CONVERSÃO DE TORNO MANUAL EM CNC PARA FABRICAÇÃO DE MICROSSISTEMAS PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ

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1 CONVERSÃO DE TORNO MANUAL EM CNC PARA FABRICAÇÃO DE MICROSSISTEMAS PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Rio de Janeiro Agosto de 2014

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ CONVERSÃO DE TORNO MANUAL EM CNC PARA FABRICAÇÃO DE MICROSSISTEMAS PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Profa. Carolina Palma Naveira Cotta, D.Sc. Prof. Jeziel da Silva Nunes, D.Sc. Prof. Renato Machado Cotta, Ph.D. Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL Agosto de 2014

3 Gurvitz, Pedro Henrique Queiroz Koatz de Conversão de Torno manual em CNC para Fabricação de Microssistemas/ Pedro Henrique Queiroz Koatz de Gurvitz. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, xi, 63 p.: il.; 29,7 cm. Orientador(a): Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Departamento de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Adaptação de Máquina Ferramenta. I. Cotta, Carolina Palma Naveira. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título iii

4 Dedicatória Dedico esse trabalho ao meu querido avô e pai Pedro Menezes de Queiroz que não pode estar aqui pra dividir esse momento de grande alegria, mas sei que ele sempre estará ao meu lado me protegendo. De que adianta bons ventos se não sabe para onde vai. Pedro Menezes de Queiroz iv

5 Agradecimentos Agradeço primeiramente a minha Família por me apoiar em todos os momentos, até mesmo aqueles em que houve dúvidas se eu estava no caminho certo. Da mesma forma agradeço aos meus amigos do Gordas e do Jenny pela paciência e amizade inabalável mesmo após longos anos dividindo o tempo com a dedicação aos estudos. Agradeço especialmente ao meu querido avô Pedro Menezes de Queiroz, que não pode estar presente para partilhar esse momento, por tantos anos de carinho e aprendizado ao seu lado. Agradeço aos professores Jeziel Nunes e Carolina Cotta pela orientação e os conhecimentos que foram passados. Aos colegas do LabMEMS pelo apoio durante essa trajetória. E finalmente, agradeço aos membros da minha banca avaliadora, os professores Renato Cotta e Fernando Duda v

6 Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. CONVERSÃO DE TORNO MANUAL EM CNC PARA FABRICAÇÃO DE MICROSSISTEMAS PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ Agosto/2014 Orientadores: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Curso: Engenharia Mecânica Este trabalho tem como objetivo converter um torno manual em um torno de comando numérico, com uma precisão que supere a máquina original, para a fabricação de microssistemas. A principal motivação desse trabalho é criar uma máquina que seja de fácil operação permitindo que os alunos do LabMEMS fabriquem dispositivos microfluidicos para compor seus projetos de forma mais simples e eficiente. Por ser um equipamento robusto e de baixo custo ele permitirá que os alunos aprendam a utilizar controle numérico e a partir daí comecem a fabricar seus próprios microssistemas. Uma preocupação nesse projeto foi criar um equipamento que permitisse o aluno desenvolver seus conhecimentos em fabricação para que assim se habilitasse a utilizar todos os equipamentos de usinagem existentes no laboratório e por esse motivo procurou padronizar o software utilizado em todos as máquinas operatrizes. Procurou-se manter os custos de aquisição de peças e de construção abaixo dos valores de aquisição de um torno CNC comercial para que o projeto tivesse viabilidade. vi

7 Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. CONVERSION OF A MANUAL LATHE MACHINE ON CNC FOR MANUFACTURING MICROSYSTEMS PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ August/2014 Advisor: Carolina Palma Naveira Cotta Jeziel da Silva Nunes Course: Mechanical Engineering This paper aims to convert a manual lathe in a CNC lathe, with a better precision than the original machine for microsystem fabrication. The main motivation of this work is to create a machine that is easy to operate allowing students of LabMEMS manufacture parts to make your projects more easily and efficiently. Being a robust and low-cost equipment, it will allow students learn how to use numerical control and from there begin to make their own microfluidics devices. One concern in this project was to create a device that allow students to develop their expertise in manufacturing so that it enable them to utilize all the existing machinery in the laboratory and this motivated sought to standardize the software used in all machine tools. We tried to keep the costs of acquisition and construction of parts below the values of acquiring a commercial CNC around so that the project had viability. vii

8 Sumário 1. INTRODUÇÃO Motivação Objetivo Estrutura do Trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Conversões de Tornos Manuais em Sistemas CNC MÁQUINAS DE COMANDO NUMÉRICO Histórico Unidade de controle Numérico Dispositivos de acionamento Sistemas de controle Polias Sincronizadoras e Correias Acoplamento Usinagem TORNO DE BANCADA MODELO MR PROJETO DE CONVERSÃO Descrições Gerais Especificações de Projeto Árvore Principal Movimentação do Carro Longitudinal Movimentação do Carro Transversal Seleção dos Principais Componentes Motor de Corrente Alternada Motores de Passo Polia Sincronizadora e Correia dentada Seleção do Painel de comando viii

9 6. EXECUÇÃO DAS ADAPTAÇÕES Adaptações no motor da Árvore principal Adaptações no Fuso de movimentação do Carro Longitudinal Adaptações no carro transversal UTILIZAÇÃO DA MÁQUINA CONVERTIDA ANÁLISE DE CUSTO CONCLUSÃO E PROPOSTAS DE APRIMORAMENTO BIBLIOGRAFIA APÊNDICE I DESENHOS TÉCNICOS... I APÊNDICE II CATÁLOGOS...X ix

10 Lista de Figuras FIGURA 1- TORNO BD-812 BRIDGEPORT CONVERTIDA EM CNC... 5 FIGURA 2 DETALHE DO ACOPLAMENTO DO FUSO PRINCIPAL FIGURA 3- DETALHE DO ACOPLAMENTO DO FUSO DE MOVIMENTAÇÃO TRANSVERSAL... 7 FIGURA 4 TORNO CNC ADAPTADO FIGURA 5 - PRIMEIRA MÁQUINA CNC DESENVOLVIDA FIGURA 6 TORNO CNC MODERNO FIGURA 7 UNIDADE CONTROLE NUMÉRICO MODERNA FIGURA 8 - PROGRAMA CAD/CAM CIMATRON FIGURA 9 MOTOR DE PASSO NEMA FIGURA 10 MOTOR DE PASSO EM VISTA EXPLODIDA FIGURA 11 MOTOR DE PASSO DE IMA PERMANENTE FIGURA 12 MOTOR DE PASSO DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL FIGURA 13 MOTOR DE PASSO DE HIBRIDO FIGURA 14 SERVO MOTOR DE CORRENTE CONTINUA FIGURA 15 MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA FIGURA 16 SISTEMA DE CONTROLE DE MALHA ABERTA FIGURA 17 SISTEMA DE CONTROLE DE MALHA FECHADA FIGURA 18 POLIA SINCRONIZADORA E CORREIA FONTE: 19 FIGURA 19 PROGRAMA DESIGN FLEX DE SELEÇÃO DE POLIAS E CORREIAS FIGURA 20 ACOPLAMENTO ELÁSTICO FIGURA 21 MOVIMENTOS FIGURA 22 PRINCIPAIS OPERAÇÕES DE TORNEAMENTO FIGURA 23 FERRAMENTAS DE TORNEAMENTO FIGURA 24- FURAÇÃO EM MICRO USINAGEM FIGURA 25-TORNEAMENTO LONGITUDINAL EM MICRO ESCALA FIGURA 26 TORNO MR FIGURA 27 DETALHE DO CARRO PRINCIPAL E DO TRANSVERSAL FIGURA 28 - DETALHE DAS ENGRENAGENS DE TRANSMISSÃO FIGURA 29 PLACA UNIVERSAL DE 3 CASTANHAS FIGURA 30 DETALHE DO BARRAMENTO DO TORNO MR FIGURA 31 DETALHE DAS ENGRENAGENS DE TRANSMISSÃO FIGURA 33 - SISTEMA DE COORDENADA CARTESIANO ADOTADO FIGURA 35 ALAVANCA DE ACIONAMENTO PORCA BIPARTIDA FIGURA 36 CARRO TRANSVERSAL FIGURA 37 PLACAS CONTROLADORAS DOS MOTORES DE PASSO FIGURA 38 PLACA OPTO ISOLADORA LPTOP FIGURA 39 FONTE 20A FIGURA 40 INVERSORA DELTA DE 0,75KW FIGURA 41 - PAINEL DE CONTROLE FIGURA 42 MOTOR TRIFÁSICO DE 1CV FIGURA 43- POLIAS SINCRONIZADORAS x

