CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL. Marcos Antônio da Conceição Vagner Girotto MOTOR DE PASSO

Transcrição

1 Fatec Garça CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL Marcos Antônio da Conceição Vagner Girotto MOTOR DE PASSO GARÇA 2013

2 Fatec Garça CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL Marcos Antônio da Conceição Vagner Girotto MOTOR DE PASSO Artigo cientifico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça FATEC, como requisito para conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores. Data da aprovação: 24 / 06 / 2013 Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho FATEC Garça Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes FATEC Garça Prof. Esp. Adalberto Sanches Munaro FATEC Garça GARÇA 2013

3 MOTOR DE PASSO Marcos A. da Conceição 1 marcosonline@msn.com Vagner Girotto vagner_girotto@hotmail.com Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho 2 Engedson2009@gmail.com Resumo - Esse artigo apresenta um protótipo de uma máquina CNC (comando numérico computadorizado) a fim de possibilitar a usinagem de PCI (placa de circuito integrado). Para implementar este processo será utilizado um software de controle e os acionamentos serão executados por um motor de passo que irá movimentar um sistema de transmissão com correia e polia sincronizada. O objetivo deste artigo é apreender e explicar as características e o funcionamento do motor de passo, um tipo de motor elétrico que pode ser controlado por sinais digitais, tornando-o preciso e de recomendável utilização em aplicações que venham a requerer um ajuste fino de posicionamento como as maquinas CNC. Palavras-chave: Motor de Passo, CNC, PCI Abstract - This paper presents a prototype of a CNC (computer numerical control) to enable the machining of PCI (printed circuit board). To implement this process will use a software control and the drives will be run by a stepper motor which will move a transmission system with synchronous belt and pulley. The purpose of this article is to understand and explain the features and operation of the stepper motor, a type of electric motor that can be controlled by digital signals, making it necessary and advisable to use in applications that may require fine tuning of positioning as the CNC machines. Keywords: Stepper Motor, CNC, PCI 1 INTRODUÇÃO Devido ao avanço da tecnologia e o aumento da competitividade no mercado globalizado, as empresas buscam melhores equipamentos e máquinas com o objetivo de aumentarem sua produtividade e qualidade de seus produtos, a fim de atenderem com mais agilidade e confiabilidade seus clientes. Podemos ver esse avanço da tecnologia nas modernas máquinas Comando Numérico Computadorizado CNC onde as mesmas são indispensáveis para um 1 Aluno do Curso de Tecnologia em Mecatrônica. Faculdade de Tecnologia de Garça, turma de Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça FATEC.

4 mercado cada vez mais competitivo e que exige uma maior precisão e confiabilidade dos seus movimentos. Com os movimentos precisos das máquinas CNC os motores elétricos tiveram que ser aperfeiçoados para atenderem as exigências do mercado. A partir dos motores elétricos foram criados os motores de passo, que vieram suprimir a necessidade do mercado das máquinas e equipamentos que necessitam de precisão em seus movimentos. Esses motores são diferentes dos elétricos, sua principal característica é seus movimentos precisos, sincronizados e controlados por pulsos elétricos, possibilitando às modernas máquinas e equipamentos movimentos com precisão de centésimos. Esse artigo tem por finalidade mostrar o quão importante são os motores de passo no mercado e no nosso protótipo, que é a confecção de uma fresadora CNC para a fabricação de Placas de Circuitos Impressos (PCI) utilizados na indústria eletrônica. 2 DESENVOLVIMENTO Apresentaremos neste tópico a teoria dos motores de passo, seus tipos de controles e sua aplicação. 2.1 Motor de passo Segundo Vivaldini (2009), motores de passo são transdutores que convertem energia elétrica na forma de trem de pulsos, em energia mecânica na forma de movimentos rotacionais discretos. Eles são alimentados por sinais digitais que os colocam em vantagens sobre os demais motores elétricos, por terem um maior controle de seus movimentos. Toda a movimentação de um motor de passo segue as instruções digitais. A cada pulso ele faz um incremento rotativo (passo). O passo é só uma porção de uma rotação completa, para alcançar uma desejada rotação do eixo são precisos vários pulsos. O número de passos por rotação é o principal responsável pela precisão dos motores de passo (quanto maior o número de passos, maior à precisão). Usando

