mesa coordenada
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PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MESA DE COORDENADAS XY DE BAIXO
CUSTO PARA CORTE E SOLDA
RODRIGO DA SILVA ALVES RODRIGUES1, HELDER BARBIERI LACERDA2
RESUMO
O objetivo deste trabalho é projetar e construir uma mesa de coordenadas XY
computadorizada de baixo custo, para corte e solda de chapas metálicas. Os componentes que
fazem parte da mesa foram projetados e escolhidos visando a facilidade de aquisição,
qualidade, simplicidade, rapidez na fabricação e baixo custo. O acionamento dos eixos de
movimento linear da mesa de coordenadas é realizado por motores de passo, que são
dispositivos eletromecânicos que transformam pulsos elétricos em movimentos angulares
discretos posteriormente convertidos em deslocamentos lineares através de polias e correias
dentadas. Após a construção do protótipo da mesa de coordenadas foram realizados ensaios
geométricos de paralelismo e perpendicularidade de acordo com a norma NBR NM-ISO 230-
1 (ABNT, 1999). O objetivo é obter os erros de paralelismo e perpendicularidade dos
movimentos, ajudando a identificar pontos de melhoria no projeto da mesa XY em conjunto
com técnicas da Qualidade Total, como “Brainstorming”, 5W1H e PDCA (Planejamento,
Execução, Verificação e Atuação Corretiva), de modo a gerenciar os experimentos, promover
as alterações necessárias e melhorar o desempenho do equipamento.
Palavras-chave: mesa de coordenadas, automação de processos, corte e solda.
1 Graduando, Faculdade de Engenharia Mecânica, UFU, Av. João Naves de Ávila, 2121 – Bloco 1M, Uberlândia, 38400-902, [email protected] 2 Orientador, Faculdade de Engenharia Mecânica, UFU, Av. João Naves de Ávila, 2121 – Bloco 1M, Uberlândia
2
DESIGN AND FABRICATION OF A LOW COST XY TABLE FOR CUTTING AND
WELDING
ABSTRACT
The objective of this work is the design and construction of a low cost computerised XY
table, for cutting and welding of metal sheets. The table components were selected in order to
have good quality, simplicity, facility in the fabrication or acquisition of components and low
cost. The XY table have a computerised controller and is powered by step motors, which are
electrical devices capable of transform a sequence of pulses in discrete angular motions,
which are converted in linear motions through pulleys and belts. After the construction of the
prototype, geometrical tests were conducted in order to assess the performance of the
equipment, accordingly with the NBR NM-ISO 230-1 standard (ABNT, 1999). The objective
is to get the parallel and perpendicular motion errors to help in the identification of points
where the design of the XY table must be improved. To do this, total quality techniques, like
brainstorming, 5W1H and the PDCA (Plan, Do, Check, Action) were used to manage the
experiments and to promote the corrective actions (Werkema, 1995) in order to improve the
performance of the equipment.
Key-words: XY table, automation, cutting; welding.
1. INTRODUÇÃO
No processo de corte e solda de
chapas metálicas a geração de geometrias
complexas, compostas por segmentos de
retas, arcos, círculos ou linhas de forma
irregular, é possível através da utilização de
equipamentos com comando numérico.
Porém, os altos custos para aquisição de
3
tais sistemas inviabilizam a sua aplicação,
principalmente por indústrias de pequeno e
médio porte. O equipamento desenvolvido
pela Faculdade de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Uberlândia em
parceria com o SENAI - Uberaba alia custo
baixo com tecnologia e atende às
expectativas deste segmento de mercado. A
mesa de coordenadas computadorizada
executa ações de corte e solda dentro das
tolerâncias de exatidão exigidas, é de fácil
operação e dispensa mão-de-obra
qualificada.
Este trabalho tem por objetivo
mostrar todos os passos efetuados para a
construção da mesa de coordenadas,
iniciando com a fase de projeto, realizado
com o auxílio do software AutoCad, até a
fase final de testes e ensaios geométricos.
2. PRINCÍPIO DE
FUNCIONAMENTO
• Eletroeletrônico
A comunicação de dados entre os
equipamentos eletroeletrônicos se dá na
seguinte seqüência: do computador para os
acionadores (“drivers”) e destes, para os
motores de passo.
Computador - através de sua porta
paralela envia sinais binários, contendo
informações geométricas da trajetória
desejada do porta-ferramentas, para os
acionadores;
Acionadores - acionam os motores de
passo através de conversão dos sinais
binários em uma seqüência de pulsos
elétricos;
Motores de Passo – dispositivos eletro-
mecânicos que transformam os pulsos
elétricos em movimentos angulares
discretos nas polias, que promovem o
movimento linear no sentido X e Y,
resultando no deslocamento do porta-
ferramenta conforme a trajetória desejada.
