Associação

Mercosul

de

Normalização) decidimos por citar algumas normas da ABNT que de alguma forma envolve o presente projeto: a) ABNT NBR NM ISO 10791-1:2002 b) ABNT NBR NM ISO 230-1:1999 c) ABNT NBR NM ISO 230-2:1999 d) ABNT NBR ISO 281:2007 e) ABNT NBR ISO 2768:2001 f) ABNT NBR 14153:1998 NORMAS TÉCNICAS DE SEGURANÇA a) Norma Regulamentadora NR 10 b) Norma Regulamentadora NR 12 c) Norma Regulamentadora NR 17 d) ABNT NBR 14153:1998 e) ABNT NBR 5410:2004 Versão Corrigida:2008

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5 NECESSIDADES DOS CLIENTES a) Baixo Custo; b) Modularidade; c) Componentes Padronizados; d) Utilizar materiais do portfólio do IFSC; e) Mantenabilidade; f)

Fácil operação;

g) Confiabilidade; h) Usinar poliacetal de Diâmetro = 25mm e comprimento =100mm i)

Entre pontos;

j)

Motor de Passo Acionamento X e Z.

k) Utilizar controlador Mach 3; l)

Portabilidade;

m) Usar porta paralela do PC; n) Usinar roscas; o) Ferramentas com haste 10x10mm; p) Permitir uso de duas ferramentas (gang tools) -> torneamento e fresa; q) Eixo árvore acionado por servo motor CC com escovas; r)

Rotação máxima = 4000rpm;

s) Resolução = 0,01mm; t)

Avanço = 600mm/min;

u) Repetibilidade unidirecional de 0,03mm; v) Segurança com intertravamento e se possível proteção em acrílico. Muitas das necessidades apresentadas pelos clientes possuem um caráter técnico que promovem um adiantamento de muitas questões que normalmente teriam de ser novamente abordadas com os interessados para que obter-se uma visão mais específica dos anseios relacionados ao produto.

10

6 REQUISITOS DOS CLIENTES Embora as necessidades apresentadas anteriormente deem uma visão que se espera do projeto e do equipamento resultante dele, é conveniente que sejam organizados e se necessários resumidos a pontos de comum entendimento para a equipe de projeto, que a essas necessidades “traduzidas” estabelece a denominação de requisitos do cliente, apresentados no quadro a seguir. Requisitos do cliente

Classe de requisitos Requisitos básicos

Requisitos do ciclo de vida

Requisitos específicos

Requisitos dos clientes Confiabilidade Ergonomia Portátil Compacto Segurança Manutenção Facilidade de operação Montabilidade Padronização dos componentes Acessibilidade Modularização Baixo custo Usinagem Entre Pontos Utilizar Controlador Mach Ferramenta 3/8" x 6" Portar 2 ferramentas

Grau de importância 5 3 5 5 5 4 3 3 5 5 5 5 5 5 5 5

Os requisitos dos clientes encontram-se divididos em três categorias: básicos, do ciclo de vida e específicos, além disso, também apresentam uma determinação de influência no projeto que é atribuída por um valor de um a cinco, presente na coluna da direita que se eleva conforme o grau de importância.

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7 REQUISITOS DE PROJETO São baseados nos requisitos do cliente, contudo estão vinculados a características de projeto e não mais apenas aos anseios dos clientes. O quadro abaixo resume os requisitos que são acompanhados de direcionadores (sinais entre os parênteses) que indicam sugestivamente sua condição esperada no projeto. Assim como os requisitos, também são divididos em ares de comum relacionamento. Requisitos de projeto

Requisitos do projeto (+) Isolamento elétrico Segurança

(+) Ausência de cantos vivos (+) Intertravamento (Parada de emergência)

Confiabilidade

(+) Repetibilidade (+) Robustez mecânica

Materiais

(o) Acabamento (+) Baixa vibração (+) Manutenção

Econômico

(-) Custo (+) Materiais do portfólio do IFSC (+) Facilidade de utilização (+) Documentação técnica

Utilização

(+) Compacto (o) Área útil de trabalho (+) Usinagem Entre Pontos (+) Ser portátil (+) Utilizar Controlador Mach 3

Funcionamento

(+) Portar 2 ferramentas (+) Bits de usinagem 3/8" x 6" (+) Resolução (o) Rotação máxima eixo árvore

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8 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO Utiliza-se como ferramenta para determinar o grau de importância dos requisitos de projeto a primeira matriz do método de desdobramento da qualidade (Quality Function Deployment - QFD) conhecida como casa da qualidade, apresentada no apêndice A, cujo resultado é apresentado no quadro a seguir: Especificações de projeto

1 2

Especificação Robustez mecânica Intertravamento

Valor Meta Baixa Vibração Parada total imediata

3

Área útil de trabalho

(150 x 75 x 75) mm

Utilizar Controlador MACH3 Materiais do portfólio do IFSC Ausência de cantos vivos Repetibilidade Manutenção Resolução Documentação técnica Bits de usinagem 3/8" x 4" Compacto Facilidade de utilização Isolamento elétrico Vibração Ser portátil Custo

Compatibilidade dos comandos 90% dos materiais disponíveis no IFSC Não possuir cantos vivos expostos Menor que 0,03mm >1000 horas Menor que 0,01 mm

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Aspecto indesejado Falha de componentes Acidentes Impossibilidade de usinar material com dimensões (25 x 25 x 100)mm Incompatibilidade com Controlador MACH3 Elevação dos custos Acidentes com o operador Erro aleatório Quebra prematura Maior que 0,01mm

Manual de Operações

Falta de informações

Padronização

Não suportar a ferramenta

(560 x 310 x 350) mm Indicação dos recursos disponíveis > 100MΩ Baixa Vibração Facilidade de transporte Até R$ 5000,00 Usinar tarugos polímero até 100mm de comprimento Trabalhar com 2 ferramentas

Maior que 0,06 m³ Erros operacionais Choque elétrico Interferência no Processo Não permitir deslocamento Maior que R$ 5000,00