5 alguns controladores de motor de passo, os mesmos dividem o passo completo em meio passo. Com isso temos uma precisão maior dos incrementos rotativos. A principal motivação para a criação do motor de passo provavelmente foi a necessidade de um equipamento para posicionamento angular com melhor precisão do que os sistemas com realimentação e correção de respostas aplicados a posicionadores, utilizando motores de corrente continua aliados a servomecanismos (NASCIMENTO, 2006, p. 224) Definições e parâmetros Antes de explicarmos os tipos de motores e o funcionamento em si, definiremos algumas outras expressões a fim de tornar o texto mais claro. a) Rotor: É denominado rotor (Figura 1) o conjunto eixo-imã que rodam solidariamente na parte móvel do motor. Figura 1 - Rotor Fonte: Vivaldini (2009, p. 6) b) Estator: Define-se como estator a trave fixa onde as bobinas são enroladas. Figura 2 - Estator Fonte: Vivaldini (2009, p. 6) c) Passo Angular: a quantidade de passos varia de acordo com a quantidade de bobinas. d) Momento de Frenagem: momento máximo com o rotor bloqueado, sem perda de passos.

6 e) Momento (Torque): efeito rotativo de uma força, medindo a partir do produto da mesma pela distância perpendicular até o ponto em que ela atua partindo de sua linha de ação. f) Taxa de Andamento: regime de operação atingido após uma aceleração suave. g) Momento de Inércia: medida da resistência mecânica oferecida por um corpo à aceleração angular. h) Indutância: determina a magnitude da corrente média em regimes pesados de operação, de acordo com o tipo de enrolamento do estator: relaciona o fluxo magnético com as correntes que o produzem. i) Resistências Ôhmicas: determina a magnitude da corrente do estator com o rotor parado. Corrente máxima do estator: determinada pela bitola do fio empregado nos enrolamentos. j) "Holding Torque": é mínima potência para fazer o motor mudar de posição parado. k) Torque Residual: é a resultante de todos os fluxos magnético presente nos pólos do estator. l) Resposta de Passo: é tempo que o motor gasta para executar o comando. m) Ressonância: como todo material, o motor de passos tem sua frequência natural. Quando o motor gira com uma frequência igual a sua, ele começa a oscilar e a perder passos. n) Sew Rate : por um momento o motor não responde de acordo com o comando, ele não para, não começa e nem reverte o movimento. p) Taxa de Arranque: é a máxima aceleração permitida de operação, intimamente relacionada com o momento de inércia do rotor. (VIVALDINI. 2009, p. 7) Funcionamento Segundo Brites e Santos (2008), o funcionamento de um motor de quatro passos se dá pelo uso de bobinas solenoides, que consistem no enrolamento de um fio ao redor de uma superfície cilíndrica, alinhados dois a dois e quando energizadas atraem o rotor fazendo-o alinhar com o eixo determinado pelo solenoide, com esse alinhamento temos uma pequena variação de angular que chamamos de passo. Segundo Vivaldini (2009) o tipo de motor representado na figura 3, é formado por um estator de quatro polos eletromagnéticos e um rotor com um imã permanente de dois polos. Quando energizado, o estator, de forma que o polo três seja o norte e o polo 1 seja o sul, o rotor se alinhará conforme figura. Mas se o estator for excitado de forma que o polo quatro seja o norte e o polo dois seja o sul, o rotor dará um giro de 90º no sentido horário. Esse movimento rotacional do rotor é denominado de passo.