11 FIGURA 44-TENSIONADOR DA CORREIA FIGURA 45 ENCODER INSTALADO NO BARRAMENTO FIGURA 46 CONJUNTO MONTADO FIGURA 47- CONJUNTO MONTADO NO TORNO MANROD MR FIGURA 48 - FUSO DE MOVIMENTAÇÃO DO CARRO LONGITUDINAL FIGURA 49 - SUPORTE DO MOTOR DE PASSO DO CARRO LONGITUDINAL FIGURA 50 SUPORTE MOTOR DE PASSO MONTADO NO CARRO PRINCIPAL FIGURA 51 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAÇÃO DO CARRO LONGITUDINAL. 46 FIGURA 52 - SUPORTE DO MOTOR DE MOVIMENTAÇÃO DO CARRO TRANSVERSAL FIGURA 53- CARRO TRANSVERSAL ANTES DA MODIFICAÇÃO FIGURA 54 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAÇÃO DO CARRO TRANSVERSAL FIGURA 55 - CARRO TRANSVERSAL FIGURA 56 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAÇÃO DO CARRO TRANSVERSAL FIGURA 57- DESENHO DO TORNO CONVERTIDO VISTA FRONTAL FIGURA 58- DESENHO DO TORNO CONVERTIDO VISTA LATERAL FIGURA 59- VISTA FRONTAL DO TORNO CONVERTIDO FIGURA 60-VISTA LATERAL DO TORNO CONVERTIDO FIGURA 61- FACEAMENTO E TORNEAMENTO LONGITUDINAL FIGURA 62- FURAÇÃO FIGURA 63- CONECTOR FIGURA 64- TORNO CNC INNOV FIGURA 65 - SISTEMA DE FLUIDO DE CORTE FIGURA 64 SISTEMA DE MUDANÇA AUTOMÁTICA DE FERRAMENTA Tabelas TABELA 1 - G-CODE NORMA ISSO TABELA 2 - COMPARATIVA ENTRE OS TIPOS DE ACIONADORES TABELA 4 GEOMETRIA DA FERRAMENTA; TABELA 5- TABELA DE KIENZLE; xi

12 1. Introdução 1.1 Motivação O torneamento é uma operação de usinagem amplamente utilizada na indústria, que através da remoção do cavaco permite-se usinar peças de formatos geométricos de revolução. Esta operação ocorre ao se fixar uma peça a placa do torno e faze-la girar, enquanto uma ferramenta de corte fixa a um carro é pressionada de encontro à peça e com um avanço regulável remove-se material. O torno mecânico é uma máquina operatriz altamente versátil, que permite a usinagem de matérias de um estado bruto até o acabamento final. Permite, também, a utilização de diversos tipos de ferramentas e fixações para os mais variados tipos de projetos. O comando numérico computadorizado ou CNC, proveniente da sigla em inglês Computer Numerical Control, veio da necessidade de se aumentar a produtividade das máquinas operatrizes e mais ainda de se produzir formas mais complexas com uma precisão na repetição que permitisse a intercambialidade de peças produzidas em um lote. As primeiras máquinas CNC s surgiram em um contexto de amplo desenvolvimento da indústria aeronáutica na década de 50, mas foi somente na década de 70 que o desenvolvimento dos computadores permitiu a criação de máquinas dedicadas ao comando numérico. O aprimoramento cada vez maior dos softwares e dos hardwares computacionais propiciou um desenvolvimento e uma ampliação na utilização desse gênero de maquinas. No Laboratório de Nano e Micro Fluídica e Microssistemas (LabMEMS) fazse necessário a fabricação de componentes para utilização em pesquisas, que por serem de escala micro ou nano não são encontrados em larga escala no mercado o que torna o domínio da sua fabricação benéfica ao laboratório. Soma-se a isso que este tipo de conversão tem um grande apelo socioeconômico já que possibilita o acesso de micro e pequenas a esta tecnologia 1

13 inacessível para maioria das empresas deste porte. As soluções desenvolvidas nesta conversão permitirá que essas empresas possam adaptar suas máquinas ferramentas a uma custo relativamente baixo e assim poder melhorar a sua capacidade produtiva. 1.2 Objetivo O objetivo principal desse trabalho foi à conversão de um torno mecânico manual, modelo MR-330 comercializado no Brasil pela Manrod, em um torno de comando numérico e assim emprega-lo na fabricação de microssistemas e dispositivos microfluidicos a serem utilizados em pesquisas e protótipos no LAbMEMS- Laboratório de Nano e Microfluidica e Microssistemas COPPE/UFRJ. O torno modelo MR-330 fabricado pela Manrod possui projeto bastante robusto e assemelha-se aos modelos dos demais fabricantes que comercializam essas máquinas no Brasil, portanto as soluções aplicadas nesse projeto são aplicáveis a qualquer torno mecânico que apresente essa semelhança. O torno de comando numérico possui a vantagem de não necessitar de um operador com treinamento especifico, qualquer aluno do laboratório com conhecimento mínimo para utilizar o software computacional estará capacitado a fabricar componentes no torno. Procurou-se manter o mesmo software utilizado nas demais máquinas CNC do laboratório com intuito de criar uma padronização para que com isso a transição de uma máquina para outra fosse facilitada, incentivando ainda mais os alunos do LabMEMS a se aventurarem nos processos de fabricação e a produzirem cada vez mais protótipos de suas pesquisas. 1.3 Estrutura do Trabalho Este trabalho é composto de nove capítulos, no segundo capitulo é possível encontrar uma revisão bibliográfica que aborda projetos de conversão similares aos que discutiremos nesse projeto. 2

14 No terceiro capitulo discutiremos sobre máquinas CNC, seu histórico e os principais componentes utilizados nas conversões. No quarto capitulo encontra-se uma descrição do torno que será objeto deste trabalho. No quinto capitulo faremos uma apresentação do projeto de conversão com a seleção dos componentes que foram utilizados. No sexto capitulo será detalhado as adaptações que foram executadas no projeto. No sétimo capitulo exemplificaremos as possibilidades de utilização da máquina após ter sido convertida. No oitavo capítulo faremos uma analise de viabilidade financeira do projeto para justificar a conversão da máquina. No nono capitulo teremos uma conclusão sobre os objetivos alcançados no projeto e no décimo capitulo é possível encontrar a referência bibliográfica que serviu de base para esse trabalho. 3

15 2. Revisão Bibliográfica 2.1 Conversões de Tornos Manuais em Sistemas CNC. O constante avanço tecnológico da indústria, especialmente a de fabricação mecânica, vem exigindo de seus colaboradores uma produtividade e precisão cada vez maiores. De fato, nos próximos anos se espera uma nova revolução nas máquinas ferramentas com a difusão cada vez maior das máquinas de comando numérico, as CNC s, FERRARI (2011), o que traz como uma consequência imediata a grande necessidade de conversão das máquinas já existentes devido ao alto custo de aquisição de novas máquinas CNC s. Do ponto de vista econômico a aquisição de máquinas novas pode se tornar um grande desafio para micro, pequeno e médias empresas no país, uma solução que vem sendo experimentada com bastante sucesso é a modernização, ou retrofitting (adaptação), que tem por objetivo a atualização tecnológica das máquinas ferramentas. O retrofitting, ou reforma, é muitas vezes a solução para empresas que não possuem capital para investir e querem permanecer competitivos no mercado dando uma sobrevida a máquinas antes consideradas ultrapassadas. Neste cenário se torna de extrema relevância para o desenvolvimento tecnológico e econômico do país o desenvolvimento de soluções que permitam a adaptação dessas máquinas já existentes. A maneira mais comum de se fazer isso é a substituição de certos componentes necessários para a precisão exigida em CNC s, anexando novas tecnologias e mantendo suas características periféricas devido a sua alta rigidez. Essa demanda vem se tornando cada vez maior, tendo em vista que a eletrônica das máquinas e sistemas evoluiu de forma rápida nos últimos anos. Devido ao grande avanço tecnológico e a volatilidade do mercado, os produtos estão sendo produzidos com uma vida útil comercial cada vez menor. A nova demanda de produção da indústria como o just in time e com a competição com os produtos importados da China com baixo custo vem exigindo cada vez mais esforço da indústria 4