18

Usinagem Entre Pontos

19

Portar 2 ferramentas

20

Rotação máxima do eixo árvore

Trabalhar com 4000 RPM

Baixo regime de rotação

21

Acabamento

Resistência a agentes externos

Deterioração prematura

Dificuldade na usinagem Exigir trocas de ferramentas

13

PROJETO CONCEITUAL

Periféricos Software Hardware

Usinar

Rotacionar Spindle Movimentar eixos Posicionar

Monitorar rotação Spindle Definir posição dos eixos

Fixar peça Fixar ferramenta Sustentar estrutura

MÓDULO MECÂNICO

Transmitir movimento

Para o Spindle Para os eixos

Definir posição

Guiar

Interfacear

Spindle Eixos Placa Interface

MÓDULO ELETROELETRÔNICO

Intertravar Controlar

Spindle Eixos

Alimentar

Monitorar fins de curso Monitorar emergência Provocar parada

Fixar

Energia Material bruto Comando CNC

TORNEAR PEÇA

Energia Dissipada Peça usinada Cavaco

9 ESTRUTURA FUNCIONAL

15

10 CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DO PRODUTO. Concepção A

Concepção B

Concepção C

Concepção Referência

Fixar Peça

Entre Pontos

Pinça Expansivas

Placa três Castanhas

Placa três Castanhas

Fixar Ferramenta Sustentar Estrutura Monitorar Rotação Spindle Definir Posição dos Eixos Rotacionar Spindle Movimentar Eixos

Castelo porta ferramentas

Magazine de Ferramentas

Gang Tools

Castelo porta ferramentas

Perfil de alumínio

Base fundida

Perfil de aço

Perfil de alumínio

Encoder Rotativo

Resolver

Tacômetro

Encoder Rotativo

Malha aberta

Régua potenciométrica

Encoder Rotativo

Régua potenciométrica

Servo motor DC com escovas

Motor de passo

Motor de indução

Servo motor DC com escovas

Motor de passo

Motor linear

Servo motor DC com escovas

Motor linear

Posicionar

Barra roscada

Motor linear

Fuso de esferas

Fuso de esferas

Para Spindle

Polias sincronizadoras

Engrenagens

Acoplamento direto

Engrenagens

Para os Eixos

Acoplamento direto

Engrenagens

Polias sincronizadoras

Engrenagens

Guia Linear

Guia Cilíndrica

Guia Linear

Barramento

Software

Mach 3

EMC2

Sinumerik

Mach 3

Hardware

CNC4PC C10

CNC BR

CNC4PC C35

CNC BR

Periféricos

Fonte Chaveada

Bateria

Bateria

Fonte Linear

Placa Interface

Fonte Chaveada

5V USB

Fonte Linear

5V USB

Eixos

Fonte Linear

Fonte Chaveada

Fonte Linear

Alimentação AC

Spindle

Fonte Linear

Fonte Chaveada

Fonte Chaveada

Alimentação AC

Spindle

Servo Drive DC Dugong

PROFI2S CNC

Servo Drive DC Dugong

VSD-XE-160

Eixos

Driver STR8

SMC-B-STD

Driver NGB

Driver NGB

Monitorar fim de curso Monitorar emergência

Fim de Curso Mecânico

Sensor Indutivo

Fim de Curso Magnético

Fim de Curso Magnético

Botão

Touch Screen

Pedaleira

Botão

Provocar parada

Relé

Software

Chave Geral

Relé

Transmitir Movimento

Usinar

Definir Posição

Fixar

Função/ subfunção

Intertravar

Controlar

Alimentar

Interfacear

Guiar

16

11 SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DAS CONCEPÇÕES As concepções alternativas do produto apresentam entre si métodos, componentes e formas distintas de executarem a função global do sistema, assim cada uma delas poderia virtualmente ser aplicada na resolução do problema, contudo essa diferenciação também permite que as soluções encontradas realizem suas funções com mais ou menos eficiência do que outras. Para determinar qual delas atende melhor ao projeto é utilizado um método sistemático conhecido como Método de Pugh ou Matriz da decisão, que pode ser observado no quadro abaixo: Matriz de decisão (método de Pugh).

Critério Isolamento elétrico Ausência de cantos vivos Intertravamento Repetibilidade Robustez mecânica Acabamento Baixa vibração Manutenção Custo Materiais do portfólio do IFSC Facilidade de utilização Documentação técnica Compacto Área útil de trabalho Usinagem Entre Pontos Ser portátil Utilizar Controlador Mach 3 Portar 2 ferramentas Bits de usinagem 3/8" x 6" Resolução Rotação máxima eixo árvore Pontos Positivos Pontos Negativos Total

Concepção A S S S + S S S + + + S S S S + + S S S + S

Concepção B S S S + S + S S S S S S S S -

Concepção C S S S S S S S S S S S S S S S

Concepção Referência 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7 0

2 7

0 6

0 0

+7

-5

-6

0

17

12 MODELO SIMPLIFICADO DO FUNCIONAMENTO

EIXO X EIXO Z

PC MACH3

GABINETE ELÉTRICO

INTERFACE SOFTWARE

INTERFACE HARDWARE

FIM DE CURSO HOME SPINDLE

USUÁRIO

ENCODER

SINAIS ENERGIA

ESTRUTURA MECÂNICA

GABINETE ELÉTRICO ESTRUTURA MECÂNICA

HOME X E Z

INTERFACE C10

DG

CHARGE PUMP

STR8

MOTOR EIXO X

STR8

PORTA PARALELA

Diagrama de funcionamento do sistema.

ALIMENTAÇÃO LOCAL 220V

FONTE 12V

SPINDLE ENCODER

C4

FONTE 5V

MOTOR EIXO Z

FIM DE CURSO INTERFACE HARDWARE

INTERTRAVAMENTO

ESTOP FONTE 24V

LIBERAR TRAVAMENTO RELÉ POTÊNCIA

FONTE 70V

Diagrama de funcionamento elétrico gabinete.

