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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIRADIAL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM ELETRÔNICA LUIZ HENRIQUE NERY PLINIO DAMIÃO FERREIRA WLADIMIR ANDRÉ DE JESUS LEONARDO STEFANI PROJETO: PROTOTIPADORA DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO PARA SISTEMAS ELETRÔNICOS SÃO PAULO 2008 2 LUIZ HENRIQUE NERY PLINIO DAMIÃO FERREIRA WLADIMIR ANDRÉ DE JESUS LEONARDO STEFANI PROTOTIPADORA DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO PARA SISTEMAS ELETRÔNICOS Trabalho de conclusão do Curso, apresentado para obtenção do grau de BACHARELADO no Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica do Centro Universitário Radial, UNIRADIAL-SP. Orientador: Prof. Sidney Fernandes da Luz 3 “O importante não é o objetivo e sim a jornada que o levou até lá.” Confúncio 4 AGRADECIMENTOS A Deus pela graças concedidas no decorrer do trabalho. Aos amigos e colegas, pela força, pela motivação e apoio em relação a esta jornada. Ao Coordenador do projeto de engenharia, Professor Sidney Fernandes, pela sua paciência e dedicação ao trabalho. Aos meus pais por me apoiar-me e ao meu amor pelas cobranças. A todos que com boa intenção colaboraram para a realização deste trabalho. Luiz Henrique Nery Em primeiro lugar ao nosso senhor Jesus Cristo, por me dar saúde e entendimento para buscar meus objetivos. Aos nossos orientadores Sidney Fernandes e Edison Russo por muitas vezes ter dito para buscar informações adicionais para nos orientar. Ao corpo docente da faculdade diretamente ou indiretamente por muitas vezes me atenderam com satisfação quando fui pedir ajuda. Aos colegas de classe e do desenvolvimento do projeto por compartilhar comigo seus conhecimentos. Aos meus familiares, por muitas vezes que eu não ter como participar com eles das suas atividades familiares. em especial a minha irmã Ana Lúcia por ter me dado muito apoio em tudo. Plínio Damião Ferreira Agradeço a Deus por ter dado saúde e forças para superar as dificuldades e me abençoar com a certeza de alcançar meus objetivos. Agradeço a todos os professores que se dedicaram ao longo desta longa jornada a transmitir-nos o tesouro maior chamado conhecimento. Agradeço a diretoria, coordenação e a todos os colaboradores da Uniradial pela excelência de seu trabalho. Agradeço ao Governo do Estado de São Paulo, ao Projeto Escola da Família e a todos os seus integrantes que, além de me possibilitar a conclusão de minha graduação, proporcionaram meu crescimento pessoal. Agradeço a todos os companheiros de sala e especialmente aos de grupo que se ajudaram mutuamente desde o primeiro ano. Agradeço a Empresa em que trabalho pelo apoio e colaboração recebidos. Agradeço a meus familiares pela compreensão, paciência, dedicação e credibilidade. Wladimir André de Jesus Agradeço a Deus por ser presente em minha vida, A minha família por ser minha fonte de inspiração, meu porto seguro, meu apoio, amparo, ajuda, por serem pacientes e, sobre tudo, me amar como sou, Aos amigos pela paciência nas minhas faltas e pelo carinho sempre presente nas palavras, Aos colegas, que ao longo do curso se tornaram amigos, pela cumplicidade, ajuda e respeito, E a todos os professores que acreditaram e compartilharam seus conhecimentos conosco, em especial ao Prof. Edison Russo, desde o princípio presente e disposto a ajudar, ao Prof. Sidney Fernandes da Luz, por nos guiar nesta etapa final do processo e ao Prof. Francisco Manoel Filho, por mostrar onde poderíamos melhorar. Leonardo Stefani 5 RESUMO Desenvolvimento de um equipamento para a confecção de protótipos de Placas de Circuito Impresso (PCI) para eletrônica através do processo CNC (Comando Numérico Computadorizado). O equipamento deve ser capaz de realizar o desenho na superfíce cobreada da placa, retirando áreas indesejadas, realizar os furos para inserção dos componentes eletrônicos e efetuar o corte da PCI com formatos diferenciados de acordo com necessidades específicas de desenho. Abordará princípios para elaboração de PCI, os princípios do CNC, passos para a pesquisa, elementos mecânicos, eletrônicos e o programa (software) que gerenciará o equipamento, bem como os custos para desenvolvimento, benefícios, técnicas e materiais. 6 ABSTRACT Development of equipment for manufacturing of prototypes of Printed Circuit Boards (PCB) for electronics through the process CNC (Computer Numerical Control). The equipment must be able to hold the drawing board charged to the surface, removing unwanted areas, make the holes for insertion of leads of electronic components and make the cut of PCB with different formats according to the specific needs of design. Discuss principles for development of PCB, the principles of CNC, steps for the research, mechanical parts, electronics and software to manage the equipment, as well as costs for development, benefits, techniques and materials. 7 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS................................................................................................................... 10 LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. 11 1 Introdução .............................................................................................................................. 12 1.1 Razões para o Projeto................................................................................................... 12 1.2 Objetivos e apresentação do trabalho.......................................................................... 14 1.3 Princípios Teóricos ....................................................................................................... 15 1.4 Referência Bibliográfica............................................................................................... 16 Artigos em Revistas:................................................................................................................. 16 Livros: ........................................................................................................................................ 16 Documentos:.............................................................................................................................. 17 Endereços de pesquisa na Internet: .......................................................................................... 