• Mecânico
O funcionamento mecânico é
baseado na transmissão de movimentos:
Na direção X - o movimento rotativo do
motor de passo gira duas polias que através
4
de correias dentadas produzem o
deslocamento do carro longitudinal (eixo-
X) sobre duas guias prismáticas.
Na direção Y – o eixo-X transporta o eixo-
Y, que possui um funcionamento
semelhante ao do eixo X, deslocando o
porta-ferramenta. A combinação dos
movimentos produz a trajetória desejada.
A Figura 1 ilustra esquematicamente
uma mesa de coordenadas XYZ comandada
por computador.
3. PROJETO DA MESA DE
COORDENADAS
3.1 Escolha dos componentes
Todos os componentes foram
escolhidos e/ou projetados para que
pudessem garantir:
Qualidade – equipamentos eletrônicos
confiáveis e robustos e componentes
mecânicos rígidos;
Facilidade de Fabricação – A estrutura
da mesa e alguns componentes foram
projetados de maneira simples, visando
a facilidade na fabricação do protótipo;
Fácil Aquisição – Foram escolhidos
componentes facilmente encontráveis
no mercado, facilitando aquisição e
reposição de peças;
Baixo Custo – Ponto importante do
projeto, feito para que a pequena
indústria possa construir a estrutura e
várias outras partes do equipamento,
reduzindo o seu custo.
3.2 Desenho da mesa XY
Figura 1 – Princípio de Funcionamento de uma Mesa de Coordenadas.
5
Toda parte estrutural e de
transmissão da mesa de coordenadas foi
projetada e desenhada usando um programa
CAD. A estrutura é de perfis laminados de
aço de seção quadrada com 50 mm de lado,
e está mostrada na Figura 2.
As Figuras 3 e 4 mostram o desenho
em 3D dos equipamentos de acionamento,
bem como sua disposição na mesa de
coordenadas.
Figura 2 – Estrutura e eixos de movimento
Figura 3 -Mancais de Apoio
Figura 4 - Motores, correias e polias
3.3 Fabricação da Mesa de Coordenadas
A estrutura da mesa de coordenadas
XY foi construída no Laboratório de
Soldagem da Faculdade de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de
Uberlândia e a montagem dos componentes
elétricos e eletrônicos foi feita nas oficinas
do SENAI-Uberaba. Para a execução desta
fase de projeto foram utilizados os
desenhos de conjunto e de detalhe da mesa
de coordenadas. A Figura 5 mostra uma
fotografia da mesa de coordenadas, durante
a realização de testes e ensaios geométricos,
que foram realizados para melhorar o
projeto. Algumas técnicas da Qualidade
Total, como “Brainstorming”, “5W1H” e
PDCA foram utilizadas para propiciar um
caminho metódico para a identificação dos
MANCAIS
MOTOR
MOTOR
POLIA
CORREIA
6
Figura 5 – Mesa XY na fase de testes
problemas do equipamento, buscar as suas
causas e chegar a várias propostas de
aperfeiçoamento, sendo que algumas são
citadas:
• Proteção das guias e correias, com o uso
de chapas dobradas, para ambos os
eixos;
• Eliminação de ruídos e interferência
entre os equipamentos eletrônicos;
• Construção de uma caixa metálica para
colocação dos componentes eletro-
eletrônicos;
• Dispositivos de ajuste para as guias
lineares, por meio de parafusos de rosca
fina;
A Figura 6 mostra alguns detalhes
da mesa de coordenadas.
a) motor , mancal e eixo
b) microcomputador e painel
c) parte elétrica
Figura 6 – Detalhes do equipamento
7
4. ENSAIOS GEOMÉTRICOS
Os ensaios geométricos da mesa de
coordenadas foram realizados de acordo
com a norma NBR NM-ISO 230-1 (ABNT,
1999), que trata da exatidão geométrica de
máquinas-ferramenta operando sem carga
ou em condições de acabamento. O objetivo
é obter os erros de paralelismo e
perpendicularidade dos movimentos para
ajudar a identificar os pontos de melhoria
no projeto da mesa XY, em conjunto com
técnicas citadas.
A técnica do PDCA (Werkema,
1995) foi aplicada para gerenciar os
experimentos, com o objetivo de
estabelecer uma metodologia padrão para
obter dados, identificar em que pontos o
projeto da mesa XY pode ser melhorado,
atuar e verificar os ganhos obtidos. A
Figura 7 mostra o esquema do ciclo PDCA.