SINAIS ENERGIA

18

13 CONTROLADOR O software selecionado para controlar o minitorno denomina-se MACH3 e é disponibilizado pela empresa americana ArtSoft para aplicação em máquinas CNC como routers, fresadoras, máquinas de corte a laser, mesas de oxicorte entre outras aplicações. O MACH3 disponibiliza modos diferentes de interface com o usuário, a que mais se adéqua a aplicação no projeto é o perfil TURN, voltado especialmente para o controle de máquinas de torneamento como o minitorno, sua aparência pode ser observada na figura a seguir:

Tela do controlador MACH3 perfil TURN.

Além do baixo custo de aplicação, uma vez que a instituição detém a licença para sua utilização, o MACH3 é tido como um controlador de grande flexibilidade, pois permite ajustar usas configurações aos mais variados parâmetros encontrados nas máquinas que utilizaram a tecnologia CNC.

14 CASA DA QUALIDADE – QFD

15 IMAGENS DA CONCEPÇÃO ADOTADA

Vista Isométrica A

Vista Isométrica B

21

Vista superior da concepção adotada

Vista frontal da concepção adotada

22

Concepção da porca de transmissão.

16 LISTA INICIAL DE MATERIAIS

Descrição Referência Fabricante Acoplador 6 mm a relé AFT-24-R06-RL Alfatronic Acoplador a transistor AO 24V 100mA Proharin Botão de Chave Geral Botão de emergência Botão sem retenção Cabo 2 fios AWG 20 Cabo blindado 2 fios 1.5mm Cabo blindado 4 fios 1.5mm Cabo de força Tripolar 10A Cabo porta paralela Capacitor 8200 uF 75V Conector Circular 2 vias fêmea Conector Circular 2 vias macho Conector Circular 4 vias fêmea Conector Circular 4 vias macho Conectores de passagem MTB2,5 EM Metaltex Conectores terra MGB2,5 EM Metaltex Driver motor de passo STR8 Applied Motion Eletro calha 30 x 30 Fio AWG 22 - sinal Fonte chaveada 12V 1A Fonte chaveada 24V 1A Placa Charge Pump C4 Placa de Interface C10 Plug RJ45 macho 8 vias Ponte Retificadora Semikron Porta Fusível MAB1-F Metaltex Servodriver 160V@35A Dugong Transformador 18+18 8A Transformador 24+24 8A Trilho TS35 Legenda: C – Comprar; D – Disponível

Quant. Situação 3 D 4 D 1 D 1 C 4 C Há definir C Há definir C Há definir C 1un D 1un D 2 C 3 C 3 C 3 C 3 C Há definir D Há definir D 2 D Há definir D Há definir D 1 C 1 C 1 D 1 D 2 D 2 D 4 D 1 D 1 C 1 C Há definir D

24

PROJETO PRELIMINAR

25 17 PROJETO PRELIMINAR 17.1 Esforços presentes no processo Para seleção de componente que serão aplicados no minitorno é necessário que se conheça algumas particularidades relacionada com o processo de torneamento para que seja possível avaliar a influência, em termos de carregamento mecânico, que a estrutura pode estar sujeita. A figura a seguir mostra a vista superior de uma peça montada entre os pontos de um torno, sendo a ponto a esquerda correspondente ao eixo árvore da máquina responsável por girar a peça em torno de seu eixo enquanto que o ponto a direita atua livremente servindo de ancoragem para corpo que está sendo usinado pelas ferramentas, cuja orientação que pode ser frontal (FRONT) ou traseira (REAR) altera a referência do sistema de coordenadas enxergado pelo programa CNC.

REAR

XZ-

Z+ X+

FRONT

FIGURA 1 - Eixos de referência utilizados no minitorno.

O processo de usinagem previsto para ser realizado pelo minitorno apresenta uma série de características que resultam em diferentes esforços que aparecem tanto sobre a peça quanto na ferramenta, que consequentemente tende a transmiti-los para a estrutura mecânica do sistema. Uma abordagem simplificada do processo, apresentada na figura a seguir mostra como a interação das movimentações pode resultar em forças entre a ferramenta e a superfície a ser usinada.

26

Ap Fp Vf

Vc Ff

Fc

F FIGURA 2 - Forças presente no torneamento

Na figura anterior tem-se: F = força de usinagem [N]; Fc = força de corte [N]; Fp =força passiva [N]; Ff =força de avanço [N]; Vf = velocidade de avanço [mm/min ou mm/rot.]; Vc = velocidade de linear na superfície da peça [m/mm] Ap = profundidade de corte [mm]. A ferramenta descreve uma trajetória longitudinal, deslocando-se ao longo do comprimento da peça que apresenta uma determinada rotação, propiciada pelo motor do eixo árvore, o gume de corte da ferramenta a medida de avança sobre a peça provoca a remoção de material, essa retirada é responsável pela diminuição do diâmetro da peça. A velocidade linear na superfície da peça, também conhecida como velocidade de corte indica a velocidade com que a área da peça que está sujeita ao torneamento se desloca em relação à ponta da ferramenta, essa velocidade é influenciada pela rotação do eixo árvore (Spindle) e pelo diâmetro usinado no momento, quando relacionado na equação a seguir, os parâmetros anteriores podem ser utilizados para determinar a velocidade de corte como sendo:

27

Vc=

πD N 1000

(1)

Em que: Vc = velocidade de corte [m/min]; D = diâmetro usinado [mm]; N = rotação do eixo árvore [RPM]. A maioria dos fabricantes das ferramentas de usinagem tende a informar a velocidade de corte de seus produtos em função do material a ser usinado, nesse caso utiliza-se a equação anterior, isolando a variável N, para determinar a velocidade de rotação do Spindle com base no diâmetro da peça que será executada no torno CNC. A velocidade de avanço compreende rapidez com que a ferramenta ira se deslocar, e com isso efetuar a retirada de mais ou menos material, essa grandeza é definida em mm/mim, ou seja, quantos milímetros de deslocamento ocorrem em um período de um minuto, porém pode-se ainda defini-la em mm/rot., informando-se quando milímetros de movimentação linear da ferramenta são efetuados a cada 360° de rotação da peça. A relação entre essas duas unidades de medida são determinadas da seguinte forma:

Vc[mm/min]=N[RPM]  Vc[mm/rot.]