16 para se manter competitiva em um cenário onde a versatilidade e a redução de custos de produção são exigências básicas para se manter ativo. Podemos citar também o enorme ganho ambiental obtido com esse tipo de adaptação que impede que essas máquinas sejam lançadas no meio ambiente como sucata FERRARI (2011). O trabalho desenvolvido por GINGER (2010) realizou uma conversão de um torno fornece algumas informações relevantes tendo em vista a semelhança do equipamento com o que será modificado neste projeto. Neste projeto desenvolvido por GINGER (2010) foi utilizado um torno modelo BD-812 fabricado pela Bridgeport conforme mostra a Figura 1 foi feito os seguintes passos: primeiramente ele iniciou desmontando o torno e removendo alguns componentes originais como o fuso que comanda o carro principal e o trem de engrenagens que seriam posteriormente substituídos por um fuso de esfera. Figura 1- Torno BD-812 Bridgeport convertida em CNC Fonte: Ginger (2010). A substituição do trem de engrenagem foi feita substituindo-se o servo motor de corrente continua por um servo motor de corrente alternada de 1/2 hp e utilizando-se um variador de frequência para que se pudesse obter velocidades variáveis como ocorre na transmissão com correia e polia, além disso foi utilizado um encoder para que se monitorasse em tempo real a velocidade de rotação da arvore do torno. Essa substituição é de especial importância para quem pretende abrir roscas utilizando o torno. 5

17 A substituição do fuso foi feita para que se removessem as folgas que são comuns em fusos de rosca trapezoidais e se alcançasse folga zero como ocorre em fusos de esfera. Essa substituição foi feita removendo-se a castanha original do carro principal e adaptando-se uma castanha própria para fusos de esfera, o eixo foi fixado usinando-se a ponta e posicionando em mancais similares aos originais. O motor de passo foi acoplado diretamente à ponta do fuso através de um acoplamento e um suporte simples de sustentação do motor conforme apresentado na Figura 2. Figura 2 Detalhe do acoplamento do fuso principal. Fonte: GINGER (2010). O fuso que controla o avanço do porta ferramentas foi mantido original devido a falta de espaço para instalação da castanha utilizada em fusos de esfera. Para movimentação desse fuso foi acoplado uma polia sincronizadora no fuso e utilizado um motor de passo com correia para a movimentação, a correia sincronizadora foi utilizada para que não houvesse escorregamento entre correia e polia. O motor de passo foi fixado utilizando um suporte simples fabricado com chapa de alumínio. Essas modificações no fuso de movimentação transversal são apresentadas na Figura 3. 6

18 Figura 3- Detalhe do acoplamento do fuso de movimentação transversal Fonte: GINGER (2010). A empresa STIRLING STEELE comercializa projetos para automatização de máquinas operatrizes, dentre os projetos disponibilizados pela empresa pode-se destacar os projetos de conversão de mini tornos como o fabricado pela Cummins Machine modelo Os projetos destacam-se por manter a função de operação manual das maquinas além da adaptação de fusos de esfera para atingir altas precisões. Como a empresa comercializa esses projetos os detalhes de projeto são restritos aos compradores, a Figura 4 mostra um desenho de um torno adaptado pela STIRLING STEELE. Figura 4 Torno CNC adaptado. Fonte: STIRLING STEELE 7

19 3. Máquinas de Comando Numérico 3.1 Histórico No contexto da Segunda Guerra Mundial ( ), a demanda acelerada por aviões, carros, tanques, navio e etc. gerou uma necessidade de evolução das técnicas de produção com um papel que poderia ser decisivo. Com a perda da mão de obra masculina que deixara os postos de trabalho para lutar, houve a necessidade de substituição pela feminina o que implicava em treinamento e refletia diretamente na produção. Criava-se então o cenário propício para o desenvolvimento de máquinas automáticas de grande produtividade e que não dependessem da mão de obra utilizada para obter precisão. A primeira investida nesse sentido ocorreu em 1949 no laboratório de servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, com a junção de esforços entre a Força Aérea Norte Americana e a empresa Parson Corporation CASSANIGA (2005). Para esse experimento foi adotada uma fresadora de três eixos conforme mostra a Figura 5, que teve seus comandos e controles tradicionais retirados e substituídos pelo comando numérico, que na época utilizava leitora de fita de papel. Atualmente com a evolução do computador pessoal o meio mais utilizado para a tomada de dados em maquinas CNC s é o computador. Figura 5 - Primeira máquina CNC desenvolvida. 8

20 Fonte: CASSANIGA No inicio da década de 70, surgiram no Brasil as primeiras máquinas de comando numérico computadorizado (CNC) conforme mostra Figura 6 importadas dos Estados Unidos e as primeiras máquinas de comando numérico (CN) de produção nacional. A partir desse período podemos observar uma constante evolução das CNC juntamente com os computadores que à medida que foram se modernizando passaram a ter mais confiabilidade. Figura 6 Torno CNC moderno. Fonte: Imagem adaptada da Internet. Esquematicamente podemos dizer que a CNC opera com três passos básicos bem definidos. No primeiro passo o computador lê o programa e transforma para o código binário que é a linguagem da máquina. Em seguida, o operador da inicio ao ciclo de trabalho, e o computador lê os códigos binários e o transforma em pulsos elétricos que serão analisador pela unidade controladora da máquina e posteriormente enviada a unidade alimentadora. Por fim, a unidade acionadora recebe esse pulso e o transforma em movimento. 9

21 3.2 Unidade de controle Numérico Com o desenvolvimento dos microprocessadores e outros periféricos foi inaugurada uma nova era para as máquinas CNC, pois diferente de suas ancestrais que não possuíam capacidade de armazenamento de programas foi permitido ao comando numérico computadorizado realizar operações de logica, aritméticas e de controle de movimentação e em especial a de armazenar informações RUBIO (1992). Essa capacidade de armazenamento de informações gerou uma economia de tempo quando se produz peças de um mesmo lote uma vez que o programa não necessita de uma nova leitura a cada peça produzida. A Figura 7 mostra uma unidade de controle numérico moderna. Figura 7 Unidade controle numérico moderna. Fonte: Imagem adaptada da Internet No código binário o impulso com tensão corresponde ao um e o impulso sem tensão corresponde ao 0. Apesar do computador só reconhecer o código binário o programador não precisa estar familiarizado com a linguagem binária para utilizar as máquinas, ele pode fazer uso de uma lista de comandos determinados pelos fabricantes. Para que haja uma padronização da linguagem utilizada existe uma norma fornecida pela ISO (International Organization of Standardization), dentre as linguagens padrões podemos citar o código G conforme Tabela 1. 10

22 Tabela 1 - G-Code norma ISSO. Fonte: Imagem adaptada da Internet O sistema funciona da seguinte forma: o programador ao inserir o código no computador da máquina utilizando o código específico gera um segundo código em linguagem binária. Esse segundo código que foi gerado no computador da CNC vai então enviar os sinais corretos para o acionamento dos movimentos. Além da programação direta através do código G podemos citar também os programas de CAD/CAM. Utilizando programas como o Cimatron e o TopSolid é possível gerar diretamente a partir de modelagens em 3D códigos em linguagem G que podem ser carregados diretamente no programa Mach3. A Figura 8 mostra um exemplo do software Cimatron. Figura 8 - Programa CAD/CAM Cimatron 11

23 3.3 Dispositivos de acionamento Para que o deslocamento ocorra entre a peça e a ferramenta existem diversos tipos de dispositivos acionadores, dentre os mais relevantes para esse projeto podemos citar os servo motores de corrente continua, os motores de passo e os motores de corrente alternada. Os motores de passo conforme mostra a Figura 9 são dispositivos eletromecânicos de acionamento que através de pulsos elétricos promovem uma movimentação angular, segundo DOMINGOS (2009) o motor de passo se caracteriza pela capacidade de gerar força e velocidade através de sinais elétricos adicionados a sua bobina. Figura 9 Motor de Passo Nema 34. Fonte: Imagem adaptada da Internet Para fornecer uma conversão precisa de informações, o motor deve ter características síncronas, isto é, cada impulso recebido deve ser convertido em um movimento angular. Cada movimento angular recebe o nome de passo e a sucessão de impulsos com uma determinada frequência permite impor uma velocidade angular que pode ser considerada constante. Dada essa característica de movimento angular precisa o motor de passo garante um controle de posição sem a introdução de erros e isso 12

24 somado a simplicidade do controle faz com que os motores de passo sejam largamente utilizados. Um motor de passo padrão conforme mostrado na Figura 10 é composto de imãs montados em volta de um estator central com um enrolamento. O funcionamento é simples e ocorre quando o estator é energizado através de um pulso elétrico e o rotor tende a alinhar magneticamente seus polos com o par de polos gerados pelo enrolamento. Sua desvantagem é o baixo desempenho em altas velocidades. Figura 10 Motor de Passo em vista explodida Fonte: Imagem adaptada da Internet Segundo BETIOL (1989): dependendo das características construtivas os motores de passo podem ser classificadas em três tipos: imã permanente, relutância variável ou hibrido.. Os motores de passo de imã permanente mostrado na Figura 11 têm como principal característica o fato do rotor ser feito de um material que é permanentemente magnetizado. Os motores deste tipo possuem baixo custo, baixo torque e baixa velocidade. Seu uso é mais comum em periféricos de informática e devido a suas características construtivas o motor resulta em ângulos de passo relativamente grandes e seu controle pode ser mais facilmente implementado. 13