Os equipamentos utilizados para a
realização dos ensaios geométricos foram:
• Relógios comparadores com faixa de
medição de 10mm e resolução de 0,01
mm;
Figura 7 - Ciclo PDCA
• Uma régua de ensaios de 1000 mm de
comprimento;
• Bases de fixação magnéticas;
• Tablados de madeira, para apoio dos
equipamentos de medição;
4.1 Resultados
Em cada ensaio foram efetuados
cinco ciclos de medição, totalizando dez
leituras em cada ponto, com espaçamento
de 50 mm. As Tabelas 1 e 2 mostram os
erros de paralelismo de movimento na
direção X antes e depois das melhorias
sugeridas, como a aplicação do ciclo
PDCA. Por motivo de espaço são
mostrados apenas os valores obtidos dos 7
primeiros pontos, de cada ensaio, para um
total de 20 pontos. As Tabelas 3 e 4
8
mostram os desvios de perpendicularidade
de movimento, determinados antes e depois
da aplicação do ciclo PDCA. As Figuras 8 e
9 mostram graficamente os resultados
destes ensaios.
Tabela 1 – Ensaio de Paralelismo direção X, antes do PDCA. Valores em mm.
Ponto Posição d. padrão sentido +
d. padrão sentido -
erro médio sentido +
erro médio sentido -
Erro Sistemático
Histerese Erro Aleatório
1 0 0,00 0,03 0,00 0,03 0,00 0,00 0,06 2 50 1,38 0,02 0,36 0,01 0,87 -1,02 0,03 3 100 1,81 0,02 0,67 0,02 1,24 -1,14 0,04 4 150 1,81 0,03 0,63 0,02 1,22 -1,18 0,05 5 200 1,18 0,04 0,21 0,01 0,69 -0,97 0,05 6 250 0,76 0,01 0,00 0,03 0,38 -0,75 0,04 7 300 0,67 0,01 -0,08 0,02 0,30 -0,75 0,03
Médias 1,09 0,02 0,26 0,02 0,67 -0,83 0,04
Tabela 2 – Ensaio de Paralelismo direção X, após PDCA. Valores em mm.
Ponto Posição d. padrão sentido +
d. padrão sentido -
erro médio sentido +
erro médio sentido -
Erro Sistemático
Histerese Erro Aleatório
1 0 0,03 0,02 0,04 0,00 0,04 0,01 0,02 2 50 -0,07 0,01 -0,11 0,00 -0,09 -0,04 0,02 3 100 0,02 0,01 -0,07 0,00 -0,03 -0,09 0,01 4 150 -0,05 0,01 -0,11 0,01 -0,08 -0,07 0,01 5 200 -0,13 0,01 -0,22 0,00 -0,17 -0,09 0,01 6 250 -0,29 0,01 -0,31 0,01 -0,30 -0,01 0,02 7 300 -0,35 0,01 -0,4 0,00 -0,38 -0,05 0,01
Médias -0,12 0,01 -0,17 0,01 -0,14 -0,05 0,01
-1 ,5 0
-1 ,0 0
-0 ,5 0
0 ,0 0
0 ,5 0
1 ,0 0
1 ,5 0
2 ,0 0
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0
P o s iç ã o n o E ix o X [m m ]
Des
vio
[mm
]
E rro S is t e m á t ic oE rro +E rro -P D C A - E rro S is t e m á t ic oP D C A - E rro +P D C A - E rro -
Figura 8 - Erros de paralelismo entre eixos
9
Tabela 3 – Ensaio de Perpendicularidade, antes do PDCA. Valores em mm.
Ponto Posição d. padrão sentido +
d. padrão sentido -
erro médio sentido +
erro médio sentido -
Erro Sistemático
Histerese Erro Aleatório
1 0 -0,03 0,02 -0,04 0,01 -0,04 -0,01 0,02 2 50 -0,57 0,02 -0,58 0,01 -0,57 -0,02 0,02 3 100 -1,11 0,02 -1,13 0,02 -1,12 -0,02 0,04 4 150 -1,68 0,01 -1,70 0,02 -1,69 -0,02 0,03 5 200 -2,00 0,01 -2,00 0,01 -2,00 -0,01 0,02 6 250 -2,37 0,02 -2,38 0,01 -2,37 -0,01 0,03 7 300 -2,79 0,09 -2,78 0,01 -2,78 0,01 0,10
Médias -1,51 0,03 -1,52 0,01 -1,51 -0,01 0,04
Tabela 4 – Ensaio de Perpendicularidade, após PDCA. Valores em mm.