(2)

As forças de corte, de avanço e passiva tem um relacionamento direto com o processo de torneamento, e como consequência com a máquina ferramenta que executa a usinagem, ligação que fica evidente ao ser analisar a direção de atuação dessas forças. A força de corte é consequência do encontro da aresta de corte da ferramenta e a área que está sendo usinada, sua orientação tangencial a superfície da peça e perpendicular ao comprimento da ferramenta se da em virtude a rotação que força a superfície da peça de encontro à ferramenta. Já a força de avanço se manifesta em uma direção contrária ao movimento de translação que a ferramenta executa ao longo do comprimento da peça, enquanto a força passiva é uma componente que representa a força exercida contra a ferramenta no sentido radial da peça. A força de corte é considerada o principal fator de esforço presente no torneamento, pois ela define a potência necessária que o eixo árvore deve possuir para conseguir efetivar o processo de corte. Os estudos presentes na literatura apontam a equação de Kienzle como sendo uma das alternativas para se determinar a força de corte no processo de torneamento, sendo essa equação expressa a seguir:

28

Fc=b×h (1-m ) ×k c1.1 c

(3)

Em que: Fc = força de corte [N]; b = largura de usinagem [mm]; h = espessura de corte [mm]; kc1.1 = pressão específica de corte para um cavaco de 1x1 mm² [N/mm²]; mc = coeficiente angular da reta. A equação de Kienzle é baseada nos ensaios feitos empiricamente para determinar os coeficientes relacionados com cada tipo de material, cada classe de material empregado, assim como as características de usinagem e o tipo de ferramenta de corte utilizada, contribui para influenciar as forças presentes no torneamento. Contudo a maioria dos ensaios é realizada em peças metálicas, o que torna difícil a aplicação da equação de Kienzle na obtenção das forças presentes na usinagem de polímeros por falta das constantes obtidas nesses ensaios . Como esses valores serão determinantes nas etapas seguintes é necessário definir uma referência para as forças de torneamento, Rodrigues apresenta em seu artigo alguns resultados de ensaios experimentais com ligas não ferrosas, que embora não incluam nenhum tipo de polímero, podem ser utilizados como base para definir as forças de torneamento. A figura a seguir mostra o comportamento das forças presentes no torneamento em função da velocidade de corte empregada na usinagem de peças de cobre, com uma velocidade de corte de 96 m/mim, profundidade de 0,5mm, com uma ferramenta de Metal duro classe ISO P20 sem revestimento e sem uso de lubrificantes (RODRIGUES, pg3).

FIGURA 3 - Variação das forças de corte com o avanço (RODRIGUES, pg4).

29

O cobre foi escolhido por ser um metal com grande ductilidade, característica que também está presente na maioria dos polímeros, sendo assim os parâmetros obtidos com auxílio da figura anterior serviram de base para as considerações feitas com relação às forças de torneamento. No dimensionamento de máquinas ferramentas, essas forças são empregadas no cálculo de parâmetros relacionado à rigidez mecânica da estrutura e a capacidade dos elementos motores que efetuação a movimentação de dispositivos que estão sobre ação dessas forças. Para o projeto de construção do minitorno é necessário convencionar algumas dos esforços, principalmente para definir se os motores de passo aplicados nos eixos de movimentação e do motor DC empregado como Spindle são capazes permitirem a usinagem de uma peça de polímero. O quadro a seguir resume as forças de usinagem que serão teoricamente empregadas no minitorno, considerando que a velocidade de avanço para esse equipamento não será superior a 0,22 mm/rot. QUADRO 1 - Relação das forças de usinagem para o minitorno.

Conjunto que mais influência

Valor máximo estipulado Vf = 0,22mm/rot.

Força de corte Fc

Spindle

248N

Força passiva Fp

Eixo X

142N

Força de avanço Ff

Eixo Z

90N

Força de usinagem

Nota-se que a força de corte é a maior força presente no processo exigindo, portanto um esforço maior do eixo árvore para o torneamento do que o encontrado nos eixos de movimentação, sendo que o que atuam na direção transversal é mais carregado que o eixo longitudinal, logo em um sistema que tenha a mesma configuração de transmissão, o dimensionamento dos dispositivos deve leva em conta que a força passiva sobre o eixo X é maior que a força de corte que se manifesta sobre o eixo Z.

17.2 Módulo Mecânico O módulo mecânico do produto apresenta todos os elementos que constituem o “corpo da máquina”. Esta estrutura busca garantir que o produto em si tenha robustez e rigidez suficientes para que o equipamento funcione da melhor forma possível durante a execução das tarefas as quais é submetido. Além disso, cabe a tal estrutura oferecer uma base para a fixação dos demais

30 elementos presentes na máquina, como o castelo porta ferramentas e os dispositivos responsáveis por fixar a peça que será usinada. Toda a transmissão de movimentos da máquina é também de responsabilidade de elementos de natureza mecânica, isto é, são os dispositivos que irão propagar os movimentos produzidos pelos transdutores. No caso do mini torno, serão necessários elementos para conduzir os movimentos do motor DC para a rotação do eixo árvore da máquina, que no caso será feito com um conjunto de polias e correias. As polias terão uma relação de 1:1, ou seja, ambas com mesmo tamanho. O equipamento também dispõe de eixos de movimentação linear, nas direções longitudinal e transversal, que visam a movimentação do carro móvel. Eles são acionados por motores de passo e a transmissão do movimento é realizada por barras roscadas ligadas ao motor por um acoplamento flexível. Essa sequência de movimentos, em conjunto com os equipamentos que os originam, influenciam diretamente no processo de usinagem, que é a proposta fundamental do produto. Além das funções descritas anteriormente, ainda se tem o fato de que os movimentos lineares devem ser conduzidos de forma suave, precisa e com mínimo atrito. Com isso, as guias lineares fixadas à estrutura da máquina permitirão o deslizamento do elemento móvel, que conta com um conjunto de patins fixos ao mesmo, atendendo às características desejadas. 17.3 Módulo Eletrônico A importância do módulo eletrônico para o produto se justifica pelo fato de que é a partir dele que surgem as funções que irão comandar e coordenar as ações do equipamento. Dentro desse conjunto podemos citar as funções de interfaceamento, que buscam garantir a comunicação do usuário com a máquina, e toda a transmissão de comandos para a realização das tarefas. A comunicação usuário-máquina é realizada em conjunto com o software Mach3, que além de oferecer um ambiente que se comunica com o operador do equipamento, é também responsável por enviar os comandos presentes no código CNC para placa de interface C10 CNC4PC. Esta recebe as informações e, a partir delas, gera comandos elétricos para os drivers, por exemplo. Além disso, a placa também recebe informações provenientes de elementos como os dispositivos de fim de curso. Os drivers citados anteriormente têm a função de fornecer a energia necessária, de forma controlada, para os motores elétricos. O fornecimento de energia para o servomotor DC será realizado pelo servodriver Dugong, que entre suas características tem a possibilidade de controle passo-direção, em virtude da compatibilidade com o controlador Mach3, a disponibilidade de entrada de Enable e saída de erro, e também a entrada de encoder. Já os drivers STR8 garantirão o