7 Figura 3 - Esquema de funcionamento Fonte: Vivaldini (2009, p. 8) Determinação do número de passos Segundo Brites e Santos (2008), o número de passos é determinado pela quantidade de bobinas no estator e o número de polos no rotor. Quando queremos um menor passo usamos um motor com uma quantidade maior de bobinas e um número maior de polos no rotor. Em motores de passo convencionais, essa variação angular (passo) pode estar entre 1,8 e 30, mas o caso mais típico é uma variação angular de 7,5. Esse menor passo se dá pelo maior número possível de alinhamento entre as bobinas do estator e o rotor Tipos de motores de passo Estudaremos três tipos de estrutura de motores: Relutância variável, Imã Permanente e Híbrido Relutância variável Segundo Vivaldini (2009) os rotores desses motores são feitos de aço doce, cuja composição consiste em um baixo teor de carbono, com múltiplos dentes e um estator com enrolamentos. Quando o estator é energizado eles ficam magnetizados e

8 geram um campo eletromagnético, atraindo os dentes do rotor. Isso faz com que o sistema tenha um circuito com menor relutância. Figura 4 - Motor de relutância variável Fonte: Brites e Santos (2008, p. 6) Imã Permanente Segundo Vivaldini (2009) o rotor de um motor de passo com imã permanente não apresenta dentes, e é magnetizado perpendicularmente ao eixo, com isso o torque estático não é nulo. Quando energizado as bobinas do estador em sequência, o rotor gira pela atração magnética. Figura 5 - Motor de imã permanente Fonte: Vivaldini (2009, p. 13)

9 Híbrido Segundo Brites e Santos (2008) o motor híbrido tem um custo mais elevado do que os anteriores, pois seu desempenho em relação à resolução do passo, torque e velocidade é superior. Os passos variam entre 0,9 e 3,9º ( passo por volta). A construção do motor híbrido combina as melhores características dos motores de relutância variável e motores de imã permanente. O rotor é multi-dentado, como no de relutância variável e tem um imã permanente ao redor do seu eixo. Esses dentes guiam o fluxo magnético, por um melhor caminho, para locais preferidos no GAP de ar. Figura 6 - Motor Híbrido Fonte: Brites e Santos (2008, p. 7) 2.2 Motor de passo unipolar Segundo Vivaldini (2009) motores de passo unipolares são alimentados por apenas uma fonte e reconhecidos pela derivação central em cada um dos enrolamentos formados por imãs permanentes ou híbridos. Cada enrolamento do estator deve possuir um ponto médio (centertapped). Metade do enrolamento é alimentado de cada vez, com um sentido de corrente diferente do que é aplicado à outra metade. Desta forma, quando uma metade é alimentada o campo magnético produzido tem um sentido, tendo o sentido contrário quando é alimentada a outra metade do enrolamento (VIVALDINI, 2009, p. 16).

10 Segundo Brites e Santos (2008) motores unipolares têm dois enrolamentos por fase, um para cada sentido da corrente. Figura 7 - Motor de passo unipolar. Fonte: Vivaldini (2009, p. 14) 2.3 Motor de Passo Bipolar Brites e Santos (2008) dizem que os motores bipolares têm um único enrolamento por fase e que a corrente em um enrolamento precisa ser invertida para inverter um polo magnético. Os motores bipolares são constituídos por enrolamentos separados que devem ser atuados em ambas direções para permitir o avanço de um passo, ou seja, a polaridade deve ser invertida durante o funcionamento do motor (VIVALDINI, 2009, p. 18). Figura 8 - Motor de passo bipolar Fonte: Brites e Santos (2008, p. 8)