25 Figura 11 Motor de Passo de ima permanente Fonte: Imagem adaptada da Internet Os motores de passo de relutância variável conforme mostrado na Figura 12 ao contrario dos motores de passo de imã permanente, não possuem o rotor e o estator feitos de material permanentemente magnético, seus componentes são feitos de material ferromagnético ranhurados. A precisão desse motor pode ser aumentada através do aumento do número de ranhuras no seu eixo. Por não possuírem imãs permanentes seus componentes podem girar livremente sem torque de retenção. Esse tipo de motor é frequentemente utilizado em aplicações como mesas de micro posicionamento. Figura 12 Motor de Passo de Relutância Variável. Fonte: Imagem adaptada da Internet 14

26 Os de passo híbridos conforme mostrado na Figura 13 possuem as características combinados dos dois outros, eles possuem seus rotores feitos de imã permanente e de relutância variável. São os motores de passo mais utilizados em aplicações industriais pois misturam a mecânica mais sofisticada do motor de relutância variável com a potência do ímã permanente no eixo, dando um torque maior com maior precisão nos passos. Figura 13 Motor de Passo de Hibrido. Fonte: Imagem adaptada da Internet Os motores de passo podem ser acionados de três formas: passo completo, meio passo e micro passo que se caracterizam por serem frações do passo inteiro. Essas três maneiras se diferenciam pela forma como a sequência de comandos é enviadas da controladora para o motor. Os servo motores de corrente continua conforme mostrado na Figura 14 são controlados pela variação de tensão que lhes é aplicada. Fornecem alto torque e por isso são muito usados para acionar mecanismos de movimentação de máquinas ferramentas. 15

27 Figura 14 Servo Motor de corrente continua. Fonte: Imagem adaptada da Internet Os motores de corrente alternada conforme mostrado na Figura 15 tem sua velocidade controlada pela frequência da rede elétrica que os alimenta e por essa versatilidade são bastante utilizados em projetos de conversão. Figura 15 Motor de Corrente alternada. Fonte: Imagem adaptada da Internet 16

28 A Tabela 2 mostra um comparativo entre os tipos de acionadores. Tabela 2 - comparativa entre os tipos de acionadores. Fonte: FERRARI (2001) Característica Servo motor de corrente contínua Motor de passo motor de corrente alternada Velocidade Alta Baixa Média Torque Zero/alto Alto/média Baixa/alta Facilidade de Fácil Média Complexo controle Precisão Nenhuma Alta Muito alta Durabilidade Média Ótima Média Manutenção Sim Não Sim 3.4 Sistemas de controle Podemos separar as máquinas de comando numérico em dois grupos no que diz respeito ao sistema de controle utilizado. Os controles adotados podem ser de malha aberta ou fechada. A precisão da máquina é definida pelo tipo de malha utilizada RUBIO (1999). No sistema de malha aberta conforme mostra a Figura 16, a unidade controladora não monitora em tempo real a posição da ferramenta. Como não há realimentação não é possível detectar se existe um desvio de posição portanto a máquina não reconhece o posicionamento da ferramenta em função do seu ponto de origem. A posição dependera exclusivamente dos pulsos enviados aos motores de passo. Como não há utilização de transdutores para fazer a medição da posição, o controle por malha aberta torna-se mais barato tendo somente como desvantagem a dificuldade em se detectar erros de posição. Figura 16 Sistema de controle de malha aberta. Fonte: figura SILVEIRA 17

29 No sistema de malha fechada conforme mostra a Figura 17, o movimento da ferramenta é monitorado e essa informação é realimentada para o sistema permitindo que correções sejam feitas caso necessário. O movimento é detectado por meio de transdutores e encoders que são dispositivos utilizados para se obter uma leitura da velocidade de rotação que enviam sinais pra central. O sistema de malha fechada permite uma maior precisão no posicionamento da ferramenta mas isso tudo tem a desvantagem de ter um custo de aquisição maior que o sistema de malha aberta. Esse tipo de sistema é muito usado em servo motores que não possuem uma movimentação tão precisa quanto os motores de passo. Figura 17 Sistema de controle de malha fechada Fonte: Figura SILVEIRA 3.5 Polias Sincronizadoras e Correias As polias são elementos mecânicos circulares utilizados para transmitir forças e movimento, podem ser lisas ou ter ranhuras periféricas. Quando tiverem ranhuras periféricas são chamadas de polias sincronizadoras conforme mostra a Figura 18 e são muito utilizadas quando se quer transmitir forças sem que haja escorregamento. As correias são elementos flexíveis normalmente feitos com uma trama metálica envolta por camadas de lona ou borracha vulcanizada utilizados para transmissão entre duas arvores, são mais simples e econômicas de serem instaladas do que outras formas de transmissão como engrenagens e correntes. Quando projetadas de forma correta garantem uma transmissão de torque silencioso e não transmitem vibrações. Com exceção das correias sincronizadoras que possuem dentes pode existir um movimento relativo de escorregamento entre a correia e a polia. 18

30 Figura 18 Polia sincronizadora e correia Fonte: A empresa GATES comercializa correias e polias para máquinas, em sua pagina é possível encontrar vasto material sobre seleção incluindo um programa que auxilia no calculo da seleção. As seleções de correias e polias podem ser feitas de forma rápida com o auxilio do programa fornecido pela GATES conforme mostra a Figura 19 inserindo-se algumas informações como relação de transmissão, fator de trabalho e potência do motor e tendo como retorno dados interessantes ao projeto como comparativo de ruído e economia de energia entre diferentes modelos de polia e correia, velocidades e tensões. Figura 19 Programa design flex de seleção de polias e correias. Fonte: 19

31 3.6 Acoplamento A necessidade de transmitir de forma precisa o movimento feito pelos motores de passo cria a necessidade de utilizar acoplamentos que repitam tal precisão, segundo SANTOS (2001): seria ineficaz considerarmos em um projeto um motor de passo ou um servo motor de alta precisão, se os componentes ligados a eles como: acoplamentos, redutores, posicionadores, fusos de esferas, guias lineares e etc, não conseguissem manter no sistema o nível de precisão e repetitividade desejados.. Existem varias modelos comerciais de acoplamentos, cada um apresentando suas vantagens e desvantagens. Dentre os principais modelos de acoplamentos podemos citar os acoplamentos fixos, os móveis e os elásticos. O modelo elástico conforme mostra a Figura 20 é o tipo mais utilizado em mesas de posicionamento. Ele é composto de 3 partes, sendo um núcleo confeccionado em acetal e as partes externas de material metálico. Os cubos internos tem canais defasados em 90 graus onde a parte do núcleo se acomoda e desliza para absorver pequenos desalinhamentos. Figura 20 acoplamento elástico. Fonte: 3.7 Usinagem Este tópico em especial tem por objetivo introduzir os conceitos de básicos de usinagem ao leitor. Antes de projetar uma máquina ferramenta é indispensável que o leitor conheça e compreenda os conceitos de usinagem e as grandezas físicas 20

32 envolvidas. Neste trabalho daremos ênfase ao processo de torneamento, visto que o objetivo do projeto é desenvolver um torno CNC. O torneamento é um processo que permite usinar peças de formato geométrico de revolução. O torno permite a usinagem de uma peça desde o estado bruto até um formato de revolução ou uma combinação deles. Dentre as grandezas físicas envolvidas no processo de torneamento podemos citar como as mais relevantes o movimento de corte, movimento de avanço e movimento efetivo. A Figura 21 mostra em detalhe os movimentos. Figura 21 Movimentos. Fonte: FERRARESI Por ser uma máquina muito versátil o torno é capaz de usinar peças de diversos formatos e maneiras. A Figura 22 lista as principais operações realizadas no torno. 21

33 Figura 22 Principais operações de torneamento. Fonte: FERRARESI O torno possui um porta ferramentas que fica sobre o carro transversal onde é possível prender diversos tipos de ferramentas. A Figura 23 mostra algumas dessas ferramentas utilizadas em diferentes processos de torneamento. Figura 23 Ferramentas de torneamento Fonte: FERRARESI 22

34 Para a fabricação de microssistemas é necessária a utilização de ferramentas especificas. Por se tratar de micro usinagem onde na maioria das vezes as ferramentas tradicionais superam por si só as dimensões físicas a serem usinadas na micro escala, a aquisição de ferramentas com escala reduzida se torna obrigatória. Para a usinagem em micro escala é recomendado a utilização de ferramentas de metal duro ou aço rápido. A figura 24 e 25 mostram exemplos de micro usinagem realizada em um torno. Figura 24- Furação em micro usinagem. Fonte: Figura 25-Torneamento longitudinal em micro escala. Fonte: 23