31 fornecimento de energia para os motores de passos. Os drivers apresentam parâmetros importantes, como o fato de operarem em uma faixa de tensão de 24-75V, e por fornecerem corrente até 8A. Ainda em relação ao fornecimento de energia, o módulo eletrônico dispõe de três fontes, sendo uma de 70V DC para alimentar os drivers, uma fonte chaveada de 12V DC para fornecer energia aos circuitos lógicos, e por último uma fonte chaveada de 24V para o circuito de intertravamento. Finalizando, talvez uma das funções mais importantes do módulo eletrônico está relacionada ao intertravamento que tem como objetivo atuar a qualquer sinal de emergência, cortando a alimentação dos drivers. Com isso a máquina para a sua movimentação até que tudo volte ao normal. Esse sistema de intertravamento é auxiliado por um conjunto de elementos que vai desde chaves de fim de curso, que informa o controlador que a parte móvel atingiu o limite prédeterminado, a botões de emergência acionados pelo operador ou a parada realizada pelo software. 17.4 Diagramas esquemáticos dos princípios de solução Os diagramas esquemáticos procuram orientar os projetistas no dimensionamento do produto com base nas características presentes nos processos estudados, como ocorre quando se analisa as forças sobre os motores que executaram movimentos sujeitos a esforços presentes do processo de torneamento. 17.5 Capacidade dos eixos de movimentação A figura a seguir exemplifica um caso típico da aplicação de um parafuso de potência encontrado em máquinas ferramentas, e que no minitorno é representado pela barra roscada presente na transmissão de movimento do eixo longitudinal e transversal. É possível notar que a barra roscada está conectada diretamente ao motor, logo toda a variação angular que ocorre sobre o eixo do motor é transmitida para a barra de forma rígida, sem a presença de reduções. No centro da figura, o fuso atravessa um carro móvel que sempre mantêm a sua face superior voltada para o mesmo lado, ou seja, ele não gira em conjunto a barra roscada, que é suporta da pelo mancal de rolamento presente na extremidade superior.

32

Fr T p F FIGURA 4 - Forças no mecanismo de movimentação.

Na figura anterior tem-se: T = Torque produzido pelo motor; F = Força transmitida na direção axial; Fr= Força de resistência oposta ao movimento; p = passo do fuso (distância entre dois filetes consecutivos). A força que o carro móvel pode exercer contra a força de resistência imposta na direção contrária, que poderia se atribuído, por exemplo, ao processo de torneamento é relacionada com as características de transmissão do fuso e do torque que o motor disponibiliza em determinado situação. Essa relação teórica entre força, torque e passo do fuso pode ser descrita pela seguinte equação:

F 2π 2π  T =  F= T p p

(4)

Para determinar se o sistema de transmissão apresentado anteriormente possui condições de superar as forças de usinagem é necessário estabelecer os parâmetros a serem aplicados na equação. O passo tem como origem o tipo de barra roscada que apresenta maior possibilidade de ser empregada no minitorno, no caso uma rosca que segue o Padrão Métrico Internacional, que para uma barra M10 pode possuir 1,5mm entre seus filetes. A força está relacionada aos esforços de usinagem sobre os eixos de movimentação, sendo que o eixo mais carregado é aquele sofre a força passiva de torneamento com amplitude de 142N. Para afirmar que torque apresentado pelo motor pode superar esse carregamento é necessário analisar, com base nas especificações do fabricante, as características do transdutor, contudo os motores de passo tem uma característica o torque que diminui à medida que a

33 velocidade com que são acionados aumenta. Para definir a velocidade trabalho utiliza-se a equação de transformação (AKIYAMA, pg4) a seguir que relaciona a rotação do motor com a quantidade de pulsos enviados para ele durante o funcionamento do sistema.

RPM=

PPS  60 PPR

(5)

Em que: RPM = rotações por minuto do motor; PPS = pulsos por segundo; PPR = passos por revolução. Se considerado que o minitorno possui como requisito uma movimentação com avanço de 600mm/min e que o passo da barra roscada é de 1,5mm, o motor precisa de 400 rotações por minuto para atingir tal grandeza. Essa rotação e passo quando plicados na equação anterior resultam quantidade de pulso por segundo que são enviados ao motor, sendo seu valor correspondente a:

PPS=

RPM  PPR 400  400 = =2666,67PPS 60 60

(6)

Nota-se que para a quantidade de passo por revolução (PPR) foi atribuído o valor de 400, isso se deve ao fato do motor possuir 200 passos por volta e de sua utilização ter a pretensão ser em modo meio-passo, que multiplica por dois o números de posições de parada possíveis para o motor. Com o valor de PPS para a velocidade máxima de trabalho do torno é possível estimar o torque oferecido pelo motor de passo com auxilio do gráfico apresentado na figura a seguir:

34

FIGURA 5 - Gráfico de desempenho do motor (adaptado de AKIYAMA, pg3).

