manual torno monopoli

7/24/2019 Manual Torno monopoli

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CONVERSO DE TORNO MANUAL EM CNC PARA FABRICAO DE

MICROSSISTEMAS

PEDRO HENRIQUE QUEIROZ KOATZ DE GURVITZ

Projeto de Graduao apresentado ao Cursode Engenharia Mecnica da EscolaPolitcnica, Universidade Federal do Rio deJaneiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Engenheiro.

Orientadores: Carolina Palma Naveira CottaJeziel da Silva Nunes

Rio de Janeiro

Agosto de 2014


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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRODepartamento de Engenharia Mecnica

DEM/POLI/UFRJ


MICROSSISTEMAS


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECNICA DA ESCOLA POLITCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECNICO.

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 - BRASILAgosto de 2014


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Gurvitz, Pedro Henrique Queiroz Koatz de

Converso de Torno manual em CNC para Fabricao deMicrossistemas/ Pedro Henrique Queiroz Koatz de Gurvitz.Rio deJaneiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2014.

xi, 63 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador(a): Carolina Palma Naveira Cotta

Jeziel da Silva Nunes

Projeto de GraduaoUFRJ/ Escola Politcnica/ Departamento

de Engenharia Mecnica, 2014.Referncias Bibliogrficas: p. 51-52.

1. Adaptao de Mquina Ferramenta. I. Cotta, Carolina PalmaNaveira. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, EscolaPolitcnica, Departamento de Engenharia Mecnica. III. Ttulo


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Dedicatria

Dedico esse trabalho ao meu querido av e pai Pedro Menezes de Queiroz que

no pode estar aqui pra dividir esse momento de grande alegria, mas sei que ele sempreestar ao meu lado me protegendo.

De que adianta bons ventos se no sabe para onde vai.

Pedro Menezes de Queiroz


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Agradecimentos

Agradeo primeiramente a minha Famlia por me apoiar em todos os momentos, at mesmo

aqueles em que houve dvidas se eu estava no caminho certo.

Da mesma forma agradeo aos meus amigos do Gordas e do Jenny pela pacincia e amizade

inabalvel mesmo aps longos anos dividindo o tempo com a dedicao aos estudos.

Agradeo especialmente ao meu querido av Pedro Menezes de Queiroz, que no pode estar

presente para partilhar esse momento, por tantos anos de carinho e aprendizado ao seu lado.

Agradeo aos professores Jeziel Nunes e Carolina Cotta pela orientao e os conhecimentos

que foram passados. Aos colegas do LabMEMS pelo apoio durante essa trajetria.E finalmente, agradeo aos membros da minha banca avaliadora, os professores Renato

Cotta e Fernando Duda


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Resumo do projeto de graduao apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitosnecessrios para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.


MICROSSISTEMAS


Agosto/2014

Orientadores: Carolina Palma Naveira CottaJeziel da Silva Nunes

Curso: Engenharia Mecnica

Este trabalho tem como objetivo converter um torno manual em um torno de

comando numrico, com uma preciso que supere a mquina original, para a fabricao

de microssistemas. A principal motivao desse trabalho criar uma mquina que seja

de fcil operao permitindo que os alunos do LabMEMS fabriquem dispositivosmicrofluidicos para compor seus projetos de forma mais simples e eficiente. Por ser um

equipamento robusto e de baixo custo ele permitir que os alunos aprendam a utilizar

controle numrico e a partir da comecem a fabricar seus prprios microssistemas. Uma

preocupao nesse projeto foi criar um equipamento que permitisse o aluno desenvolver

seus conhecimentos em fabricao para que assim se habilitasse a utilizar todos os

equipamentos de usinagem existentes no laboratrio e por esse motivo procurou

padronizar o software utilizado em todos as mquinas operatrizes. Procurou-se manteros custos de aquisio de peas e de construo abaixo dos valores de aquisio de um

torno CNC comercial para que o projeto tivesse viabilidade.


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Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of therequirements for the degree of Engineer.

CONVERSION OF A MANUAL LATHE MACHINE ON CNC FOR MANUFACTURINGMICROSYSTEMS


August/2014

Advisor: Carolina Palma Naveira CottaJeziel 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.


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Sumrio

1. INTRODUO ................................................................................................................... 1

1.1 Motivao ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2 Objetivo ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

1.3 Estrutura do Trabalho --------------------------------------------------------------------------------------- 2

2. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................ 4

2.1 Converses de Tornos Manuais em Sistemas CNC. -------------------------------------------------- 4

3. MQUINAS DE COMANDO NUMRICO ..................................................................... 8

3.1 Histrico ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8

3.2 Unidade de controle Numrico -------------------------------------------------------------------------- 10

3.3 Dispositivos de acionamento ----------------------------------------------------------------------------- 12

3.4 Sistemas de controle --------------------------------------------------------------------------------------- 17

3.5 Polias Sincronizadoras e Correias ----------------------------------------------------------------------- 18

3.6 Acoplamento ------------------------------------------------------------------------------------------------ 20

3.7 Usinagem----------------------------------------------------------------------------------------------------- 20

4. TORNO DE BANCADA MODELO MR-330 .............................................................. 24

5. PROJETO DE CONVERSO ......................................................................................... 29

5.1 Descries Gerais ------------------------------------------------------------------------------------------ 29

5.2 Especificaes de Projeto --------------------------------------------------------------------------------- 305.2.1 rvore Principal .......................................................................................................... 30

5.2.2 Movimentao do Carro Longitudinal........................................................................ 30

5.2.3 Movimentao do Carro Transversal ......................................................................... 31

5.3 Seleo dos Principais Componentes ------------------------------------------------------------------- 325.3.1 Motor de Corrente Alternada .................................................................................... 32

5.3.2 Motores de Passo ....................................................................................................... 35

5.3.3 Polia Sincronizadora e Correia dentada ..................................................................... 36

5.3.4 Seleo do Painel de comando .................................................................................. 37


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6. EXECUO DAS ADAPTAES ................................................................................. 41

6.1 Adaptaes no motor da rvore principal ------------------------------------------------------------- 41

6.2 Adaptaes no Fuso de movimentao do Carro Longitudinal ----------------------------------- 45

6.3 . Adaptaes no carro transversal ----------------------------------------------------------------------- 47

7. UTILIZAO DA MQUINA CONVERTIDA ............................................................ 52

8. ANLISE DE CUSTO...................................................................................................... 56

9. CONCLUSO E PROPOSTAS DE APRIMORAMENTO .......................................... 59

10. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 62

APNDICE I DESENHOS TCNICOS .................................................................................. I

APNDICE II CATLOGOS ..................................................................................................X


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x

Lista de Figuras

FIGURA 1- TORNO BD-812 BRIDGEPORT CONVERTIDA EM CNC .................................................................. 5

FIGURA 2DETALHE DO ACOPLAMENTO DO FUSO PRINCIPAL. .................................................................. 6

FIGURA 3- DETALHE DO ACOPLAMENTO DO FUSO DE MOVIMENTAO TRANSVERSAL ........................... 7

FIGURA 4TORNO CNC ADAPTADO. ......................................................... ................................................... 7

FIGURA 5 - PRIMEIRA MQUINA CNC DESENVOLVIDA. ............................................................. .................. 8

FIGURA 6TORNO CNC MODERNO. ............................................................................................................ 9

FIGURA 7UNIDADE CONTROLE NUMRICO MODERNA. .. ............................................................... ........ 10

FIGURA 8 - PROGRAMA CAD/CAM CIMATRON ....................................................................... ................... 11FIGURA 9MOTOR DE PASSO NEMA 34. .................................................................................... ................ 12

FIGURA 10MOTOR DE PASSO EM VISTA EXPLODIDA .............................................................................. 13

FIGURA 11MOTOR DE PASSO DE IMA PERMANENTE .............................................................. ................ 14

FIGURA 12MOTOR DE PASSO DE RELUTNCIA VARIVEL. ................................................................ ...... 14

FIGURA 13MOTOR DE PASSO DE HIBRIDO. ....................................................... ...................................... 15