11 2.4 Motor de Passo Ponte H Segundo Brites e Santos (2008), ponte H é um circuito eletrônico que permite um motor rodar tanto para um sentido quanto para o outro. Esse circuito pode ser encontrado pronto no mercado ou pode ser construído por componentes. O circuito é construído com quatro chaves (S1-S4) que são acionadas de forma alternada (S1 e S4 ou S2 e S3). Para cada configuração das chaves o motor gira em um sentido. As chaves S1 e S2 assim como as chaves S3 e S4 não podem ser ligadas ao mesmo tempo pois podem gerar um curto circuito (BRITES; SANTOS, 2009, p. 9). 2.5 Forma de excitação do motor de passo São três as formas mais comuns de excitação dos motores de passo Passo normal (full-step) Segundo Vivaldini (2009) quando excitado uma bobina de cada vez, o passo do motor é normal, movendo-se 1.8 graus num motor de 200 passos/revolução. Há dois tipos de passo normal: Meio passo (Half-step) Excitação de fase: o motor é operado com só uma fase energizada de cada vez. Este modo só deve ser usado onde o torque e a velocidade não são importantes. Excitação dual: é onde o motor é operado com as fases energizadas duas de cada vez. Este modo proporciona bom torque e velocidade com poucos problemas de ressonância. Excitação dual provê aproximadamente 30 a 40% mais torque que a excitação única, mas também requer o dobro de potência da fonte (VIVALDINI, 2009, p. 20). É a excitação única e dual alternadas, onde se têm metade de um passo normal (VIVALDINI, 2009, p. 20).

12 Figura 9 - Passo completo e meio passo dos motores Fonte: Brites e Santos (2008, p. 6) Micro passo Os motores de passo normais têm 1,8 graus e 200 passos /revolução, segundo Vivaldini (2009) com o modo micro passo eles são divididos em ângulos menores de acordo com o modo micro passo divisor, que pode ser de 10 à 256. Tipicamente, modos de micro-passo variam de divisor de 10 a divisor de 256 (51,200 passos/revolução para um motor de passo de 1.8 graus). Os micro-passos são produzidos proporcionando corrente nas duas bobinas de acordo com o seno e co-seno. Este modo só é usado onde é necessário movimento "macio" ou maior resolução (VIVALDINI 2009, p. 20). 2.6 Projeto-Protótipo Máquina CNC Router O protótipo desenvolvido para conduzir o trabalho relatado neste texto consiste em uma máquina de fresamento CNC route. Fresadora é uma máquina capaz de executar um movimento de corte, utilizando uma fresa de topo como ferramenta primária ao longo de, ao menos, dois eixos simultaneamente. (SMID, 2000),

13 Figura 10 - Protótipo utilizando Motor de Passo Fonte: Os Autores O objetivo é reduzir o custo de usinagem de PCI (placa de circuito impresso) em casos onde a demanda é baixa ou de uma única placa, que consiste em protótipo ou desenvolvimento específico. A placa de circuito impresso consiste de uma fina placa onde são impressas ou depositadas trilhas de cobre sobre um ou ambos os lados. Enquanto a placa se comporta como um isolante, as trilhas têm a função de conectar eletricamente os diversos componentes, para executarem suas funções no circuito.(doro,2004). Figura 11 - Placa de Circuito Impresso Fonte:

14 O projeto é dividido nas três áreas da mecatrônica: projeto mecânico, projeto eletroeletrônico e projeto de controle por software. O projeto mecânico está relacionado à escolha dos componentes da estrutura e dos elementos de máquinas que compõem a fresadora router. A estrutura física do projeto garante o melhor desempenho dos movimentos simultâneos dos eixos. Para atender às necessidades do projeto todas as guias retificadas, onde o portal da máquina vai deslocar, foram montadas utilizando equipamentos, acessórios e conhecimento na área metal-mecânica. O projeto de controle por software da fresadora CNC router é feito pelo software MACH 3 (DEMO). Nessa etapa do projeto é inserida pelo usuário, toda a programação dos movimentos que a fresadora irá realizar durante o processo de usinagem dos PCIs. Os dados inseridos no software são compilados em uma linguagem de programação conhecida como linguagem G, que é utilizada para escrever os programas de usinagem CNC, ou seja, é por meio dessa linguagem de programação que as máquinas CNC entendem os comandos e as coordenadas para executar a usinagem de peças. Essa linguagem é compatível com a linguagem da placa de interface, a transmissão desses dados é feita por uma comunicação paralela entre o computador e a placa de interface opto-isolada BPC PRO. O projeto eletroeletrônico é responsável pela alimentação dos motores de passo e seu controle, que por sua vez é feito pela placa BPC-PRO Opto-isoladora necessária para a comunicação entre o computador e a máquina. A mesma recebe as informações do software MACH 3 em pulsos elétricos, por uma conexão paralela, e os transmitem separadamente nas suas três saídas, cada uma delas é referente aos eixos X, Y e Z, para o driver de controle do motor de passo SMC-U-PRO V A placa controladora dos motores de passo (SMC-U-PRO V 6.10) converte os pulsos elétricos e aciona as bobinas gerando movimento dos motores de passo. Durante a programão no software MACH 3 é possível definir a velocidade, sentido de rotação e passo (passo completo, meio passo e micro passo) com grande precisão.