17 2 TÉCNICAS DE PRODUÇÃO DE PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS............... 18 2.1 O que é uma PCI?......................................................................................................... 18 2.2 Desenho a mão .............................................................................................................. 19 2.3 Decalques ...................................................................................................................... 21 2.4 Processo Térmico.......................................................................................................... 22 2.5 Processo Fotográfico .................................................................................................... 23 2.6 Processo Serigráfico .....................................................................................................25 2.7 Considerações sobre os processos ............................................................................... 27 3 PRINCÍPIOS E CONCEITOS DE USINAGEM POR CNC............................................. 29 3.1 Conceitos....................................................................................................................... 29 3.2 Um pouco de história.................................................................................................... 29 3.3 Estrutura de códigos do Comando Numérico ............................................................. 31 3.4 Comando Numérico aplicado a PCIs .......................................................................... 31 4 ESTRUTURA MECÂNICA DA PROTOTIPADORA ..................................................... 33 4.1 Conceitos básicos.......................................................................................................... 33 4.2 Base ............................................................................................................................... 33 4.3 Estrutura dos eixos........................................................................................................ 34 4.4 Deslocamentos dos eixos cartesianos.......................................................................... 35 4.4.1 Guias Lineares .......................................................................................................... 35 4.4.2 Guias com rolamentos circulares............................................................................. 36 4.4.3 Rolamentos Lineares ................................................................................................ 38 4.5 Movimento dos eixos cartesianos................................................................................ 39 4.5.1 Fusos de Esferas Recirculantes................................................................................ 39 4.5.2 Movimento por correias ........................................................................................... 40 4.5.3 Fuso de rosca trapezoidal......................................................................................... 41 4.6 Motores Elétricos para acionamento dos eixos........................................................... 42 4.6.1 Motores CC............................................................................................................... 42 4.6.2 Motores de Passo ...................................................................................................... 45 4.7 Considerações sobre a mecânica.................................................................................. 47 5 Circuito Eletrônico ................................................................................................................ 48 8 5.1 Componentes principais ............................................................................................... 48 5.1.1 Microcontrolador x Microprocessador.................................................................... 48 5.1.2 A escolha do microcontrolador PIC 18F4550-I/P:................................................. 49 5.1.3 Características do Microcontrolador 18F4550 I/P ................................................. 50 5.1.3.1 Memória FLASH..................................................................................................... 51 5.1.3.2 Memória RAM......................................................................................................... 51 5.1.3.3 Memória EEPROM ................................................................................................. 52 5.1.3.4 Oscilador Interno.................................................................................................. 52 5.1.3.5 ULA com multiplicador 8 x 8 bits....................................................................... 52 5.1.3.6 Pinos disponíveis (34 pinos)................................................................................... 53 5.1.3.7 Módulo MSSP (Master Synchronous Serial Port) ............................................... 53 5.1.3.8 Módulo Serial Estendido (USART) ....................................................................... 55 5.1.3.9 Controlador USB..................................................................................................... 55 5.2 Mostrador LCD............................................................................................................. 56 5.3 Teclas de Controle ........................................................................................................ 57 5.4 Memórias EEPROM externas...................................................................................... 57 5.5 Porta RS-232 ................................................................................................................. 58 5.6 Placa de Controle e Comunicação ............................................................................... 58 5.6.1 Microcontrolador PIC 18F4550............................................................................... 59 5.6.2 Display LCD e Teclado............................................................................................ 60 5.6.3 Memória EEPROM I2C ........................................................................................... 60 5.6.4 Barramento USB....................................................................................................... 61 5.6.5 Porta RS-232............................................................................................................. 