FIGURA 14SERVO MOTOR DE CORRENTE CONTINUA. ............................................................................ 16

FIGURA 15MOTOR DE CORRENTE ALTERNADA. ........................................................... ........................... 16

FIGURA 16SISTEMA DE CONTROLE DE MALHA ABERTA. ........................................................ ................ 17

FIGURA 17SISTEMA DE CONTROLE DE MALHA FECHADA ...................................................................... 18

FIGURA 18POLIA SINCRONIZADORA E CORREIA FONTE: HTTP://WWW.GATESBRASIL.COM.BR/ ......... 19

FIGURA 19PROGRAMA DESIGN FLEX DE SELEO DE POLIAS E CORREIAS.................. ........................... 19

FIGURA 20ACOPLAMENTO ELSTICO. .................................................................................................... 20

FIGURA 21MOVIMENTOS. ..................................................................... ................................................. 21

FIGURA 22PRINCIPAIS OPERAES DE TORNEAMENTO. ....................................................... ................ 22

FIGURA 23FERRAMENTAS DE TORNEAMENTO ..................................... ................................................. 22

FIGURA 24- FURAO EM MICRO USINAGEM. .......................................................................................... 23

FIGURA 25-TORNEAMENTO LONGITUDINAL EM MICRO ESCALA. ..................................................... ........ 23

FIGURA 26TORNO MR-330. .............................................. .............................................................. ........ 24

FIGURA 27DETALHE DO CARRO PRINCIPAL E DO TRANSVERSAL. ......... ................................................. 25

FIGURA 28 - DETALHE DAS ENGRENAGENS DE TRANSMISSO. ............................................................ ..... 26

FIGURA 29PLACA UNIVERSAL DE 3 CASTANHAS .............................................. ...................................... 26FIGURA 30DETALHE DO BARRAMENTO DO TORNO MR-330. ................................................................ 27

FIGURA 31DETALHE DAS ENGRENAGENS DE TRANSMISSO. ................................................................ 27

FIGURA 33 - SISTEMA DE COORDENADA CARTESIANO ADOTADO. ........................................ ................... 29

FIGURA 35ALAVANCA DE ACIONAMENTO PORCA BIPARTIDA ............................................................... 31

FIGURA 36 CARRO TRANSVERSAL ........................................................... ................................................. 32

FIGURA 37 PLACAS CONTROLADORAS DOS MOTORES DE PASSO....................................... ................... 37

FIGURA 38PLACA OPTO ISOLADORA LPTOP-05....................................................................................... 38

FIGURA 39FONTE 20A.............................................................................................................................. 38

FIGURA 40INVERSORA DELTA DE 0,75KW............................................................................................... 39

FIGURA 41 - PAINEL DE CONTROLE...................................................................... ...................................... 40

FIGURA 42MOTOR TRIFSICO DE 1CV.................................................................................................... 41

FIGURA 43- POLIAS SINCRONIZADORAS. .............................................................. ...................................... 42


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xi

FIGURA 44-TENSIONADOR DA CORREIA..................................................................................................... 42

FIGURA 45ENCODERINSTALADO NO BARRAMENTO............................................................................... 43

FIGURA 46CONJUNTO MONTADO......................................................... ................................................. 44

FIGURA 47- CONJUNTO MONTADO NO TORNO MANROD MR-330 ......... ................................................. 44

FIGURA 48 -FUSO DE MOVIMENTAO DO CARRO LONGITUDINAL................................................ ........ 45

FIGURA 49 - SUPORTE DO MOTOR DE PASSO DO CARRO LONGITUDINAL ................................................ 45FIGURA 50SUPORTE MOTOR DE PASSO MONTADO NO CARRO PRINCIPAL ............... ........................... 46

FIGURA 51 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAO DO CARRO LONGITUDINAL.46

FIGURA 52 -SUPORTE DO MOTOR DE MOVIMENTAO DO CARRO TRANSVERSAL................................ 47

FIGURA 53- CARRO TRANSVERSAL ANTES DA MODIFICAO.................................................................... 47

FIGURA 54 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAO DO CARRO TRANSVERSAL... 48

FIGURA 55 - CARRO TRANSVERSAL. .... ................................................................. ...................................... 48

FIGURA 56 - MOTOR DE PASSO MONTADO NO FUSO DE MOVIMENTAO DO CARRO TRANSVERSAL... 49

FIGURA 57- DESENHO DO TORNO CONVERTIDO VISTA FRONTAL ............................................................. 49

FIGURA 58- DESENHO DO TORNO CONVERTIDO VISTA LATERAL .............................................................. 50

FIGURA 59- VISTA FRONTAL DO TORNO CONVERTIDO .............................................................. ................ 50

FIGURA 60-VISTA LATERAL DO TORNO CONVERTIDO ................................................................................ 51FIGURA 61- FACEAMENTO E TORNEAMENTO LONGITUDINAL .................................................................. 53

FIGURA 62- FURAO................................................................................................................................. 54

FIGURA 63- CONECTOR .............................................................................................................................. 55

FIGURA 64- TORNO CNC INNOV ......................................................................................................... ........ 57

FIGURA 65 - SISTEMA DE FLUIDO DE CORTE .............................................................................................. 60

FIGURA 64SISTEMA DE MUDANA AUTOMTICA DE FERRAMENTA ..................................................... 61

Tabelas

TABELA 1 - G-CODE NORMA ISSO. ............................................................. ................................................. 11

TABELA 2 - COMPARATIVA ENTRE OS TIPOS DE ACIONADORES. ............................................................... 17

TABELA 4GEOMETRIA DA FERRAMENTA; ......................................................... ...................................... 33

TABELA 5- TABELA DE KIENZLE; .......................................................................................................... ........ 33


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1

1. Introduo

1.1 Motivao

O torneamento uma operao de usinagem amplamente utilizada na indstria,

que atravs da remoo do cavaco permite-se usinar peas de formatos geomtricos de

revoluo. Esta operao ocorre ao se fixar uma pea a placa do torno e faze-la girar,

enquanto uma ferramenta de corte fixa a um carro pressionada de encontro pea e

com um avano regulvel remove-se material.

O torno mecnico uma mquina operatriz altamente verstil, que permite a

usinagem de matrias de um estado bruto at o acabamento final. Permite, tambm, a

utilizao de diversos tipos de ferramentas e fixaes para os mais variados tipos de

projetos.

O comando numrico computadorizado ou CNC, proveniente da sigla em

ingls Computer Numerical Control, veio da necessidade de se aumentar a

produtividade das mquinas operatrizes e mais ainda de se produzir formas maiscomplexas com uma preciso na repetio que permitisse a intercambialidade de peas

produzidas em um lote.

As primeiras mquinas CNCs surgiram em um contexto de amplo

desenvolvimento da indstria aeronutica na dcada de 50, mas foi somente na dcada

de 70 que o desenvolvimento dos computadores permitiu a criao de mquinas

dedicadas ao comando numrico. O aprimoramento cada vez maior dos softwares e dos

hardwares computacionais propiciou um desenvolvimento e uma ampliao nautilizao desse gnero de maquinas.

No Laboratrio de Nano e Micro Fludica e Microssistemas (LabMEMS) faz-

se necessrio a fabricao de componentes para utilizao em pesquisas, que por serem

de escala micro ou nano no so encontrados em larga escala no mercado o que torna o

domnio da sua fabricao benfica ao laboratrio.

Soma-se a isso que este tipo de converso tem um grande apelosocioeconmico j que possibilita o acesso de micro e pequenas a esta tecnologia


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2

inacessvel para maioria das empresas deste porte. As solues desenvolvidas nesta

converso permitir que essas empresas possam adaptar suas mquinas ferramentas a

uma custo relativamente baixo e assim poder melhorar a sua capacidade produtiva.