35 4. Torno de bancada modelo MR-330 A máquina utilizada no contexto do presente estudo de conversão de uma máquina manual para comando numérico, foi um torno mecânico modelo MR-330 fabricado na China e comercializado no Brasil pela Manrod adquirido pelo LabMEMS - Laboratório de Nano e Microfluidica e Microssistemas da COPPE/UFRJ e apresentado na Figura 26. O torno mecânico modelo MR-330, é um torno de pequeno porte, fabricado em ferro fundido o que confere mais robustez a construção. Como a maioria dos tornos possui dois graus de liberdade: a movimentação longitudinal do carro principal sobre o barramento; e a movimentação do carro transversal. Figura 26 Torno MR-330. Fonte: Todos os carros movimentam-se sobre guias ao longo do barramento. Na versão que vem de fabrica, o carro principal pode ser movimentado manualmente através de uma manivela sobre uma cremalheira. Há também a possibilidade de se acionar o carro através do fuso que tem sua velocidade regulada por engrenagens conectadas a árvore principal. O carro transversal apresentado na Figura 27 só é movimentado quando acionado por um fuso manualmente. 24

36 Figura 27 Detalhe do Carro Principal e do Transversal. Fonte: Na versão que vem de fabrica, o torno é equipado com um motor de ¾ hp monofásico que transmite torque ao eixo árvore através de correia e polia. Através de um conjunto de polias e engrenagens escalonadas é possível mudar a relação de transmissão, disponibilizando seis velocidades no eixo da árvore, 125, 210, 420, 620, 1000 e 2000 rpm, sendo essas as velocidades padrão do torno Manrod MR-330. Através de um trem de engrenagens a árvore principal aciona um fuso que movimenta o avanço automático do carro principal, tornando possível operações de rosqueamento de roscas métricas com passo variando de 0,4 a 3,0 milímetros. A figura 28 apresenta um trem de engrenagens com funcionamento similar ao do torno Manrod MR

37 Figura 28 - Detalhe das engrenagens de transmissão. Fonte:Imagem adaptada da Internet. O torno vem equipado com uma placa universal de três castanhas acionadas simultaneamente com 120 mm de diâmetro conforme pode ser visto na figura 29. Figura 29 Placa Universal de 3 castanhas Fonte: Imagem adaptada da Internet. O cabeçote móvel apresentado na figura 30 serve para fixação de acessórios como o mandril, contra ponta fixa e a contra ponta rotativa. O barramento também apresentado mostra a figura 27 que forma o corpo do torno e por onde o carro principal desliza tem curso de 500mm (quinhentos milímetros), a parte superior do barramento tem formato trapezoidal que tem as vantagens de resistir melhor a pressão trabalho, compensar o desgaste das partes em atrito e de possuir grande precisão. 26

38 Figura 30 Detalhe do Barramento do torno MR-330. Fonte: Manrod. O porta ferramentas tem formato quadrado onde é possível fixar uma ferramenta diferente em cada face, através de uma alavanca é possível girar o porta ferramentas aumentando ainda mais a versatilidade da máquina. A figura 31 apresenta o porta ferramentas. Figura 31 Detalhe das engrenagens de transmissão. Fonte: Imagem adaptada da Internet. Com a configuração original de fábrica a capacidade de fabricação de microssistemas seria bastante subjetiva, pois estaria diretamente ligada a habilidade do operador da máquina. A conversão do torno original para o comando numérico elimina a necessidade de um operador com vasta experiência em fabricação e permite que um 27

39 aluno com conhecimentos em comando numérico fabrique seus componentes com uma regularidade e precisão que dificilmente seriam alcançadas com a operação manual da máquina. 28

40 5. Projeto de Conversão 5.1 Descrições Gerais O presente projeto de fim de curso visa converter um torno de bancada manual, como o apresentado no capitulo anterior, em um torno de comando numérico computadorizado. O torno passara a ser controlado por um computador industrial, mas também manterá suas características originais de operação manual, essa máquina ficara disponível a todos os alunos do LabMEMS para auxilia-los na fabricação de componentes para suas pesquisas. Optou-se por fazer a movimentação dos carros através de motores de passo e que esses motores seriam acoplados diretamente nos fusos. A velocidade de rotação do eixo arvore será provida por um motor trifásico com a velocidade controlada por um inversor de frequência, e o torque será transmitido através polias e correia dentada para manter o sincronismo. Optou-se por um sistema de referência onde o movimento longitudinal do carro ocorrerá no eixo Y e que o movimento transversal ocorrerá no eixo X conforme figura 32. Como neste tipo de torno não possui movimento vertical o eixo Z ficara definido apenas para compor o sistema de referencia. Estas definições são necessárias para que o sistema de coordenadas adotado pelo programa de controle dos movimentos esteja compatível com o sistema de coordenadas adotado no projeto. Figura 32 - Sistema de coordenada cartesiano adotado. 29

41 5.2 Especificações de Projeto Fonte: Imagem adaptadas A automação do torno será feita apenas nas direções X e Y de modo que os seus principais movimentos sejam controlados e monitorados por um computador industrial de baixo custo Árvore Principal Optou-se pela substituição do motor original por um motor de maior potência para dar mais torque à máquina em baixas rotações e que a velocidade do motor seria controlada por um variador de frequência. Para que isso fosse feito houve a necessidade de acoplar um contador de giros ou em inglês encoder ao conjunto. Esse contador de giros foi necessário porque ele retroalimenta o software de controle com a velocidade do motor e permite que o software defina o momento correto de mover a ferramenta. A utilização do novo motor de corrente alternada trifásico controlado pelo variador de frequência permitiu variar a velocidade gerou a necessidade de substituir as polias e correias originais por um conjunto de polias e correia dentadas Movimentação do Carro Longitudinal Optou-se por realizar a movimentação do carro longitudinal utilizando um motor de passo que seria controlado pelo comando numérico e que esse motor seria acoplado ao eixo, mantendo assim a operação manual. Com esta decisão foi mantida a manivela de controle manual como também não foi considerada a substituição do fuso original por um de esfera recirculante que emprestaria mais precisão e leveza no acionamento. A substituição do fuso por um fuso de esfera recirculante impossibilitaria a operação manual da máquina, pois não seria 30

42 possível utilizar uma porca bipartida para desacoplar o fuso do carro durante a operação manual. Assim o acionamento manual continua sendo através de uma engrenagem sobre uma cremalheira e o acionamento automático através de motor de passo com comando numérico que ao acionar a alavanca fecha-se a porca sobre o fuso convertendo o movimento angular do motor de passo em avanço linear no carro. Para a movimentação manual a porca bipartida fica aberta o movimento do carro é possível através de uma manivela conforme mostra a figura 33. Figura 33 Alavanca de acionamento porca Bipartida Fonte: Movimentação do Carro Transversal Optou-se por automatizar a movimentação do carro transversal que antes só era controlado manualmente. O carro transversal conforme mostra a figura 34, desliza sobre guias rabo de andorinha impulsionado por um fuso sobre o carro principal, para implementar o controle numérico um motor de passo foi acoplado ao fuso. A escolha do motor de passo foi devido a sua precisão que descarta a necessidade de utilizar-se controle de malha fechada simplificando e barateando a instalação. 31

43 Figura 34 Carro Transversal Fonte: 5.3 Seleção dos Principais Componentes Motor de Corrente Alternada O motor de corrente alternada deve atender as necessidades de torque e potência requeridas nas condições de usinagem mais severas. Através do manual fornecido pelo fabricante é possível encontrar os limites operacionais da máquina. A força de corte foi calculada pela equação [1]: [N] [1] Onde: Ks1- Pressão especifica de corte (tabela Kienzle- Fonte: Diniz 2010) [N/mm2]; (1-z)- valor experimental (tabela de Kienzle- Fonte: Diniz 2010); b- comprimento de corte [mm]; h-largura de corte [mm]; As tabelas 3 e 4 apresentam os valores obtidos por Kienzle de Ks1 e (1-z). 32

44 Tabela 3 Geometria da Ferramenta; Fonte: Diniz 2010 α= ângulo de folga da ferramenta χ= ângulo de posição da ferramenta γ= ângulo de saída da ferramenta λ= ângulo de inclinação ε= ângulo de ponta da ferramenta a= raio de ponta Tabela 4- Tabela de Kienzle; Fonte: Diniz 2010 = tensão de ruptura do material (N/mm²) A potência de corte requerida pela máquina é dada pela equação [2]: 33