Para a quantidade de pulsos por segundo correspondente a velocidade de avanço máximo do minitorno foi encontrado um torque de 3,8 kgfcm, que corresponde aproximadamente a 0,3726Nm. Esse torque é transmitido do motor diretamente para a barra roscada, uma vez que não existe etapa de redução entre eles, logo a equação que descreve a transformação do torque em força, que se manifesta na direção axial do parafuso de potência poderia ser utilizada para se obter a capacidade força presente no carro móvel do minitorno, contudo um fator importante deve ser considerado nessa etapa, a eficiência da transmissão por porca e barra roscada. O grande problema relacionado com a transmissão de movimento utilizando parafuso e porca de potência é o atrito entre as partes com movimento relativo que ocorre basicamente no encontro dos filetes do parafuso e da porca, em virtude da área de contato ser grande quando comparada, por exemplo, com um fuso que possui elementos rolantes de esferas. A tendência é que boa parte do torque inserido no sistema seja desperdiçado para vencer o atrito gerado entre a porca e o parafuso, para compensar está deficiência, foi introduzido um termo adicional na equação que relaciona o torque e força, o rendimento (η), que correlaciona à eficiência mecânica (em porcentagem) da barra roscada, o resultado final com a inclusão do rendimento e do torque obtido no catálogo do motor pode ser observado na equação a seguir.

 2π  T   2π  0,3726  F=   η=   0,0015   0,25=390,18N    p 

(7)

O rendimento aplicado na equação anterior foi estabelecido como sendo de 25%, Norton (2004, pg768) apresenta uma tabela com rendimentos para diversos tamanhos de parafuso de

35 potência com coeficiente de atrito de 0,15 com a porca, sendo que o fator determinante é o ângulo de avanço, característica que para um parafuso M10 é de 3,02°, quando comparado com a tabela esse ângulo indica uma rosca com eficiência de 25%. Mesmo com o baixo rendimento, a força disponibilizada pelo sistema de transmissão acoplado ao motor de passo é teoricamente suficiente movimentar o carro móvel, como a maior exigência é de 142N e são disponibilizados aproximadamente 390N, tem-se 2,7 vezes mais força disponível nessa situação. Além da determinação do torque requerido pelo motor, é necessário estabelecer a capacidade do sistema de suportar as cargas envolvidas no processo, principalmente no que diz respeito à resistência mecânica do conjunto porca e barra roscada. A força que o fuso é capaz de suportar está relacionada com as características do material quanto a sua resistência ao escoamento (ponto onde a deformação ultrapassa o limite elástico), o que geralmente configura uma falha mecânica do sistema, e com a área submetida ao carregamento onde não se inclui o espaço ocupado pelos filetes da rosca. Essa área pode ser definida com base nos diâmetros primitivo e menor (NORTON, 2004, pg761) por meio da equação apresentada a baixo, que também se encontra no Apêndice D que mostra o cálculo completo de resistência vinculado a barra roscada.

2

π  dp+dr  -5 At=   =5,8  10 m² 4 2 

(8)

Em que: At = área sobre tração; dp = diâmetro primitivo; dr = diâmetro menor. A força que o parafuso pode resistir quando sofre uma solicitação de compressão ou tração é definida pelo produto entre a área e a resistência ao escoamento do material que constitui a barra roscada. Os fornecedores de barras roscadas nem sempre afirmam com certeza a composição do material empregado em seus produtos, contudo as informações contidas na maioria dos estabelecimentos comerciais pesquisados indicam uma tendência pela utilização das ligas de aço inoxidável do tipo 304 e 316. Dentre os aços inoxidáveis encontrados, aquele que possui menor resistência de escoamento em tração (com 0,2% de deformação) é o tipo 304 recozido, cujo valor é de 241MPa (NORTON, 2004, pg849). Aplicando os valores tabelados e calculados anteriormente se alcança a força máxima

36 que a barra pode suportar antes de ocorre uma deformação mecânica acentuada por meio da seguinte equação:

Fa=σt  At= 210 106  5,8 10-5 =13975,49N

(9)

Em que Fa = força axial de tração [N]; σt = tensão de escoamento [Pa]; At = área sob tração [m²]. Portanto a força necessária para romper uma barra roscada M10 de aço inoxidável 304 é de aproximadamente 14kN, considerando-se que o carregamento máximo em uma situação de travamento que o motor pode colocar sobre o sistema de transmissão é de 3,697kN (aplicando-se a equação teórica que relaciona força e torque quando o motor apresenta seu torque máximo de 9kgfcm), o coeficiente de segurança será de 378%. A utilização de parafusos quando sujeitos a cargas axiais pode acarretar em falhas devido ao cisalhamento dos filetes das roscas, tanto do parafuso quanto da porca. Caso o material da porca seja mais fraco que o empregado no parafuso, como acontece no projeto, cuja escolha inicial indica a utilização uma porca de poliacetal, a tendência é que ocorra o rasgamento dos filetes ao longo do diâmetro maior da rosca, para o cálculo de área de um único filete, Norton (2004,pg772) sugere as seguinte equação e coeficientes:

As=π  d  Wo  p=π  0,001 0,88  0,0015=4,15  10-5m²

(10)

Em que: As = área sob cisalhamento para um filete [m²]; d = diâmetro maior [m]; Wo = porcentagem do passo ocupado pelo material do diâmetro menor, 0,88 para roscas do tipo UNS/ISO; p = passo da rosca [m]; Aplicando o conceito de que a força é o produto de uma tensão aplicada em uma determinada área, é possível estabelecer a máxima força de cisalhamento que um único filete de rosca pode suportar sem que ocorra uma deformação plástica, o fato de se considerar o esforço sobre um filete

37 está baseado em uma situação crítica onde o carregamento não se encontra distribuído ao longo da rosca da porca, seu resultado é mostrado na equação a seguir:

Fs=τs  As=60,7 106  4,15 10-5 =2517,17N

(11)

Fs corresponde à força de cisalhamento em Newton, produto da tensão máxima de resistência à tração de 60MPa para acetal segundo Norton (2004, pg852) pela área em m² da rosca, o resultado mostra que um filete de poliacetal pode suportar aproximadamente 2,517kN, contudo o sistema de transmissão, quando sujeito a um travamento, onde o torque do motor pode ser máximo, tende a receber 3,697kN de força. Para definir a quantidade de mínima de filetes que suportaram o carregamento do sistema aplicam-se na equação abaixo as forças teóricas de resistência do filete da porca e um coeficiente de segurança com fator igual a três.