1.2 Objetivo

O objetivo principal desse trabalho foi converso de um torno mecnico

manual, modelo MR-330 comercializado no Brasil pela Manrod, em um torno de

comando numrico e assim emprega-lo na fabricao de microssistemas e dispositivos

microfluidicos a serem utilizados em pesquisas e prottipos no LAbMEMS-

Laboratrio 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

mquinas no Brasil, portanto as solues aplicadas nesse projeto so aplicveis a

qualquer torno mecnico que apresente essa semelhana.

O torno de comando numrico possui a vantagem de no necessitar de um

operador com treinamento especifico, qualquer aluno do laboratrio com conhecimentomnimo para utilizar o software computacional estar capacitado a fabricar componentes

no torno.

Procurou-se manter o mesmo software utilizado nas demais mquinas CNC do

laboratrio com intuito de criar uma padronizao para que com isso a transio de uma

mquina para outra fosse facilitada, incentivando ainda mais os alunos do LabMEMS a

se aventurarem nos processos de fabricao e a produzirem cada vez mais prottipos de

suas pesquisas.

1.3 Estrutura do Trabalho

Este trabalho composto de nove captulos, no segundo capitulo possvel

encontrar uma reviso bibliogrfica que aborda projetos de converso similares aos que

discutiremos nesse projeto.


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3

No terceiro capitulo discutiremos sobre mquinas CNC, seu histrico e os

principais componentes utilizados nas converses.

No quarto capitulo encontra-se uma descrio do torno que ser objeto deste

trabalho. No quinto capitulo faremos uma apresentao do projeto de converso com aseleo dos componentes que foram utilizados. No sexto capitulo ser detalhado as

adaptaes que foram executadas no projeto.

No stimo capitulo exemplificaremos as possibilidades de utilizao da

mquina aps ter sido convertida. No oitavo captulo faremos uma analise de

viabilidade financeira do projeto para justificar a converso da mquina.

No nono capitulo teremos uma concluso sobre os objetivos alcanados noprojeto e no dcimo capitulo possvel encontrar a referncia bibliogrfica que serviu

de base para esse trabalho.


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4

2. Reviso Bibliogrfica

2.1 Converses de Tornos Manuais em Sistemas CNC.

O constante avano tecnolgico da indstria, especialmente a de fabricao

mecnica, vem exigindo de seus colaboradores uma produtividade e preciso cada vez

maiores. De fato, nos prximos anos se espera uma nova revoluo nas mquinas

ferramentas com a difuso cada vez maior das mquinas de comando numrico, as

CNCs, FERRARI (2011), o que traz como uma consequncia imediata a grandenecessidade de converso das mquinas j existentes devido ao alto custo de aquisio

de novas mquinas CNCs.

Do ponto de vista econmico a aquisio de mquinas novas pode se tornar um

grande desafio para micro, pequeno e mdias empresas no pas, uma soluo que vem

sendo experimentada com bastante sucesso a modernizao, ou retrofitting

(adaptao), que tem por objetivo a atualizao tecnolgica das mquinas ferramentas.

O retrofitting , ou reforma, muitas vezes a soluo para empresas que no

possuem capital para investir e querem permanecer competitivos no mercado dando

uma sobrevida a mquinas antes consideradas ultrapassadas.

Neste cenrio se torna de extrema relevncia para o desenvolvimento

tecnolgico e econmico do pas o desenvolvimento de solues que permitam a

adaptao dessas mquinas j existentes. A maneira mais comum de se fazer isso a

substituio de certos componentes necessrios para a preciso exigida em CNCs,anexando novas tecnologias e mantendo suas caractersticas perifricas devido a sua alta

rigidez. Essa demanda vem se tornando cada vez maior, tendo em vista que a eletrnica

das mquinas e sistemas evoluiu de forma rpida nos ltimos anos.

Devido ao grande avano tecnolgico e a volatilidade do mercado, os produtos

esto sendo produzidos com uma vida til comercial cada vez menor. A nova demanda

de produo da indstria como o just in time e com a competio com os produtos

importados da China com baixo custo vem exigindo cada vez mais esforo da indstria


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para se manter competitiva em um cenrio onde a versatilidade e a reduo de custos de

produo so exigncias bsicas para se manter ativo.

Podemos citar tambm o enorme ganho ambiental obtido com esse tipo de

adaptao que impede que essas mquinas sejam lanadas no meio ambiente comosucata FERRARI (2011).

O trabalho desenvolvido por GINGER (2010) realizou uma converso de um

torno fornece algumas informaes relevantes tendo em vista a semelhana do

equipamento com o que ser 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 seguintespassos: 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 substitudos por um fuso de esfera.

Figura 1- Torno BD-812 Bridgeport convertida em CNCFonte: Ginger (2010).

A substituio 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 frequncia para que se pudesse obter velocidades variveis como ocorre

na transmisso com correia e polia, alm disso foi utilizado um encoder para que se

monitorasse em tempo real a velocidade de rotao da arvore do torno. Essa substituio de especial importncia para quem pretende abrir roscas utilizando o torno.


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6

A substituio do fuso foi feita para que se removessem as folgas que so

comuns em fusos de rosca trapezoidais e se alcanasse folga zero como ocorre em fusos

de esfera. Essa substituio foi feita removendo-se a castanha original do carro principal

e adaptando-se uma castanha prpria 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 ponta do fuso atravs de um acoplamento e um suporte simples

de sustentao do motor conforme apresentado naFigura 2.

Figura 2Detalhe do acoplamento do fuso principal.

Fonte: GINGER (2010).

O fuso que controla o avano do porta ferramentas foi mantido original devido

a falta de espao para instalao da castanha utilizada em fusos de esfera. Para

movimentao desse fuso foi acoplado uma polia sincronizadora no fuso e utilizado um

motor de passo com correia para a movimentao, a correia sincronizadora foi utilizada

para que no houvesse escorregamento entre correia e polia. O motor de passo foifixado utilizando um suporte simples fabricado com chapa de alumnio. Essas

modificaes no fuso de movimentao transversal so apresentadas naFigura 3.


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Figura 3- Detalhe do acoplamento do fuso de movimentao transversal

Fonte: GINGER (2010).

A empresa STIRLING STEELE comercializa projetos para automatizao de

mquinas operatrizes, dentre os projetos disponibilizados pela empresa pode-se destacar

os projetos de converso de mini tornos como o fabricado pela Cummins Machine

modelo 5278. Os projetos destacam-se por manter a funo de operao manual das

maquinas alm da adaptao de fusos de esfera para atingir altas precises. Como a

empresa comercializa esses projetos os detalhes de projeto so restritos aoscompradores, a Figura 4 mostra um desenho de um torno adaptado pela STIRLING

STEELE.

Figura 4Torno CNC adaptado.

Fonte: STIRLING STEELE


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8

3.

Mquinas de Comando Numrico

3.1 Histrico

No contexto da Segunda Guerra Mundial (1939-1945), a demanda acelerada

por avies, carros, tanques, navio e etc. gerou uma necessidade de evoluo das tcnicas

de produo com um papel que poderia ser decisivo. Com a perda da mo de obra

masculina que deixara os postos de trabalho para lutar, houve a necessidade de

substituio pela feminina o que implicava em treinamento e refletia diretamente na

produo. Criava-se ento o cenrio propcio para o desenvolvimento de mquinas

automticas de grande produtividade e que no dependessem da mo de obra utilizadapara obter preciso. A primeira investida nesse sentido ocorreu em 1949 no laboratrio

de servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, com a juno de

esforos entre a Fora Area Norte Americana e a empresa Parson Corporation

CASSANIGA (2005).

Para esse experimento foi adotada uma fresadora de trs eixos conforme

mostra a Figura 5, que teve seus comandos e controles tradicionais retirados e

substitudos pelo comando numrico, que na poca utilizava leitora de fita de papel.

Atualmente com a evoluo do computador pessoal o meio mais utilizado para a tomada

de dados em maquinas CNCs o computador.

Figura 5 - Primeira mquina CNC desenvolvida.