45 [KW] [2] onde: Fc- Força de Corte [N]; Vc- velocidade de corte [m/min]; A potência requerida pelo motor é dada por: [Kw] [3] Onde: Pm- Potência do motor Pc- Potência de corte η Eficiência do motor elétrico Para os limites de usinagem recomendados pela Manrod usinando aço temos que a potência requerida pelo motor elétrico é: [Kw] Portanto para a nossa máquina foi selecionado um motor trifásico de corrente alternada de 0,73 kw (1 Cv). 34

46 5.3.2 Motores de Passo Os motores de passo devem ser capazes de atender as necessidades de torque e potência requeridas nas condições de usinagem mais severas. Através do manual fornecido pelo fabricante do torno é possível encontrar os limites operacionais da máquina. A força de corte no avanço longitudinal foi calculada pela equação [1]: O torque requerido pelos motores de passo é obtido pela equação [4]: [4] Onde: τ - torque Fc- força de corte d- diâmetro externo da peça usinada Para os limites de usinagem recomendados pela Manrod temos que o torque necessário será de: 4,4 [N/m] Para um motor com eficiência fornecido pelo fabricante de η=0,75 teremos: 5,9 [N/m] 35

47 Analisando o catálogo dos fabricantes de motores de passo contido no apêndice dois deste trabalho selecionamos para o carro longitudinal um motor de passo padronizado pela associação internacional de fabricantes de equipamentos elétricos da sigla em Inglês Nema 34 de 8,8N/m. A força de avanço do carro transversal pode ser obtida pela equação [5]: [5] =2,36[N/m] Para o carro transversal foi selecionado um motor de 4,9[N/m], essa folga foi adotada para que o motor tivesse mais estabilidade em baixas rotações e permitisse uma movimentação mais precisa do carro transversal Polia Sincronizadora e Correia dentada Tendo selecionado o motor de corrente alternada foi possível selecionar as polias e a correia a serem utilizadas. No site da empresa Gates que fabrica correias e polias é possível encontrar um software que auxilia na seleção conforme foi apresentado na figura 14 na seção 2.5 deste trabalho. A seleção foi feita baseado na potência do motor de 1Cv, no fator de trabalho de máquinas operatrizes acrescido de um fator de segurança. Devido ao ambiente onde as correias serão utilizadas é necessário adotar um fator de trabalho e um fator de segurança para garantir o funcionamento sem falhas da correia. Utilizando o software definimos as polias sincronizadoras com 107 mm de diâmetro e passo 8M. O passo é definido de acordo com a potência e a utilização das polias, para máquinas ferramenta utiliza-se passo 8M por ser mais resistente. A correia selecionada tem 840 mm de comprimento com passo 8M. 36

48 5.3.4 Seleção do Painel de comando Para esse projeto foi adquirido uma solução pronta fornecida pelo representante dos componentes necessários para a montagem do painel de comando. Para isso foram selecionadas placas controladoras (drivers) modelo DSMU 080 conforme mostra a figura 35 compatíveis com o torque dos motores de passo, pois são capazes de fornecer a intensidade corrente necessária para o funcionamento correto dos motores. As placas escolhidos são de fabricação nacional, fabricadas pela CNC MASTER e podem ser configuradas para trabalhar com o software Mach 3 utilizado no projeto. Figura 35 Placas controladoras dos motores de passo. Fonte: Hsk Store Para que o computador industrial próprio para trabalhar em ambientes com vibração pudesse ser ligado no painel de comando sem risco de sobrecarga através da porta serial foi necessário selecionar uma placa opto isoladora modelo LPTOP-05 conforme mostra a figura 36. A placa opto isoladora é necessário porque os motores de passo trabalham com tensões mais altas que o computador dessa forma há risco de sobrecarregar o hardware do computador. 37

49 Figura 36 Placa Opto Isoladora LPTOP-05. Fonte: Hsk Store Para alimentar os motores de passo foi necessário selecionar uma fonte capaz de fornecer a corrente e a tensão necessária. Cada motor de passo necessita de 6A, para garantir que não haja sobrecarga na partida dos motores foi selecionada uma fonte fabricada pela CNC MASTER capaz de fornecer 20A. A figura 37 mostra a fonte utilizada na montagem. Figura 37 Fonte 20A. Fonte: Hsk Store Para a alimentação e controle do motor de corrente alternada trifásico foi necessário selecionar um variador de frequência capaz de fornecer a potência necessária para o motor de 1 Cv. Para isso foi selecionado uma inversora da empresa DELTA de 0,75 kw conforme pode ser visto na figura

50 Figura 38 Inversora Delta de 0,75kW. Fonte: Delta O computador utilizado para controlar o sistema utiliza um Hd do tipo SSD que confere mais velocidade de processamento além de ser mais apropriado por ser mais resistente a vibrações. O computador utiliza um processador Dual Core e 4Gb de memória RAM. O software Mach3 foi adquirido e instalado no computador industrial. Para facilitar a iteração entre o operador e o sistema e em face do ambiente inóspito que a máquina é utilizada foi selecionado um monitor touch screen que facilita a operação do software e elimina a necessidade de mouse e teclado que são sensíveis a entrada de corpos estranhos como cavacos e limalhas. O sistema de controle foi adquirido pelo LabMEMS, montado em um painel metálico de 600 milímetros de altura, por 500 milímetros de largura, por 25 milímetros de profundida próprio para instalações desse gênero. Componentes do painel: Dois drivers controladores Cnc Master modelo DSMU 080, com alimentação de 40Vcc à 80Vcc. Placa Opto controladora Cnc Master modelo LPTO com cinco entradas e Doze saídas, com alimentação de 5vcc. Inversora de Frequência Delta de 0,75KW. 39

51 Fonte linear com tensão de entrada de 220v e tensão de saída de 67Vcc e corrente de 20A. Cpu industrial composta por uma placa mãe modelo GA-C847N-S2, com processador Celeron Dual Core, mémoria Ram de 4GB e dispositivo de armazenamento SSD 60GB. Licença do software Mach 3. A Figura 39 apresenta o painel de comando montado: Figura 39 - Painel de controle. 40

52 6. Execução das Adaptações 6.1 Adaptações no motor da Árvore principal Na montagem do motor não foi necessário nenhuma adaptação uma vez que o motor adquirido em substituição tem a mesma furação do motor original bastando, portanto a simples substituição do mesmo. O motor original não permitia a utilização de uma inversora de frequência para o controle da velocidade, com a utilização do motor trifásico a inversora pode ser utilizada. A Figura 40 mostra o novo motor montado no barramento. Figura 40 Motor Trifásico de 1Cv. A transmissão do movimento para a árvore do torno foi modificada com a retirada do conjunto de polias e a sua substituição por duas polias sincronizadoras de mesmo diâmetro que transmite o torque do motor a árvore do torno. Na Figura 41 é vista a montagem das polias. 41

53 Figura 41- Polias sincronizadoras. Observou-se a necessidade de um mecanismo para esticar a correia de forma a mantê-la na tensão ideal aumentando assim a sua vida útil. Na Figura 42 pode ser visto o mecanismo de tensionamento da correia. O tensionador utilizado tem 50mm de diâmetro, 25mm de largura e possui fixação excêntrica para permitir o tensionamento da correia. Figura 42-Tensionador da Correia 42

54 Na tabela 5 encontram-se os comprimentos de correia padronizados inclusive o modelo utilizado nesse projeto. Tabela 05 Tabela de Medidas Padronizadas de correias Fonte: catálogo de correias Gates Como foi utilizado um motor de corrente alternada trifásico, ou seja, um circuito de malha aberta houve a necessidade de utilizar um encoder para informar o software de controle a velocidade do motor. Para que o encoder fosse acoplado o eixo do motor foi prolongado na parte traseira, permitindo o acoplamento do encoder e preservando o sistema de arrefecimento do motor. Na Figura 43 pode ser visto o encoder acoplado. No apêndice um deste trabalho podem ser vistos os desenhos detalhados do acoplamento e do suporte utilizados nessa montagem. Figura 43 Encoder instalado no barramento. 43

55 Na figura 44 vemos o desenho da montagem de todo o conjunto e na figura 45 apresentamos a foto da máquina convertida nesse projeto com a indicação dos principais componentes utilizados na conversão. Figura 44 Conjunto Montado. Figura 45- Conjunto Montado no torno Manrod MR

56 6.2 Adaptações no Fuso de movimentação do Carro Longitudinal No carro longitudinal foi definido que o motor de passo seria instalado na lateral esquerda da máquina, para que isso fosse feito houve a necessidade de remover as engrenagens que conectavam o fuso à árvore conforme pode ser visto na figura 46. Figura 46 - Fuso de movimentação do carro longitudinal. Após a posição do motor de passo ter sido definida foi necessário fabricar um suporte para posiciona-lo conforme mostra a figura 47. O suporte foi fabricado com uma furação que permitisse que o motor ficasse alinhado e a furação seguisse o padrão dos motores Nema 34 apresentados na figura 4. O catálogo dos motores padrão Nema 34 pode ser encontrado no apêndice dois desse trabalho. O desenho detalhado do suporte pode ser encontrado no apêndice um deste trabalho. Figura 47 - Suporte do motor de passo do carro longitudinal 45