61 5.6.6 Controle dos Motores de Passo................................................................................ 62 5.6.7 Sensores de início da mecânica ............................................................................... 62 5.6.8 Placa Montada........................................................................................................... 62 5.7 Placa de Potência .......................................................................................................... 63 5.8 Fonte de alimentação .................................................................................................... 65 6 SOFTWARE ......................................................................................................................... 66 6.1 Visão geral da programação......................................................................................... 66 6.2 O Programa de controle da Prototipadora................................................................... 67 6.3 Divisão em funções ...................................................................................................... 68 6.4 Programa Principal ....................................................................................................... 70 6.5 USB_CDC.C................................................................................................................. 71 6.6 LCD.C ........................................................................................................................... 71 6.7 TECLADO.C ................................................................................................................ 72 6.8 EXT_EEPROM.C......................................................................................................... 72 6.9 ARQUIVO.C................................................................................................................. 72 6.10 MOV_MP.C.................................................................................................................. 73 6.11 INTER.C ....................................................................................................................... 74 6.12 Sobre o programa..........................................................................................................77 7 VALIDAÇÃO DO SISTEMA ............................................................................................. 78 7.1 Pontos e instrumentos para validação.......................................................................... 78 7.2 Processo de validação................................................................................................... 79 7.2.1 Folga nas guias com rolamentos lineares................................................................ 79 7.2.2 Folga nos mancais dos fusos dos eixos................................................................... 80 7.2.3 Folga nas porcas em PTFE dos fusos dos eixos..................................................... 80 7.2.4 Alinhamento entre os eixos...................................................................................... 80 7.2.5 Inclinação dos eixos ................................................................................................. 81 9 7.3 Testes Elétricos ............................................................................................................. 81 7.4 Testes integrando mecânica, eletrônica e software .................................................... 82 8 CUSTOS PARA REFERÊNCIA ......................................................................................... 84 9 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 88 9.1 Avaliação Final............................................................................................................. 88 9.2 Dificuldades Encontradas............................................................................................. 88 9.2.1 Estrutura Mecânica ................................................................................................... 88 9.2.2 Eletrônica .................................................................................................................. 88 9.2.3 Programa de Controle............................................................................................... 89 9.3 Sugestões para os próximos trabalhos......................................................................... 90 9.4 Abrangência das disciplinas estudadas para a execução do projeto.......................... 91 9.5 Fotos do Projeto ............................................................................................................ 92 10 LISTA DE FIGURAS Figura 2. 1 – Placa de circuito impresso...................................................................................... 18 Figura 2. 2 – Placa pronta com as ilhas dos componentes e trilhas ........................................... 19 Figura 2. 3 – Caneta para circuito impresso ................................................................................ 19 Figura 2. 4 – Furador manual e mini furadeira elétrica .............................................................. 21 Figura 2. 5 – Sensibilizante para PCI e placa pré-sensibilizada................................................. 23 Figura 2. 6 – Expositora para PCI com emulsão fotossensível .................................................. 24 Figura 2. 7 – Tela de serigrafia com desenho de PCI ................................................................. 26 Figura 3. 1 – Fresadora CNC........................................................................................................ 32 Figura 4. 1 – Base da prototipadora ............................................................................................. 33 Figura 4. 2 – Parte da estrutura em duralumínio ......................................................................... 35 Figura 4. 3 – Guias Lineares da empresa RAC ........................................................................... 36 Figura 4. 4 – Guia com rolamentos circulares............................................................................. 37 Figura 4. 5 – Rolamento Linear.................................................................................................... 38 Figura 4. 6 – Rolamentos lineares na estrutura ........................................................................... 