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Fonte: CASSANIGA

No inicio da dcada de 70, surgiram no Brasil as primeiras mquinas de

comando numrico computadorizado (CNC) conforme mostraFigura 6 importadas dos

Estados Unidos e as primeiras mquinas de comando numrico (CN) de produonacional. A partir desse perodo podemos observar uma constante evoluo das CNC

juntamente com os computadores que medida que foram se modernizando passaram a

ter mais confiabilidade.

Figura 6Torno CNC moderno.

Fonte: Imagem adaptada da Internet.

Esquematicamente podemos dizer que a CNC opera com trs passos bsicos

bem definidos. No primeiro passo o computador l o programa e transforma para o

cdigo binrio que a linguagem da mquina. Em seguida, o operador da inicio ao ciclo

de trabalho, e o computador l os cdigos binrios e o transforma em pulsos eltricos

que sero analisador pela unidade controladora da mquina e posteriormente enviada a

unidade alimentadora. Por fim, a unidade acionadora recebe esse pulso e o transformaem movimento.


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3.2 Unidade de controle Numrico

Com o desenvolvimento dos microprocessadores e outros perifricos foi

inaugurada uma nova era para as mquinas CNC, pois diferente de suas ancestrais que

no possuam capacidade de armazenamento de programas foi permitido ao comando

numrico computadorizado realizar operaes de logica, aritmticas e de controle de

movimentao e em especial a de armazenar informaes RUBIO (1992). Essa

capacidade de armazenamento de informaes gerou uma economia de tempo quando

se produz peas de um mesmo lote uma vez que o programa no necessita de uma nova

leitura a cada pea produzida. A Figura 7 mostra uma unidade de controle numricomoderna.

Figura 7Unidade controle numrico moderna.

Fonte: Imagem adaptada da Internet

No cdigo binrio o impulso com tenso corresponde ao um e o impulso sem

tenso corresponde ao 0. Apesar do computador s reconhecer o cdigo binrio o

programador no precisa estar familiarizado com a linguagem binria para utilizar as

mquinas, ele pode fazer uso de uma lista de comandos determinados pelos fabricantes.

Para que haja uma padronizao da linguagem utilizada existe uma norma fornecida

pela ISO (International Organization of Standardization), dentre as linguagens padrespodemos citar o cdigo G conformeTabela 1.


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Tabela 1 - G-Code norma ISSO.


O sistema funciona da seguinte forma: o programador ao inserir o cdigo no

computador da mquina utilizando o cdigo especfico gera um segundo cdigo em

linguagem binria. Esse segundo cdigo que foi gerado no computador da CNC vai

ento enviar os sinais corretos para o acionamento dos movimentos.

Alm da programao direta atravs do cdigo G podemos citar tambm os

programas de CAD/CAM. Utilizando programas como o Cimatron e o TopSolid

possvel gerar diretamente a partir de modelagens em 3D cdigos em linguagem G que

podem ser carregados diretamente no programa Mach3. AFigura 8 mostra um exemplo

do software Cimatron.

Figura 8 - Programa CAD/CAM Cimatron


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3.3 Dispositivos de acionamento

Para que o deslocamento ocorra entre a pea 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 so dispositivos

eletromecnicos de acionamento que atravs de pulsos eltricos promovem umamovimentao angular, segundo DOMINGOS (2009) o motor de passo se caracteriza

pela capacidade de gerar fora e velocidade atravs de sinais eltricos adicionados a sua

bobina.

Figura 9Motor de Passo Nema 34.


Para fornecer uma converso precisa de informaes, o motor deve ter

caractersticas sncronas, isto , cada impulso recebido deve ser convertido em um

movimento angular. Cada movimento angular recebe o nome de passo e a sucesso de

impulsos com uma determinada frequncia permite impor uma velocidade angular que

pode ser considerada constante. Dada essa caracterstica de movimento angular precisao motor de passo garante um controle de posio sem a introduo de erros e isso


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Figura 11Motor de Passo de ima permanente


Os motores de passo de relutncia varivel conforme mostrado naFigura 12 ao

contrario dos motores de passo de im permanente, no possuem o rotor e o estator

feitos de material permanentemente magntico, seus componentes so feitos de material

ferromagntico ranhurados. A preciso desse motor pode ser aumentada atravs do

aumento do nmero de ranhuras no seu eixo. Por no possurem ims permanentes seus

componentes podem girar livremente sem torque de reteno. Esse tipo de motor

frequentemente utilizado em aplicaes como mesas de micro posicionamento.

Figura 12Motor de Passo de Relutncia Varivel.



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Os de passo hbridos conforme mostrado na Figura 13 possuem as

caractersticas combinados dos dois outros, eles possuem seus rotores feitos de im

permanente e de relutncia varivel. So os motores de passo mais utilizados emaplicaes industriais pois misturam a mecnica mais sofisticada do motor de relutncia

varivel com a potncia do m permanente no eixo, dando um torque maior com maior

preciso nos passos.

Figura 13Motor de Passo de Hibrido.


Os motores de passo podem ser acionados de trs formas: passo completo,

meio passo e micro passo que se caracterizam por serem fraes do passo inteiro. Essas

trs maneiras se diferenciam pela forma como a sequncia de comandos enviadas da

controladora para o motor.

Os servo motores de corrente continua conforme mostrado na Figura 14 so

controlados pela variao de tenso que lhes aplicada. Fornecem alto torque e por isso

so muito usados para acionar mecanismos de movimentao de mquinas ferramentas.


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Figura 14Servo Motor de corrente continua.


Os motores de corrente alternada conforme mostrado na Figura 15 tem sua

velocidade controlada pela frequncia da rede eltrica que os alimenta e por essa

versatilidade so bastante utilizados em projetos de converso.

Figura 15Motor de Corrente alternada.



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ATabela 2 mostra um comparativo entre os tipos de acionadores.

Tabela 2 - comparativa entre os tipos de acionadores.

Fonte: FERRARI (2001)

Caracterstica Servo motor decorrente contnua

Motor de passo motor de correntealternada

Velocidade Alta Baixa MdiaTorque Zero/alto Alto/mdia Baixa/altaFacilidade decontrole

Fcil Mdia Complexo

Preciso Nenhuma Alta Muito altaDurabilidade Mdia tima MdiaManuteno Sim No Sim

3.4 Sistemas de controle

Podemos separar as mquinas de comando numrico em dois grupos no que diz

respeito ao sistema de controle utilizado. Os controles adotados podem ser de malha

aberta ou fechada. A preciso da mquina definida pelo tipo de malha utilizada

RUBIO (1999).

No sistema de malha aberta conforme mostra a Figura 16, a unidadecontroladora no monitora em tempo real a posio da ferramenta. Como no h

realimentao no possvel detectar se existe um desvio de posio portanto a

mquina no reconhece o posicionamento da ferramenta em funo do seu ponto de

origem. A posio dependera exclusivamente dos pulsos enviados aos motores de passo.

Como no h utilizao de transdutores para fazer a medio da posio, o controle por

malha aberta torna-se mais barato tendo somente como desvantagem a dificuldade em

se detectar erros de posio.

Figura 16Sistema de controle de malha aberta.

Fonte: figura SILVEIRA


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18

No sistema de malha fechada conforme mostra a Figura 17,o movimento da

ferramenta monitorado e essa informao realimentada para o sistema permitindo

que correes sejam feitas caso necessrio. O movimento detectado por meio de

transdutores e encoders que so dispositivos utilizados para se obter uma leitura da

velocidade de rotao que enviam sinais pra central. O sistema de malha fechada

permite uma maior preciso no posicionamento da ferramenta mas isso tudo tem a

desvantagem de ter um custo de aquisio maior que o sistema de malha aberta. Esse

tipo de sistema muito usado em servo motores que no possuem uma movimentao

to precisa quanto os motores de passo.