57 Para acoplar o motor de passo ao fuso foi projetado um acoplamento que transmitisse o movimento do eixo do motor ao fuso. A figura 48 mostra o acoplamento junto com o motor montado no suporte fixado ao torno. O desenho detalhado do suporte pode ser encontrado no apêndice um deste trabalho. Figura 48 suporte motor de passo montado no carro principal No desenvolvimento e montagem das peças procurou-se utilizar a furação já existente no barramento do torno, embora tenha sido necessário executar alguns furos. A figura 49 mostra o motor de passo, o acoplamento e o fuso montados. Figura 49 - Motor de passo montado no fuso de movimentação do carro longitudinal. 46

58 6.3. Adaptações no carro transversal Para acionamento automático do carro transversal o motor de passo foi instalado na parte posterior do carro para manter a manivela de acionamento manual. Para montagem do motor foi necessário desenvolver e fabricar um suporte que permitisse o acoplamento do eixo do motor a ponta do fuso. A figura 50 mostra a peça em questão. O desenho detalhado do suporte pode ser encontrado no apêndice um deste trabalho. Figura 50 - Suporte do motor de movimentação do carro transversal. O suporte adaptador foi montado na parte posterior da mesa o que permitiu a montagem do motor de forma que fosse possível manter o curso original da mesa. A figura 51 mostra uma foto do conjunto antes da modificação e a figura 52 mostra uma representação do conjunto após a modificação. Figura 51- Carro transversal antes da modificação 47

59 Figura 52 - Motor de passo montado no fuso de movimentação do carro transversal. Para que fosse possível o acoplamento do eixo do motor com o fuso foi necessário alongar a ponta do fuso soldando um prolongamento na extremidade e fabricar um acoplamento que propicia a ligação. A figura 53 mostra o fuso alongado com o acoplamento. O desenho detalhado do acoplamento pode ser encontrado no apêndice um deste trabalho.. Figura 53 - Carro transversal. As figuras 54, 55, 56, 57 e 58 mostram respectivamente o motor de passo montado no fuso de movimentação do carro transversal, uma representação do conjunto montado em vista frontal e em vista lateral. 48

60 Figura 54 - Motor de passo montado no fuso de movimentação do carro transversal. Figura 55- Desenho do Torno Convertido Vista Frontal 49

61 Figura 56- Desenho do Torno Convertido Vista Lateral Figura 57- Vista Frontal do Torno Convertido 50

62 Figura 58-Vista Lateral do Torno Convertido 51

63 7. Utilização da máquina convertida Após a conversão o torno CNC poderá ser utilizado pelos alunos do LabMEMS para fabricação de componentes que serão utilizados em suas experiências. O aluno poderá inserir o desenho da peça feito em um programa CAD a ser fabricada no torno utilizando o programa Mach3 que converte automaticamente o desenho para linguagem binária que é entendida pela máquina e então se dá inicio a fabricação. O programa Mach3 determina automaticamente os parâmetros das operações como número de passes, velocidade de aproximação e rotação da árvore do torno o que na prática facilita a utilização da máquina pelos alunos, pois descarta a necessidade de conhecimentos específicos de usinagem. O programa também fornece a opção de customizar os parâmetros de usinagem citados anteriormente e deixa a decisão de quais parâmetros adotar com o usuário. Um exemplo de um componente que pode ser fabricado no torno são os conectores de entrada e saída dos micro trocadores de calor das células fotovoltaicas com alta concentração (HCPV). Devido ao seu tamanho reduzido esses conectores não são encontrados no mercado, portanto sua fabricação é necessária. Para refrigeração do painel ao todo serão utilizados 300 micro trocadores e com isso será necessário fabricar 600 conectores para o sistema. Os conectores podem ser fabricados a partir de uma barra cilíndrica de 1/8 de polegada (3,17mm) e 20mm de comprimento. O planejamento do processo de usinagem pode ser feito seguindo-se uma sequência de etapas lógicas conforme será demostrado a seguir: Primeira etapa: nesta etapa as dimensões da peça devem ser acertadas. Um faceamento da extremidade direita deve ser feito seguido de um torneamento longitudinal. Essas etapas são necessárias para garantir a cilindricidade da peça o que garante que ao fixar na castanha seja possível centralizar a peça corretamente. 52

64 O faceamento deve ser feito utilizando uma ferramenta de pastilha de metal duro para garantir que as rebarbas da operação de furação sejam totalmente removidas e que a superfície fique totalmente plana. O torneamento longitudinal deve ser feito utilizando uma ferramenta de pastilha de metal duro para corrigir o diâmetro máximo da peça e para garantir que as superfícies fiquem totalmente lisas. A barra cilíndrica original vem de fabrica com 3,17mm de diâmetro, portanto um passe longitudinal de 0,17mm de profundidade deve ser feito por uma extensão de 10mm da peça. A Figura 59 mostra um desenho representativo das operações realizadas nesse etapa. Figura 59- Faceamento e Torneamento Longitudinal Segunda etapa: a segunda operação a ser realizada no torno é a furação. Utilizando uma broca de um mm de diâmetro que é fixada no mandril do carro móvel conforme mostrado na figura 27 podemos aproximar a broca da peça que é fixado na placa do torno movimentando o mandril manualmente através de uma alavanca e assim realizar a primeira operação de furação com 10mm de profundidade. A figura 60 mostra um desenho representativo da operação de furação. 53

65 Figura 60- Furação Terceira Etapa: nessa etapa a peça usinada advinda da segunda etapa já com a dimensão máxima ajustada deve passar por uma operação de perfilamento para que os sucos e os rebaixos possam ser feitos. A extremidade direita deve ser usinada utilizando uma ferramenta de pastilha de metal de duro, nessa extremidade serão feitas três ranhuras de 45 graus e 1 mm de comprimento que mais tarde servirão para ajudar a fixar os tubos de conexão dos micro trocadores. A extremidade esquerda deve ser rebaixada em 1 mm para ser acoplada ao micro trocador, para essa operação serão necessários 2 passes de 0,5mm de profundidade ao longo de um comprimento longitudinal de 2 mm. A figura 61 mostra um esboço da peça finalizada e um desenho mais detalhado com todas as medidas pode ser encontrado no apêndice um deste trabalho. 54

66 Figura 61- Conector 55

67 8. Análise de Custo Para que a conversão do torno mecânico modelo MR-330, fabricado pela Manrod, objeto deste estudo se justifique, foi necessário manter os custos de aquisição assim como o da fabricação dos componentes utilizados para a conversão abaixo do custo de aquisição de uma máquina de comando numérico com características similares encontrada no mercado, ou seja, custos de fabricação abaixo do valor de uma máquina nova. Para execução deste projeto de conversão foram adquiridos os seguintes componentes: 1 motor de corrente alternada tifásico; 1 CPU industrial; 1 placa opto isoladora; 1 motor de passo de 90 Kgf; 1 motor de passo de 50 Kgf; 1 fonte de 20 A; 2 drivers de comando; 1 monitor touch screem de 19 ; 1 caixa metálica para painel de controle de 500 x 600 mm; 1 par de polias sincronizadoras e uma correia dentada de 840 mm. O custo total de aquisição dos componentes e a montagem do painel, que foi executado pela empresa HSK Store, totalizaram R$ 7.941,00 (Sete mil novecentos e quarenta e um Reais). Para a adaptação dos componentes adquiridos, foram projetadas e fabricadas as seguintes peças: 1 suporte para fixação do encoder; 56

68 1 suporte para fixação do motor de passo no eixo do carro longitudinal; 1 suporte para fixação do motor de passo no eixo do carro transversal; 3 acoplamentos; O custo de fabricação dessas peças totalizou R$1.260,00 (Um mil duzentos e sessenta Reais). O somatório dos custos de aquisição e fabricação totalizou R$ 9.201,00 (Nove mil duzentos e um Reais), deve ser somado a este valor o custo de aquisição do torno, que foi de R$ 5.400,00 (Cinco mil e quatrocentos Reais). Assim, chegamos ao total do projeto com custo de R$ ,00 (Quatorze mil seiscentos e um Reais). Um torno com características similares às deste projeto, com barramento de 450 mm, fabricado no Brasil pela INNOV, tem custo estimado em aproximadamente R$ ,00 (Vinte e nove mil novecentos e noventa Reais). A figura 62 apresenta um modelo comercial com características similares a máquina convertida neste projeto. Figura 62- Torno CNC INNOV Fonte: Tendo em vista os dados acima mencionados, pode-se afirmar que este projeto é viável, pois, além do ganho com a redução dos custos de produção, que engloba a 57