Ponto Posição d. padrão sentido +
d. padrão sentido -
erro médio sentido +
erro médio sentido -
Erro Sistemático
Histerese Erro Aleatório
1 0 0,04 0,03 0,05 0,02 0,05 0,01 0,04 2 50 -0,05 0,03 -0,04 0,02 -0,05 0,02 0,05 3 100 -0,13 0,07 -0,11 0,02 -0,12 0,01 0,09 4 150 -0,26 0,03 -0,24 0,02 -0,25 0,02 0,04 5 200 -0,26 0,03 -0,24 0,02 -0,25 0,02 0,05 6 250 -0,19 0,03 -0,17 0,02 -0,18 0,02 0,04 7 300 -0,20 0,03 -0,19 0,01 -0,20 0,02 0,04
Médias -0,15 0,03 -0,13 0,02 -0,14 0,02 0,05
y = 0 ,0014x - 0 ,3982
y = -0 ,0067x - 0 ,5336
-8,00
-7,00
-6,00
-5,00
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Po sição n o Eixo Y [mm]
Des
vio
[mm
]
E rro S is tem ático
P DCA - E rro S is tem ático
Linear (P DCA - E rro S is tem ático)
Linear (E rro S is tem ático)
Figura 9 - Erros de perpendicularidade de movimento entre os eixos X e Y.
10
Através dos resultados
apresentados, pode-se observar que na
primeira intervenção realizada, utilizando a
metodologia definida pelo ciclo PDCA, já
houve uma significativa melhoria no
desempenho da mesa de coordenadas. O
desvio máximo de paralelismo foi reduzido
de 2 para menos de 0,5 mm. Além disso,
nota-se que a histerese do movimento foi
quase eliminada.
Quanto ao resultado do ensaio de
perpendicularidade de movimento,
mostrado na Figura 9, observou-se pelos
coeficientes angulares da reta de regressão
linear, que houve uma redução de quase
cinco vezes no desvio de ortogonalidade,
cujo valor residual (0,0014 rad) não é
significativo.
5. ESTIMATIVA DE CUSTO
O objetivo deste projeto é o
desenvolvimento de uma mesa XY
computadorizada de baixo custo. A
estrutura da mesa pode ser fabricada na
própria indústria, a parte elétrica pode ser
montada por um técnico, com a ajuda do
"Manual de Montagem e Operação", já
elaborado. Os programas computacionais
desenvolvidos na Faculdade de Engenharia
Mecânica da UFU serão disponibilizados
gratuitamente para as indústrias
interessadas. O maior custo do projeto é o
programa CAD e se a empresa já dispuser
do programa, o custo total cai para
aproximadamente R$10.000,00. Uma mesa
XY CNC para corte e solda, capaz de
funcionar a partir de um desenho feito em
um programa CAD, como o protótipo
descrito neste artigo, foi cotada a R$
70.000,00 durante a FEIMAFE 2001 (Feira
Internacional de Máquinas Ferramenta,
realizada em julho de 2001, em São
Paulo).
6. CONCLUSÃO
Para uma pequena e média indústria
metalúrgica, a aquisição de uma mesa XY
computadorizada para corte e solda, muito
11
contribui para aumentar a competitividade,
pela redução do tempo de fabricação e
padronização das peças fabricadas. O
problema é o alto custo de aquisição deste
tipo de equipamento. O protótipo
desenvolvido é fácil de operar, confiável e
tem um custo muito inferior ao de
equipamentos comerciais, como foi
mostrado no item anterior. Os ensaios
geométricos preliminares mostraram que a
mesa XY têm exatidão suficiente para a
finalidade a que se destina. É importante
salientar que os resultados obtidos nos
ensaios geométricos podem ser
melhorados, com a realização de novos
testes.
As técnicas de Qualidade Total
foram muito úteis, pois indicaram um
procedimento metódico para o
aperfeiçoamento do projeto e a melhoria
do funcionamento do equipamento.
Obteve-se com isso, um ganho
significativo no tempo de desenvolvimento
do protótipo.
7. AGRADECIMENTOS
O primeiro autor agradece
primeiramente a Deus, por ter iluminado
seu caminho durante este projeto
científico, a instituição SENAI-Uberaba,
por ter dado auxílio necessário para a
execução deste projeto e ao CNPq/UFU
pela bolsa de iniciação científica que
possibilitou a realização deste trabalho.
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12
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