Figura 17Sistema de controle de malha fechada

Fonte: Figura SILVEIRA

3.5 Polias Sincronizadoras e Correias

As polias so elementos mecnicos circulares utilizados para transmitir foras e

movimento, podem ser lisas ou ter ranhuras perifricas. Quando tiverem ranhuras

perifricas so chamadas de polias sincronizadoras conforme mostra aFigura 18 e so

muito utilizadas quando se quer transmitir foras sem que haja escorregamento.

As correias so elementos flexveis normalmente feitos com uma trama

metlica envolta por camadas de lona ou borracha vulcanizada utilizados para

transmisso entre duas arvores, so mais simples e econmicas de serem instaladas do

que outras formas de transmisso como engrenagens e correntes. Quando projetadas de

forma correta garantem uma transmisso de torque silencioso e no transmitem

vibraes. Com exceo das correias sincronizadoras que possuem dentes pode existir

um movimento relativo de escorregamento entre a correia e a polia.


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19

Figura 18Polia sincronizadora e correia

Fonte: http://www.gatesbrasil.com.br/

A empresa GATES comercializa correias e polias para mquinas, em sua

pagina possvel encontrar vasto material sobre seleo incluindo um programa que

auxilia no calculo da seleo. As selees de correias e polias podem ser feitas de forma

rpida com o auxilio do programa fornecido pela GATES conforme mostra aFigura 19

inserindo-se algumas informaes como relao de transmisso, fator de trabalho e

potncia do motor e tendo como retorno dados interessantes ao projeto como

comparativo de rudo e economia de energia entre diferentes modelos de polia e correia,

velocidades e tenses.

Figura 19Programa design flex de seleo de polias e correias.

Fonte: http://www.gatesbrasil.com.br/


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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 preciso, segundo

SANTOS (2001): seria ineficaz considerarmos em um projeto um motor de passo ou

um servo motor de alta preciso, se os componentes ligados a eles como: acoplamentos,

redutores, posicionadores, fusos de esferas, guias lineares e etc, no conseguissem

manter no sistema o nvel de preciso 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 mveis e os elsticos. O modelo elstico conformemostra aFigura 20 o tipo mais utilizado em mesas de posicionamento. Ele composto

de 3 partes, sendo um ncleo confeccionado em acetal e as partes externas de material

metlico. Os cubos internos tem canais defasados em 90 graus onde a parte do ncleo se

acomoda e desliza para absorver pequenos desalinhamentos.

Figura 20acoplamento elstico.

Fonte: http://www.ktr.com/br.

3.7 Usinagem

Este tpico em especial tem por objetivo introduzir os conceitos de bsicos de

usinagem ao leitor. Antes de projetar uma mquina ferramenta indispensvel que o

leitor conhea e compreenda os conceitos de usinagem e as grandezas fsicas


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envolvidas. Neste trabalho daremos nfase ao processo de torneamento, visto que o

objetivo do projeto desenvolver um torno CNC.

O torneamento um processo que permite usinar peas de formato geomtrico

de revoluo. O torno permite a usinagem de uma pea desde o estado bruto at umformato de revoluo ou uma combinao deles.

Dentre as grandezas fsicas envolvidas no processo de torneamento podemos

citar como as mais relevantes o movimento de corte, movimento de avano e

movimento efetivo. AFigura 21 mostra em detalhe os movimentos.

Figura 21Movimentos.

Fonte: FERRARESI

Por ser uma mquina muito verstil o torno capaz de usinar peas de diversos

formatos e maneiras. AFigura 22 lista as principais operaes realizadas no torno.


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22

Figura 22Principais operaes de torneamento.

Fonte: FERRARESI

O torno possui um porta ferramentas que fica sobre o carro transversal onde

possvel prender diversos tipos de ferramentas. A Figura 23 mostra algumas dessas

ferramentas utilizadas em diferentes processos de torneamento.

Figura 23Ferramentas de torneamentoFonte: FERRARESI


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Figura 27Detalhe do Carro Principal e do Transversal.Fonte:www.manrod.com.br

Na verso que vem de fabrica, o torno equipado com um motor de hp

monofsico que transmite torque ao eixo rvore atravs de correia e polia. Atravs de

um conjunto de polias e engrenagens escalonadas possvel mudar a relao de

transmisso, disponibilizando seis velocidades no eixo da rvore, 125, 210, 420, 620,1000 e 2000 rpm, sendo essas as velocidades padro do torno Manrod MR-330.

Atravs de um trem de engrenagens a rvore principal aciona um fuso que

movimenta o avano automtico do carro principal, tornando possvel operaes de

rosqueamento de roscas mtricas com passo variando de 0,4 a 3,0 milmetros. A figura

28 apresenta um trem de engrenagens com funcionamento similar ao do torno Manrod

MR-330.
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Figura 28 - Detalhe das engrenagens de transmisso.Fonte:Imagem adaptada da Internet.

O torno vem equipado com uma placa universal de trs castanhas acionadas

simultaneamente com 120 mm de dimetro conforme pode ser visto na figura 29.

Figura 29Placa Universal de 3 castanhasFonte: Imagem adaptada da Internet

.

O cabeote mvel apresentado na figura 30 serve para fixao de acessrios como o

mandril, contra ponta fixa e a contra ponta rotativa.

O barramento tambm apresentado mostra a figura 27 que forma o corpo do torno e

por onde o carro principal desliza tem curso de 500mm (quinhentos milmetros), a parte

superior do barramento tem formato trapezoidal que tem as vantagens de resistir melhor

a presso trabalho, compensar o desgaste das partes em atrito e de possuir grande

preciso.


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Figura 30Detalhe do Barramento do torno MR-330.

Fonte: Manrod.

O porta ferramentas tem formato quadrado onde possvel fixar uma

ferramenta diferente em cada face, atravs de uma alavanca possvel girar o porta

ferramentas aumentando ainda mais a versatilidade da mquina. A figura 31 apresenta o

porta ferramentas.

Figura 31Detalhe das engrenagens de transmisso.

Fonte: Imagem adaptada da Internet.

Com a configurao original de fbrica a capacidade de fabricao de

microssistemas seria bastante subjetiva, pois estaria diretamente ligada a habilidade do

operador da mquina. A converso do torno original para o comando numrico eliminaa necessidade de um operador com vasta experincia em fabricao e permite que um


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aluno com conhecimentos em comando numrico fabrique seus componentes com uma

regularidade e preciso que dificilmente seriam alcanadas com a operao manual da

mquina.


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5. Projeto de Converso

5.1 Descries 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 numrico

computadorizado. O torno passara a ser controlado por um computador industrial, mas

tambm manter suas caractersticas originais de operao manual, essa mquina ficara

disponvel a todos os alunos do LabMEMS para auxilia-los na fabricao de

componentes para suas pesquisas.

Optou-se por fazer a movimentao dos carros atravs de motores de passo e

que esses motores seriam acoplados diretamente nos fusos. A velocidade de rotao do

eixo arvore ser provida por um motor trifsico com a velocidade controlada por um

inversor de frequncia, e o torque ser transmitido atravs polias e correia dentada para

manter o sincronismo.

Optou-se por um sistema de referncia onde o movimento longitudinal do carro

ocorrer no eixo Y e que o movimento transversal ocorrer no eixo X conforme figura32. Como neste tipo de torno no possui movimento vertical o eixo Z ficara definido

apenas para compor o sistema de referencia. Estas definies so necessrias para que o

sistema de coordenadas adotado pelo programa de controle dos movimentos esteja

compatvel com o sistema de coordenadas adotado no projeto.

Figura 32 - Sistema de coordenada cartesiano adotado.


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Fonte: Imagem adaptadas

5.2 Especificaes de Projeto

A automao do torno ser feita apenas nas direes X e Y de modo que osseus principais movimentos sejam controlados e monitorados por um computador

industrial de baixo custo.

5.2.1rvore Principal

Optou-se pela substituio do motor original por um motor de maior potncia

para dar mais torque mquina em baixas rotaes e que a velocidade do motor seria

controlada por um variador de frequncia.