 3,697   Fmax  Nf=    n=    3,0  4,5filetes 2,517  Fs   

(12)

Em que: Nf = número de filetes; Fmax = força axial máxima do sistema de transmissão [kN]; Fs = força de cisalhamento para um filete [kN] ; n = coeficiente de segurança. Portanto é necessário que o projeto da porca de transmissão que será acoplada a barra roscada de aço inoxidável possua ao menos 4,5 filetes de roscas para suporta os esforços presentes no conjunto. Em termos dimensionais esse valor corresponde a uma porca com um comprimento de 6,75mm. 17.6 Capacidade do Spindle No processo de usinagem por torneamento um dos maiores esforços presentes é a força de corte, que se manifesta tangencialmente em relação ao diâmetro usinado a partir do ponto de contato da ferramenta com a peça. Essa força é resultado da rotação da peça que faz com que o material da superfície movimente-se de encontro ao gume de corte da ferramenta, realizando dessa forma a retirada de material.

38 O motor responsável por acionar o eixo árvore deve possuir torque suficiente para produzir um determinado esforço capaz vencer a força de corte imposta contra a superfície da peça com uma rotação que garanta a velocidade de corte especificada para a situação de usinagem. A velocidade de corte é um dado presente na maioria dos catálogos de ferramenta de corte que varia conforme o material, tanto da ferramenta quanto do material usinado. Como em um torno a velocidade de corte corresponde à velocidade relativa entre a ponta da ferramenta e a superfície peça, a tendência é que à medida que o diâmetro usinado é reduzido, ocorra a redução da velocidade de corte, pois em um cilindro a velocidade linear no centro é menor do que nas proximidades do contorno externo.

A rotação que o Spindle deve atingir para uma

determinada velocidade de corte e um diâmetro a ser usinado respeita a seguinte relação:

N=

Vc  1000 πD

(13)

Em que: Vc = velocidade de corte [m/min]; D = diâmetro usinado [mm]; N = rotação do eixo árvore [RPM]. Embora a velocidade de corte seja um parâmetro definido no início do processo de torneamento o diâmetro usinado tende a modificar-se constantemente à medida que o material é removido pela ferramenta. Para compensar essa variação é comum definir faixas de velocidade que são trocadas ao longo do processo caso esteja-se trabalhando com um torno convencional com mudanças feitas, por exemplo, com caixas de engrenagens ou pela utilização de recursos provenientes do controlador CNC que varia automaticamente a velocidade do Spindle em função da posição ocupada pela ferramenta em relação ao centro da peça. A figura a seguir mostra um gráfico que representa o comportamento da função que correlaciona o diâmetro usinado com a rotação do Spindle, em diferentes faixas velocidades de corte. Nota-se que para manter a velocidade de corte constante a velocidade deve aumentar à medida que se diminui o diâmetro em que a peça se encontra, sendo que para as velocidades de corte mais elevadas ou diâmetros muito reduzidos à rotação do Spindle é solicitada ao máximo, algo próximo das 4000 rotações por minuto.

39 RELAÇÃO ENTRE DIÂMETRO DA PEÇA E ROTAÇÃO DO SPINDLE 4000 3800 3600

ROTAÇÃO (RPM)

3400 3200

250m/min

3000

220m/min 190m/min 160m/min 130m/min

2800 2600 2400 2200

100m/min

2000 1800 1600 1400 1200 8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 DIÂMETRO DA PEÇA (mm)

FIGURA 6 - Gráfico de relação entre diâmetro e rotação da peça.

O gráfico anterior pode ser utilizado para definir-se a rotação com base no diâmetro da peça e nas especificações do fabricante da ferramenta de corte, contudo nada impede que seja utilizado num caminha inverso para terminação da velocidade de corte em função da peça ou da velocidade da máquina. Além da velocidade de corte empregada, outro fator importante é a força de corte, que aparece no cálculo da potência de usinagem, que efetivamente produz o trabalho de remoção de material da peça. A equação que define a potência necessária para que o motor do eixo árvore supere a força de corte é dado por:

Pc= Em que: Pc = potência de corte [W]; Fc =força de corte [N]; Vc = velocidade de corte [m/min].

Fc  Vc 60

(14)

40 A força de corte, como apresentada na secção “Esforços presentes no processo” é uma grandeza que depende da área de usinagem correspondente à quantidade de material que é removido e de constantes relacionadas com o material da peça, sendo que essa área de usinagem é fruto do avanço e da profundidade que a ferramenta descreve. Com a equação anterior é possível determinar a potência que o Spindle precisa entregar para vencer a força de corte a uma determinada velocidade de corte e estabelecer os parâmetros necessários para o dimensionamento do motor considerando, por exemplo, uma situação crítica de funcionamento da máquina quando se trabalha com usinagens pesadas, contudo em virtude da disponibilidade do servomotor, cujos parâmetros de potência são conhecidos, optou-se por calcular as máximas grandezas de trabalho que o minitorno poderia oferecer. Três variáveis estão presentes na equação anterior a potência, a velocidade e a força de corte, considerando que o motor pode oferecer uma potência constante em uma determinada faixa de rotação, a máxima velocidade de corte disponibilizada pelo minitorno é definida basicamente pela força que é exigida durante a usinagem. A força de corte não é um parâmetro costumeiramente conhecido, contudo ela pode ser expressa em termos de avanço por meio da análise do gráfico apresentado por Rodrigues (pg.3) que relaciona a força de corte em função do avanço para o cobre, material usado como referência na falta de informações sobre parâmetros de usinagem de poliacetal. Conhecendo a potência disponível no motor e determinando-se a velocidade de corte da ferramenta, consegue-se especificar a máxima velocidade de avanço, em milímetros por rotação, capaz de ser empregado no processo, como pode ser observado na figura a seguir que mostra um gráfico que relaciona velocidade de corte e o avanço máximo para faixas de rotação diferentes.