15 2.7 Motor de passo NEMA 23 O motor utilizado no protótipo foi um motor de passo unipolar de oito fios do fabricante NEMA 23. De acordo o datashetet do fabricante, disponibilizado em cdrom na compra do motor, seguem algumas especificações técnicas: Figura 12 - Especificações do motor Fonte: HOBBYCNC (2007) Esse motor foi escolhido pelo melhor custo benefício para o projeto de uma fresadora CNC router, onde a mesma vai usinar placas de circuitos PCIs. Esse processo necessita de pouco esforço e, por necessitar de pouca força, optou-se por esse motor. Figura 13 - Desenho técnico do motor Fonte: HOBBYCNC (2007)

16 Figura 14 - Esquema e ligação de um motor unipolar Fonte: HOBBYCNC (2007) 3 CONCLUSÃO Neste trabalho foram apresentadas algumas das principais características e vantagens dos motores de passo, que é o controle preciso da velocidade, direção e distância dos seus movimentos. Suas características fazem dele uma ótima opção na área da automação industrial, máquinas CNC e equipamentos onde são necessários um controle preciso de movimento e velocidade. Os motores de passo vêm ganhando espaço na indústria. A cada dia o mercado fica mais exigente em relação à qualidade e custo dos produtos. As empresas que querem se manter competitivas no mercado estão investindo em automação de seus processos visando o aumento da produtividade com um padrão de excelência na qualidade de seus produtos. Os motores de passo, nos dias de hoje, são essenciais na área da automação industrial e controle de equipamentos precisos por sua capacidade de transmitir aos atuadores toda precisão dos movimentos exigidos pela indústria. Como citado acima, os motores de passo são empregados em grande escala na indústria, o projeto apresentado utiliza três motores de passo. Observando o funcionamento tivemos a constatação na pratica de sua eficiência, onde apresentaram o quão preciso e ágeis são seus movimentos no deslocamento dos seus eixos, permitindo alcançar o objetivo que é executar o fresamento de placas PCI s.

17 O protótipo comprovou que os motores de passo juntamente com a eletrônica digital nos possibilitaram chegar ao objetivo de mostrar à grande utilização e aplicação dos mesmos na indústria. REFERÊNCIAS BRITES, Felipe Gonçalves; SANTOS, Vinicius Puga de Almeida. Motor de passo. Niterói: Universidade Federal Fluminense, Disponível em: < 9.pdf>. Acesso em: 20 fev DORO, Marcos Marinovic. Placa de Circuito Impresso: material complementar. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina- UFSC, Disponível em: < Acessado em: 27 jun HOBBYCNC. Título do cd em negrito. Belo Horizonte: HobbyCNC Brasil, CD-ROM. NASCIMENTO, Geraldo Carvalho do. Máquinas elétricas. 4. ed. São Paulo: Érica VIVALDINI, Kelen Cristiane Teixeira. Motor de passo: material complementar. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos USP, Disponível em: < Acesso em: 20 fev Smid, P. CNC Programming handbook, New York, Industrial Press, 2000, 620p