Para que isso fosse feito houve a necessidade de acoplar um contador de giros

ou em ingls encoder ao conjunto. Esse contador de giros foi necessrio 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 utilizao do novo motor de corrente alternada trifsico controlado pelo

variador de frequncia permitiu variar a velocidade gerou a necessidade de substituir as

polias e correias originais por um conjunto de polias e correia dentadas.

5.2.2Movimentao do Carro Longitudinal

Optou-se por realizar a movimentao do carro longitudinal utilizando um

motor de passo que seria controlado pelo comando numrico e que esse motor seria

acoplado ao eixo, mantendo assim a operao manual.

Com esta deciso foi mantida a manivela de controle manual como tambm

no foi considerada a substituio do fuso original por um de esfera recirculante que

emprestaria mais preciso e leveza no acionamento. A substituio do fuso por um fusode esfera recirculante impossibilitaria a operao manual da mquina, pois no seria


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Figura 34Carro Transversal

Fonte:www.manrod.com.br

5.3 Seleo dos Principais Componentes

5.3.1Motor de Corrente Alternada

O motor de corrente alternada deve atender as necessidades de torque e

potncia requeridas nas condies de usinagem mais severas. Atravs do manual

fornecido pelo fabricante possvel encontrar os limites operacionais da mquina.

A fora de corte foi calculada pela equao [1]:

[N] [1]

Onde:

Ks1- Presso 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).
http://www.manrod.com.br/http://www.manrod.com.br/http://www.manrod.com.br/


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Tabela 3Geometria da Ferramenta;

Fonte: Diniz 2010

= ngulo de folga da ferramenta

= ngulo de posio da ferramenta

= ngulo de sada da ferramenta

= ngulo de inclinao

=ngulo de ponta da ferramenta

a= raio de ponta

Tabela 4- Tabela de Kienzle;

Fonte: Diniz 2010

= tenso de ruptura do material (N/mm)

A potncia de corte requerida pela mquina dada pela equao [2]:


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[KW] [2]

onde:

Fc- Fora de Corte [N];

Vc- velocidade de corte [m/min];

A potncia requerida pelo motor dada por:

[Kw] [3]

Onde:

Pm- Potncia do motor

Pc- Potncia de corte

Eficincia do motor eltrico

Para os limites de usinagem recomendados pela Manrod usinando ao temos

que a potncia requerida pelo motor eltrico :

[Kw]

Portanto para a nossa mquina foi selecionado um motor trifsico de corrente

alternada de 0,73 kW (1 Cv).


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Analisando o catlogo dos fabricantes de motores de passo contido no apndice

dois deste trabalho selecionamos para o carro longitudinal um motor de passo

padronizado pela associao internacional de fabricantes de equipamentos eltricos da

sigla em Ingls Nema 34 de 8,8N/m.

A fora de avano do carro transversal pode ser obtida pela equao [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 rotaes e permitisse uma

movimentao mais precisa do carro transversal.

5.3.3Polia Sincronizadora e Correia dentada

Tendo selecionado o motor de corrente alternada foi possvel selecionar as

polias e a correia a serem utilizadas.

No site da empresa Gates que fabrica correias e polias possvel encontrar um

software que auxilia na seleo conforme foi apresentado na figura 14 na seo 2.5

deste trabalho.

A seleo foi feita baseado na potncia do motor de 1Cv, no fator de trabalho

de mquinas operatrizes acrescido de um fator de segurana. Devido ao ambiente onde

as correias sero utilizadas necessrio adotar um fator de trabalho e um fator desegurana para garantir o funcionamento sem falhas da correia.

Utilizando o software definimos as polias sincronizadoras com 107 mm de

dimetro e passo 8M. O passo definido de acordo com a potncia e a utilizao das

polias, para mquinas ferramenta utiliza-se passo 8M por ser mais resistente. A correia

selecionada tem 840 mm de comprimento com passo 8M.


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5.3.4Seleo do Painel de comando

Para esse projeto foi adquirido uma soluo pronta fornecida pelo representante

dos componentes necessrios para a montagem do painel de comando. Para isso foram

selecionadas placas controladoras (drivers) modelo DSMU 080 conforme mostra a

figura 35 compatveis com o torque dos motores de passo, pois so capazes de fornecer

a intensidade corrente necessria para o funcionamento correto dos motores. As placas

escolhidos so de fabricao nacional, fabricadas pela CNC MASTER e podem ser

configuradas para trabalhar com o software Mach 3 utilizado no projeto.

Figura 35Placas controladoras dos motores de passo.

Fonte: Hsk Store

Para que o computador industrial prprio para trabalhar em ambientes com

vibrao pudesse ser ligado no painel de comando sem risco de sobrecarga atravs da

porta serial foi necessrio selecionar uma placa opto isoladora modelo LPTOP-05conforme mostra a figura 36. A placa opto isoladora necessrio porque os motores de

passo trabalham com tenses mais altas que o computador dessa forma h risco de

sobrecarregar o hardware do computador.


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Figura 36Placa Opto Isoladora LPTOP-05.

Fonte: Hsk Store

Para alimentar os motores de passo foi necessrio selecionar uma fonte capaz

de fornecer a corrente e a tenso necessria. Cada motor de passo necessita de 6A, para

garantir que no 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 37Fonte 20A.

Fonte: Hsk Store

Para a alimentao e controle do motor de corrente alternada trifsico foi

necessrio selecionar um variador de frequncia capaz de fornecer a potncia necessria

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 38.


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Figura 38Inversora 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 alm de ser mais apropriado por ser

mais resistente a vibraes. O computador utiliza um processador Dual Core e 4Gb de

memria RAM. O software Mach3 foi adquirido e instalado no computador industrial.

Para facilitar a iterao entre o operador e o sistema e em face do ambiente

inspito que a mquina utilizada foi selecionado um monitor touch screen que facilita

a operao do software e elimina a necessidade de mouse e teclado que so sensveis a

entrada de corpos estranhos como cavacos e limalhas.

O sistema de controle foi adquirido pelo LabMEMS, montado em um painel

metlico de 600 milmetros de altura, por 500 milmetros de largura, por 25 milmetros

de profundida prprio para instalaes desse gnero.

Componentes do painel:

Dois drivers controladores Cnc Master modelo DSMU 080, com

alimentao de 40Vcc 80Vcc.

Placa Opto controladora Cnc Master modelo LPTO com cinco entradas e

Doze sadas, com alimentao de 5vcc.

Inversora de Frequncia Delta de 0,75KW.


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40

Fonte linear com tenso de entrada de 220v e tenso de sada de 67Vcc e

corrente de 20A.

Cpu industrial composta por uma placa me modelo GA-C847N-S2, com

processador Celeron Dual Core, mmoria Ram de 4GB e dispositivo de armazenamento

SSD 60GB.

Licena do software Mach 3.

AFigura 39 apresenta o painel de comando montado:

Figura 39 - Painel de controle.


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6. Execuo das Adaptaes

6.1 Adaptaes no motor da rvore principal

Na montagem do motor no foi necessrio nenhuma adaptao uma vez que o

motor adquirido em substituio tem a mesma furao do motor original bastando,

portanto a simples substituio do mesmo. O motor original no permitia a utilizao de

uma inversora de frequncia para o controle da velocidade, com a utilizao do motor

trifsico a inversora pode ser utilizada. AFigura 40 mostra o novo motor montado no

barramento.

Figura 40Motor Trifsico de 1Cv.

A transmisso do movimento para a rvore do torno foi modificada com a

retirada do conjunto de polias e a sua substituio por duas polias sincronizadoras de

mesmo dimetro que transmite o torque do motor a rvore do torno. Na Figura 41

vista a montagem das polias.


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Figura 41- Polias sincronizadoras.

Observou-se a necessidade de um mecanismo para esticar a correia de forma a

mant-la na tenso ideal aumentando assim a sua vida til. NaFigura 42pode ser visto

o mecanismo de tensionamento da correia. O tensionador utilizado tem 50mm dedimetro, 25mm de largura e possui fixao excntrica para permitir o tensionamento da

correia.