69 redução da perda de matéria prima e economia de energia, estima-se que do ponto de vista de produtividade há ganhos de até 40% na produção. 58

70 9. Conclusão e Propostas de Aprimoramento O objetivo principal deste projeto é a conversão de um torno mecânico manual, modelo MR-330 comercializado no Brasil pela Manrod, em um torno de comando numérico e assim emprega-lo na fabricação de microssistemas e dispositivos microfluidicos a serem utilizados em pesquisas e protótipos no LAbMEMS- Laboratório de Nano e Microfluidica e Microssistemas COPPE/UFRJ. Através do presente estudo constatou-se ser possível a proposta inicial de se converter uma máquina manual em uma de comando numérico computacional com um custo inferior ao da aquisição de uma nova no mercado, sendo possível agora utilizar uma nova ferramenta para fabricação de peças e projetos dos alunos com muito mais rapidez e precisão. O custo para aquisição de peças e fabricação de outras, sem ser somada a isto a compra da máquina, totalizou R$ 9.201,00 (Nove mil duzentos e um Reais). Este valor equivale a menos de 30% do valor total para aquisição de um torno de comando numérico. Foi gasto R$ 5.400,00 (Cinco mil e quatrocentos Reais) para aquisição do torno, que representa menos de 20% do valor total do custo de um torno de comando numérico novo. Ao final, chegamos a um montante total de R$ ,00 (Quatorze mil duzentos e um Reais), que corresponde a menos de 50% do valor de mercado de um torno de comando numérico. Portanto, a conversão da máquina mostra-se viável em termos operacionais e de custos. O cálculo da mão de obra não foi contabilizado nos custos, pois, não englobaria apenas as horas trabalhadas durante a execução do projeto e sim o aprendizado prévio para o mesmo. Para a execução deste projeto, fez-se necessário o estudo dos trabalhos já existentes, pois, apenas dessa forma foi possível elaborar o projeto final. No que se refere a precisão, podemos constatar que a opção pela manutenção da possibilidade de operação manual e o acréscimo do comando numérico não implica em ganho direto de precisão, nem tão pouco em perda durante a movimentação manual, uma vez que para manutenção desta operação foi necessário manter o fuso original com a porca bipartida. A precisão de movimentação do carro longitudinal na movimentação 59

71 manual é de 0,25mm e no carro transversal em 0,125mm. Já a precisão dos motores de passo é dada pela sua movimentação que no nosso caso é de 0,0075mm o que acarreta em um ganho significativo de precisão na máquina. Espera-se que a máquina convertida traga mais versatilidade na medida em que fabricar os micro conectores que serão utilizados nos micro trocadores de calor. A utilização do torno com comando numérico permitirá uma redução sensível no tempo de fabricação e melhor aproveitamento do material. Esta função fara a conexão entre o micro e o macro proporcionando otimização da fabricação. A utilização do variador de frequência torna a máquina mais versátil, uma vez que ele cria uma gama maior de velocidades na árvore do torno, podendo variar de 1 RPM a 1800 RPM. A utilização dos motores de passo para movimentação do carro longitudinal e transversal deu flexibilidade adicional ao torno, expandindo o leque de operações de rosqueamento possíveis de serem feitas, uma vez que os motores de passo trabalham em passo e micro passo, com isso possibilita abrir além das tradicionais roscas métricas e as roscas whitworth em qualquer passo que se desejar. Outra possibilidade que este projeto permite é a adaptação de um sistema de bombeamento de fluido de corte. Para isso basta acoplar um pequeno compartimento na parte inferior da máquina e um sistema de bombeamento. A inclusão desse sistema de arrefecimento e lubrificação aumenta consideravelmente a vida útil das ferramentas utilizadas. A figura 32 ilustra um sistema de fluido de corte. Figura 63 - Sistema de fluido de corte 60

72 Fonte: Imagem Adaptada da internet Ainda temos como opção para o aprimoramento do projeto, a inclusão do sistema de mudança automática de ferramenta, comumente chamado de torno revolver. Esta adaptação proporcionaria mais versatilidade ao projeto, pois, permite a mudança de ferramentas sem que a operação tenha que ser interrompida. A figura 33 ilustra um sistema de mudança automática de ferramenta. Figura 64 Sistema de mudança automática de ferramenta Fonte: 61

73 10. Bibliografia [1] ARAUJO, ANNA CARLA, Material de aula: Forças de Corte em Ferramentas Multicortantes, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2014 [2] Betiol, W. E. G., Tese: CONTROLE DE ACIONAMENTO POR MOTORES DE PASSO APLICADOS A IMPRESSORAS MATRICIAIS. Curitiba, 1989 [3] BRITES, FELIPE G., ALMEIDA SANTOS, VINICIUS P., Apostila: Tutorial Motor de Passo, Programa de Educação Tutorial PET-Tele, Universidade Federal Fluminense [4] BUDYNAS, RICHARD G., NISBETT, J. KEITH, Livro: Elementos de Máquinas de Shigley. 8ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2011 [5] CASSANIGA, F.A. Livro: Fácil programação do controle numérico. 2ª ed. São Paulo: CNC Tecnologia, 2005 [6] Cimatron -Software de CAD/CAMhttp://www.cimatron.com/NA/product.aspx?FolderID=898&docID=2997&lang=EN Acessado em 21/08/2014 [6] DINIZ, ANSELMO E MARCONDES, FRANCISCO C., COPPINI, NIVALDO L., Livro: Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 7ª ed. São Paulo: Artliber, [7] DOMINGOS, W. R. Livro: Conceitos de motores de passo. Mecatrônica fácil, São Paulo, Abril, [8] FERRARI, CRISTIANO DONIZETI, Trabalho de graduação: IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO (CNC) POR RETROFITTING EM UM TORNO MECÂNICO UNIVERSAL., São Paulo, Agosto, 2001 [9] FERRARESI, DINO, Livro: fundamentos da Usinagem dos Metais. 14ª reimpressão. Ed.: Edgard Blücher Ltda, [10] NASCIMENTO, R. A., ABRÃO, A.M., RUBIO, J.C., Artigo: Torno CNC de Bancada: Uma tentativa de disseminar a filosofia do software livre no ambiente industrial. Artigo, Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. Acessado em 29/07/2014 [11] SILVEIRA, JOSÉ LUIS L., Apostila Introdução ao Comando Numérico, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro,

74 [12] FILHO, FLÁVIO DE MARCO, material de aula: Elementos de Transmissão Flexíveis, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro [13]GATES acessado em 03/07/2014. [14] GINGER R. (2010), - página acessada em 01/07/2014. [15] MANROD, acessado em 15/02/2014. [16] NIEMANN, GUSTAV, Livro: Elementos de Máquina. Vol. 1, 13ª reimpressão. Ed.: Edgard Blücher Ltda, [17] acessado em 10/02/ [18] WARFIELD, BOB, acessado em 10/04/

75 Apêndice I Desenhos técnicos Lista de desenhos: DESENHO 1 - SUPORTE MOTOR 90KGF... II DESENHO 2 - SUPORTE DO ENCODER... III DESENHO 3 - SUPORTE DO CARRO TRANSVERSAL... III DESENHO 4- ACOPLAMENTO ENCODER... V DESENHO 5- ACOPLAMENTO DO MOTOR 90KGF... VI DESENHO 6- ACOPLAMENTO DO MOTOR 50KGF... VII DESENHO 7- CONECTOR DO MICRO TROCADOR... VIII DESENHO 8- ESQUEMA DE LIGAÇÃO DO SISTEMA DE COMANDO... IX I

76 Desenho 1 - Suporte Motor 90Kgf II

77 Desenho 2 - Suporte do Encoder III

78 Desenho 3 - Suporte do Carro Transversal IV

79 Desenho 4- Acoplamento Encoder V

80 Desenho 5- Acoplamento do Motor 90Kgf VI

81 Desenho 6- Acoplamento do Motor 50Kgf VII

82 Desenho 7- Conector do Micro Trocador VIII

83 Desenho 8- Esquema de ligação do Sistema de Comando IX

84 Apêndice II Catálogos CATÁLOGO 1- TORNO MANROD MR XI CATÁLOGO 2- MOTORES DE PASSO... XII CATÁLOGO 3- DRIVER DOS MOTORES... XIII X

85 Catálogo 1- Torno Manrod MR-330 XI

86 Catálogo 2- Motores de Passo XII

87 Catálogo 3- Driver dos Motores XIII

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