41

AVANÇO (mm/rot.)

MÁXIMO AVANÇO EM RELAÇÃO A VELOCIDADE DE CORTE 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05

4000RPM 3500RPM 3000RPM 2500RPM 2000RPM 1500RPM

85

100 115 130 145 160 175 190 205 220 235 250 265 280 295

Válido para Ap máx 0.5mm

VELOCIDADE DE CORTE (m/min)

FIGURA 7 - Máxima velocidade de corte em relação ao avanço.

Essas relações são baseadas em informações retiradas de ensaios descritos na literatura, contudo as variáveis capazes de influenciarem o processo são muitas, principalmente as características do material da peça, da ferramenta e para uma profundidade de corte de aproximadamente 0,5mm. O aumento da profundidade de corte tende a aumentar a forma de corte proporcionalmente, logo o gráfico anterior pode ter suas curvas anteriores deslocadas para permitir um avanço ou velocidade de corte maior. 18 PARAMETRIZAÇÃO DO MACH3 A parametrização compreende todos os valores e indicações necessários para realização da configuração do software, permitindo que correta integração entre o controlador e os demais componentes presentes no gabinete eletroeletrônico e na estrutura mecânica. 18.1 Configuração inicial

42 O início da configuração pode ser realizado na aba Config>Port&Pins, como mostrado na figura abaixo, onde os parâmetros mais importantes são a seleção da porta paralela utilizada que por padrão ocupa o endereço de memória 0x378 seguida pela velocidade ou Velocidade de Kernel.

FIGURA 8 - Configuração inicial.

Kernel Speed depende dos dispositivos de acionamento da máquina, seu valor deve estar acima da soma dos pulsos por segundo dos eixos quando estão em velocidade máxima. O Kernel Speed do minitorno deve possuir um valor de 35000Hz. 18.2 Saída dos motores Sobre a guia Motor Outputs, presente na mesma janela de configuração, seleciona-se os eixos passiveis de movimentação clicando sobre o campo pertencente à coluna Enable até o surgimento do símbolo de confirmação em verde, somente os eixos X, Z e Spindle (eixo árvore) são mantidos ativos. Para o eixo X reservou-se os pinos 2 e 3, para o eixo Y 4 e 5 e para o Spindle 6 e 7 como saídas de Step e Dir respectivamente. As colunas Step Port e Dir Port indicam qual porta paralela é utilizada por essas saídas.

43

FIGURA 9 - Configuração das saídas dos motores.

18.3 Sinais de entrada Na aba Input Signals são apontados os sinais que devem ser reconhecidos pela placa de interface e enviados ao controlador, que correspondem aos sensores de home para X, home para Y e a entrada EStop. Os sensores de home são ligados ao mesmo pino para reduzir a utilização dos pinos de entrada, nesse caso o controlador realiza a referência de cada eixo individualmente até que o sensor seja atingindo, em seguida a movimentação do eixo é revertida para desativar o sensor e liberar o pino para reconhecer o sinal proveniente o sensor instalado no próximo eixo a ser referenciado.

FIGURA 10 - Sinais de entrada.

44 O sinal EStop conectado a entrada 13 está ligado ao circuito de intertravamento por meio de um relé, em uma situação externa como a extrapolação dos limites de fim de curso ou solicitação de parada pelo acionamento do botão de emergência, o controlador interpretará como uma situação de parada de emergência e imediatamente o Mach3 interrompe suas ações. 18.4 Sinais de saída Na aba Output Signals é possível configurar as saídas da porta paralela conforme a necessidade do equipamento, isso inclui poder ligar a saída Charge Pump que envia, no caso do minitorno, para o pino 17 um trem de pulso com frequência de 12,5Khz sempre que o controlador Mach3 estiver funcionando corretamente, esse sinal é identificado pela eletrônica de uma placa que ativa ou não um relé ligado ao circuito de intertravamento para que o Charge Pump seja uma das condições necessárias para habilitar a máquina. Como pode ser observado na figura abaixo somente a saída Charge Pump está habilitada para atuar, porém nada impede a implementação de outras saídas desde que haja disponibilidade de pinos na porta paralela.

FIGURA 11 - Sinais de saída.

18.5 Configuração do Spindle Em Spindle Setup encontram-se algumas configurações sobre o eixo árvore e funções afins, nessa aba as opções de controle do motor (Motor Control) devem ser marcadas no campo Step/Dir Motor para que o controle do Spindle seja feito por meio de sinais de pulso e direção assim como ocorre nos eixos de translação. O controle do Spindle por relés, como consequência, deve ser

45 desabilitado, o mesmo ocorre com os controles de fluído refrigerante (Flood Mist Control) que tem as saídas também desabilitadas. A figura a segui mostra essas configurações aplicadas ao Spindle.

FIGURA 12 - Configuração do Spindle.

18.6 Configuração de ajuste dos motores Além das configurações dos pinos de saída e entrada, é necessário realizar a parametrização dos motores. Na guia Config> Motor Turning encontra-se caixa de diálogo para configuração dos eixos, como apresentado na figura a seguir que mostra a configuração do eixo X do minitorno.

FIGURA 13 - Configuração dos eixos de translação.

46 O campo Step per representa a quantidade de passo necessário para que a estrutura móvel do eixo se desloque em 1mm, serão necessários 266,667 passos para ocorre um incremento de milímetro. A velocidade desse eixo é de 600mm/min e a aceleração na ordem de 60mm/s². Esses mesmos parâmetros são empregados nos eixo Z, exceto para a velocidade que é de 800mm/min e a aceleração que é de 80mm/s² . O Spindle apresenta como configuração a quantidade de pulsos por revolução, nesse caso é aplicado o valor de 384. A velocidade do Spindle é dada em revoluções por segundo, com deseja-se uma rotação de 4000 RPM, esse valor corresponde a 66,66. A aceleração do Spindle possui valor inicial definido como sendo cerca de um sexto da velocidade máxima, contudo esses valores podem ser redefinidos conforme o comportamento do sistema. A configuração do eixo árvore pode ser conferida na figura a seguir.

FIGURA 14 - Configuração do eixo árvore.