Figura 42-Tensionador da Correia


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Na tabela 5 encontram-se os comprimentos de correia padronizados inclusive o

modelo utilizado nesse projeto.

Tabela 05Tabela de Medidas Padronizadas de correias

Fonte: catlogo de correias Gates

Como foi utilizado um motor de corrente alternada trifsico, ou seja, um

circuito de malha aberta houve a necessidade de utilizar um encoderpara 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 apndice um deste

trabalho podem ser vistos os desenhos detalhados do acoplamento e do suporte

utilizados nessa montagem.

Figura 43Encoderinstalado no barramento.


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Na figura 44 vemos o desenho da montagem de todo o conjunto e na figura 45

apresentamos a foto da mquina convertida nesse projeto com a indicao dos principais

componentes utilizados na converso.

Figura 44Conjunto Montado.

Figura 45- Conjunto Montado no torno Manrod MR-330


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6.2 Adaptaes no Fuso de movimentao do Carro Longitudinal

No carro longitudinal foi definido que o motor de passo seria instalado na

lateral esquerda da mquina, para que isso fosse feito houve a necessidade de remover

as engrenagens que conectavam o fuso rvore conforme pode ser visto na figura 46.

Figura 46 -Fuso de movimentao do carro longitudinal.

Aps a posio do motor de passo ter sido definida foi necessrio fabricar um

suporte para posiciona-lo conforme mostra a figura 47. O suporte foi fabricado com

uma furao que permitisse que o motor ficasse alinhado e a furao seguisse o padro

dos motores Nema 34 apresentados na figura 4. O catlogo dos motores padro Nema

34 pode ser encontrado no apndice dois desse trabalho. O desenho detalhado do

suporte pode ser encontrado no apndice um deste trabalho.

Figura 47 - Suporte do motor de passo do carro longitudinal


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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 apndice um deste trabalho.

Figura 48suporte motor de passo montado no carro principal

No desenvolvimento e montagem das peas procurou-se utilizar a furao j

existente no barramento do torno, embora tenha sido necessrio 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 movimentao do carrolongitudinal.


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6.3 . Adaptaes no carro transversal

Para acionamento automtico do carro transversal o motor de passo foiinstalado na parte posterior do carro para manter a manivela de acionamento manual.

Para montagem do motor foi necessrio desenvolver e fabricar um suporte que

permitisse o acoplamento do eixo do motor a ponta do fuso. A figura 50 mostra a pea

em questo. O desenho detalhado do suporte pode ser encontrado no apndice um deste

trabalho.

Figura 50 -Suporte do motor de movimentao do carro transversal.O suporte adaptador foi montado na parte posterior da mesa o que permitiu a

montagem do motor de forma que fosse possvel manter o curso original da mesa. A

figura 51 mostra uma foto do conjunto antes da modificao e a figura 52 mostra uma

representao do conjunto aps a modificao.

Figura 51- Carro transversal antes da modificao


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Figura 52 - Motor de passo montado no fuso de movimentao do carrotransversal.

Para que fosse possvel o acoplamento do eixo do motor com o fuso foi

necessrio alongar a ponta do fuso soldando um prolongamento na extremidade e

fabricar um acoplamento que propicia a ligao. A figura 53 mostra o fuso alongado

com o acoplamento. O desenho detalhado do acoplamento pode ser encontrado no

apndice 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 movimentao do carro transversal, uma representao do conjunto

montado em vista frontal e em vista lateral.


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Figura 54 - Motor de passo montado no fuso de movimentao do carro

transversal.

Figura 55- Desenho do Torno Convertido Vista Frontal


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Figura 56- Desenho do Torno Convertido Vista Lateral

Figura 57- Vista Frontal do Torno Convertido


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Figura 58-Vista Lateral do Torno Convertido


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7. Utilizao da mquina convertida

Aps a converso o torno CNC poder ser utilizado pelos alunos do LabMEMS

para fabricao de componentes que sero utilizados em suas experincias.

O aluno poder inserir o desenho da pea feito em um programa CAD a ser

fabricada no torno utilizando o programa Mach3 que converte automaticamente o

desenho para linguagem binria que entendida pela mquina e ento se d inicio a

fabricao.

O programa Mach3 determina automaticamente os parmetros das operaes

como nmero de passes, velocidade de aproximao e rotao da rvore do torno o que

na prtica facilita a utilizao da mquina pelos alunos, pois descarta a necessidade de

conhecimentos especficos de usinagem. O programa tambm fornece a opo de

customizar os parmetros de usinagem citados anteriormente e deixa a deciso de quais

parmetros adotar com o usurio.

Um exemplo de um componente que pode ser fabricado no torno so os

conectores de entrada e sada dos micro trocadores de calor das clulas fotovoltaicas

com alta concentrao (HCPV).

Devido ao seu tamanho reduzido esses conectores no so encontrados no

mercado, portanto sua fabricao necessria. Para refrigerao do painel ao todo sero

utilizados 300 micro trocadores e com isso ser necessrio fabricar 600 conectores para

o sistema.

Os conectores podem ser fabricados a partir de uma barra cilndrica de 1/8 de

polegada (3,17mm) e 20mm de comprimento. O planejamento do processo de usinagempode ser feito seguindo-se uma sequncia de etapas lgicas conforme ser demostrado a

seguir:

Primeira etapa: nesta etapa as dimenses da pea devem ser acertadas. Um

faceamento da extremidade direita deve ser feito seguido de um torneamento

longitudinal. Essas etapas so necessrias para garantir a cilindricidade da pea o que

garante que ao fixar na castanha seja possvel centralizar a pea corretamente.


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O faceamento deve ser feito utilizando uma ferramenta de pastilha de metal

duro para garantir que as rebarbas da operao de furao sejam totalmente removidas e

que a superfcie fique totalmente plana.

O torneamento longitudinal deve ser feito utilizando uma ferramenta depastilha de metal duro para corrigir o dimetro mximo da pea e para garantir que as

superfcies fiquem totalmente lisas. A barra cilndrica original vem de fabrica com

3,17mm de dimetro, portanto um passe longitudinal de 0,17mm de profundidade deve

ser feito por uma extenso de 10mm da pea. A Figura 59 mostra um desenho

representativo das operaes realizadas nesse etapa.

Figura 59- Faceamento e Torneamento Longitudinal

Segunda etapa: a segunda operao a ser realizada no torno a furao.

Utilizando uma broca de um mm de dimetro que fixada no mandril do carro

mvel conforme mostrado na figura 27 podemos aproximar a broca da pea que

fixado na placa do torno movimentando o mandril manualmente atravs de uma

alavanca e assim realizar a primeira operao de furao com 10mm de profundidade. A

figura 60 mostra um desenho representativo da operao de furao.


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Figura 60- Furao

Terceira Etapa: nessa etapa a pea usinada advinda da segunda etapa j com adimenso mxima ajustada deve passar por uma operao 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 sero feitas trs ranhuras de 45 graus e 1 mm de

comprimento que mais tarde serviro para ajudar a fixar os tubos de conexo dos micro

trocadores.

A extremidade esquerda deve ser rebaixada em 1 mm para ser acoplada ao

micro trocador, para essa operao sero necessrios 2 passes de 0,5mm de

profundidade ao longo de um comprimento longitudinal de 2 mm.

A figura 61 mostra um esboo da pea finalizada e um desenho mais detalhado

com todas as medidas pode ser encontrado no apndice um deste trabalho.


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Figura 61- Conector


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8. Anlise de Custo

Para que a converso do torno mecnico modelo MR-330, fabricado pela

Manrod, objeto deste estudo se justifique, foi necessrio manter os custos de aquisioassim como o da fabricao dos componentes utilizados para a converso abaixo do

custo de aquisio de uma mquina de comando numrico com caractersticas similares

encontrada no mercado, ou seja, custos de fabricao abaixo do valor de uma mquina

nova.

Para execuo deste projeto de converso foram adquiridos os seguintes

componentes:

1 motor de corrente alternada tifsico;

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 driversde comando;

1 monitor touch screemde 19;

1 caixa metlica 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 aquisio 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 adaptao dos componentes adquiridos, foram projetadas e fabricadas as

seguintes peas:

1 suporte para fixao do encoder;


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1 suporte para fixao do motor de passo no eixo do carro longitudinal;

1 suporte para fixao do motor de passo no eixo do carro transversal;

3 acoplamentos;

O custo de fabricao dessas peas totalizou R$1.260,00 (Um mil duzentos e

sessenta Reais).

O somatrio dos custos de aquisio e fabricao totalizou R$ 9.201,00 (Nove

mil duzentos e um Reais), deve ser somado a este valor o custo de aquisio do torno,

que foi de R$ 5.400,00 (Cinco mil e quatrocentos Reais).

Assim, chegamos ao total do projeto com custo de R$ 14.601,00 (Quatorze milseiscentos e um Reais).

Um torno com caractersticas similares s deste projeto, com barramento de

450 mm, fabricado no Brasil pela INNOV, tem custo estimado em aproximadamente R$

29.990,00 (Vinte e nove mil novecentos e noventa Reais). A figura 62 apresenta um

modelo comercial com caractersticas similares a mquina convertida neste projeto.

Figura 62- Torno CNC INNOV

Fonte: http://innovcnc.mercadoshops.com.br/

Tendo em vista os dados acima mencionados, pode-se afirmar que este projeto

vivel, pois, alm do ganho com a reduo dos custos de produo, que engloba a


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reduo da perda de matria prima e economia de energia, estima-se que do ponto de

vista de produtividade h ganhos de at 40% na produo.


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9. Concluso e Propostas de Aprimoramento

O objetivo principal deste projeto a converso de um torno mecnico manual,

modelo MR-330 comercializado no Brasil pela Manrod, em um torno de comandonumrico e assim emprega-lo na fabricao de microssistemas e dispositivos

microfluidicos a serem utilizados em pesquisas e prottipos no LAbMEMS-

Laboratrio de Nano e Microfluidica e Microssistemas COPPE/UFRJ.

Atravs do presente estudo constatou-se ser possvel a proposta inicial de se

converter uma mquina manual em uma de comando numrico computacional com um

custo inferior ao da aquisio de uma nova no mercado, sendo possvel agora utilizar

uma nova ferramenta para fabricao de peas e projetos dos alunos com muito mais

rapidez e preciso.

O custo para aquisio de peas e fabricao de outras, sem ser somada a isto a

compra da mquina, totalizou R$ 9.201,00 (Nove mil duzentos e um Reais). Este valor

equivale a menos de 30% do valor total para aquisio de um torno de comando

numrico. Foi gasto R$ 5.400,00 (Cinco mil e quatrocentos Reais) para aquisio do

torno, que representa menos de 20% do valor total do custo de um torno de comando

numrico novo. Ao final, chegamos a um montante total de R$ 14.201,00 (Quatorze mil

duzentos e um Reais), que corresponde a menos de 50% do valor de mercado de um

torno de comando numrico. Portanto, a converso da mquina mostra-se vivel em

termos operacionais e de custos.

O clculo da mo de obra no foi contabilizado nos custos, pois, no

englobaria apenas as horas trabalhadas durante a execuo do projeto e sim o

aprendizado prvio para o mesmo. Para a execuo deste projeto, fez-se necessrio oestudo dos trabalhos j existentes, pois, apenas dessa forma foi possvel elaborar o

projeto final.

No que se refere a preciso, podemos constatar que a opo pela manuteno

da possibilidade de operao manual e o acrscimo do comando numrico no implica

em ganho direto de preciso, nem to pouco em perda durante a movimentao manual,

uma vez que para manuteno desta operao foi necessrio manter o fuso original com

a porca bipartida. A preciso de movimentao do carro longitudinal na movimentao


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manual de 0,25mm e no carro transversal em 0,125mm. J a preciso dos motores de

passo dada pela sua movimentao que no nosso caso de 0,0075mm o que acarreta

em um ganho significativo de preciso na mquina.

Espera-se que a mquina convertida traga mais versatilidade na medida em quefabricar os micro conectores que sero utilizados nos micro trocadores de calor. A

utilizao do torno com comando numrico permitir uma reduo sensvel no tempo de

fabricao e melhor aproveitamento do material. Esta funo fara a conexo entre o

micro e o macro proporcionando otimizao da fabricao.

A utilizao do variador de frequncia torna a mquina mais verstil, uma vez

que ele cria uma gama maior de velocidades na rvore do torno, podendo variar de 1

RPM a 1800 RPM.

A utilizao dos motores de passo para movimentao do carro longitudinal e

transversal deu flexibilidade adicional ao torno, expandindo o leque de operaes de

rosqueamento possveis de serem feitas, uma vez que os motores de passo trabalham em

passo e micro passo, com isso possibilita abrir alm das tradicionais roscas mtricas e as

roscas whitworthem qualquer passo que se desejar.

Outra possibilidade que este projeto permite a adaptao de um sistema de

bombeamento de fluido de corte. Para isso basta acoplar um pequeno compartimento na

parte inferior da mquina e um sistema de bombeamento. A incluso desse sistema de

arrefecimento e lubrificao aumenta consideravelmente a vida til das ferramentas

utilizadas. A figura 32 ilustra um sistema de fluido de corte.

Figura 63 - Sistema de fluido de corte


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10.

Bibliografia

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Multicortantes, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Riode Janeiro, 2014

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[3] BRITES, FELIPE G., ALMEIDA SANTOS, VINICIUS P., Apostila: Tutorial Motor de Passo, Programa de Educao Tutorial PET-Tele, Universidade FederalFluminense.- 2008

[4] BUDYNAS, RICHARD G., NISBETT, J. KEITH, Livro: Elementos de Mquinas

de Shigley. 8 ed.Porto Alegre: AMGH, 2011

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[6] Cimatron -Software de CAD/CAM-http://www.cimatron.com/NA/product.aspx?FolderID=898&docID=2997&lang=EN

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[9] FERRARESI, DINO, Livro: fundamentos da Usinagem dos Metais. 14reimpresso. Ed.: Edgard Blcher Ltda, 2011.

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I

Apndice IDesenhos tcnicosLista 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 LIGAO DO SISTEMA DE COMANDO ........................................................... IX


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II

Desenho 1 - Suporte Motor 90Kgf


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IV

Desenho 3 - Suporte do Carro Transversal


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VI

Desenho 5- Acoplamento do Motor 90Kgf


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VII

Desenho 6- Acoplamento do Motor 50Kgf


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VIII

Desenho 7- Conector do Micro Trocador


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IX

Desenho 8- Esquema de ligao do Sistema de Comando


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X

Apndice IICatlogos

CATLOGO 1- TORNO MANROD MR-330 ............... .............................................................. .................... XI

CATLOGO 2- MOTORES DE PASSO ........................................................ ................................................. XII

CATLOGO 3- DRIVER DOS MOTORES ..................................................................................... ............... XIII
http://c/Users/Pedrinho/Documents/google%20drive%20faculdade/Projeto%20final/Projeto%20final_vers%C3%A3o12_CPNC2corrigido.docx%23_Toc396217467http://c/Users/Pedrinho/Documents/google%20drive%20faculdade/Projeto%20final/Projeto%20final_vers%C3%A3o12_CPNC2corrigido.docx%23_Toc396217467http://c/Users/Pedrinho/Documents/google%20drive%20faculdade/Projeto%20final/Projeto%20final_vers%C3%A3o12_CPNC2corrigido.docx%23_Toc396217467http://c/Users/Pedrinho/Documents/google%20drive%20faculdade/Projeto%20final/Projeto%20final_vers%C3%A3o12_CPNC2corrigido.docx%23_Toc396217467


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XI

Catlogo 1- Torno Manrod MR-330


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XII

Catlogo 2- Motores de Passo


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Catlogo 3- Driver dos Motores