39 Figura 4. 7 – Fuso de esferas recirculantes.................................................................................. 40 Figura 4. 8 – Movimento linear por correia ................................................................................. 41 Figura 4. 9 – Fuso e porca de rosca trapezoidal .......................................................................... 41 Figura 4. 10 – Motor Tipo Corrente Contínua............................................................................. 43 Figura 4. 11 – Motor CC comercial de pequena potência .......................................................... 44 Figura 4. 12 – Arranjo interno do motor de passo....................................................................... 45 Figura 4. 13 – Arranjo magnético de um motor de passo........................................................... 46 Figura 4. 14 – rotor com maior número de ressaltos................................................................... 47 Figura 5. 2 – Placa de controle e comunicação montada............................................................ 63 Figura 5. 3 – esquema eletrônico da placa de potência............................................................... 64 Figura 5. 4 – Placa de potência montada ..................................................................................... 65 Figura 6. 1 – Distribuição das bibliotecas em C da prototipadora ............................................. 68 Figura 6. 2 – Bibliotecas e funções .............................................................................................. 69 Figura 6. 3 – Fluxograma da função Main()................................................................................ 71 Figura 6. 4 – função recebe_arq() ................................................................................................ 73 Figura 6. 5 – fluxograma da função mov_eixos() ....................................................................... 74 Figura 6. 6 – função exec_arq().................................................................................................... 75 Figura 7. 1 – Paquímetro Digital Mitutoyo CD-8C .................................................................... 78 Figura 7. 2 – Relógio Comparador Mitutoyo ID-C112-B .......................................................... 79 Figura 7. 3 – Multímetro Digital Icel MD-6130.......................................................................... 82 Figura 8. 1 – CCD2, Bungard ....................................................................................................... 86 Figura 8. 2 – Profiler, Colinbus.................................................................................................... 86 Figura 8. 3 – Protomat S42, LKPF............................................................................................... 86 11 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 – Quadro Comparativos das técnicas apresentadas .................................................. 27 Tabela 8.1 – Custo dos equipamentos e tempo gasto.................................................................. 84 Tabela 8.2 – Custo médio por placa............................................................................................. 84 Tabela 8.3 – Custos das máquinas................................................................................................ 8712 1 Introdução 1.1 Razões para o Projeto A eletrônica nos dias de hoje tem desempenhado um papel fundamental no cotidiano das pessoas. Presente em praticamente todos os campos da atuação humana, ela tem sido a grande alavanca a impulsionar o mundo para novas descobertas e horizontes, possibilitando que as tecnologias se tornem cada vez mais acessíveis, a custos menores e com mais qualidade que outras opções antecessoras. Essa reinvenção que a eletrônica tem possibilitado vem em grande parte dos processos de miniaturização e integração dos componentes. Os cada vez menores resistores, capacitores e outros componentes que compõe os circuitos eletrônicos têm criado produtos com tamanhos e recursos até então inimagináveis até mesmo para escritores de ficção científica. Mas a grande revolução aconteceu no campo da microeletrônica, criando chips com imensas quantidades de componentes trabalhando em conjunto e integrados em uma única pastilha de silício. Computadores com grande capacidade de processamento e cálculo que à apenas alguns anos atrás ocupavam grandes áreas em prédios comerciais e custavam pequenas fortunas hoje ocupam a palma de nossa mão, com inúmeros recursos adicionais e menor consumo de energia. Graças a este acontecimento, a eletrônica passou por um processo de desmistificação e alcançou pessoas e áreas que nunca antes tinham criado algum objeto ou dispositivo utilizando esta tecnologia. Entretanto, mesmo com a integração alcançando tais níveis, há componentes e acessórios de um circuito eletrônico que não podem ser integrados à pastilha semicondutora. Por exemplo, embora seja possível integrar capacitores no substrato da pastilha semicondutora, a capacitância destes podem alcançar apenas alguns nanofarads (nano = 10e- 9, Farad = unidade de medida de capacitância), mas em circuitos de fontes de alimentação são utilizados capacitores de alto valor, na ordem de microfarads (micro = 10e-6) ou mesmo milifarads (mili = 10e-3) para que a mesma tenha sua correta operação. 13 Tais componentes, devido a seu tamanho externo, não são passiveis de integração na pastilha de silício. Torna-se necessário utilizar um meio de interligar tais componentes de tamanho avantajado não somente com o chip, mas também com outros componentes essenciais ao funcionamento do sistema eletrônico. Nos primórdios da eletrônica era bastante comum interligar os componentes uns nos outros diretamente em seus terminais soldando uns aos outros, formando o circuito elétrico. Outra técnica de montagem bastante utilizada antigamente é de Ponte de Terminais, onde uma barra de material isolante contendo diversos ilhós e terminais presos eqüidistantes entre si possibilita interconexões entre os componentes. Os terminais são soldados nos ilhós ou nos terminais, criando as conexões elétricas do circuito. Existem outras técnicas, mas esses métodos, assim como os anteriores, não permitem um grande número de componentes em uma mesma estrutura, pois a montagem se torna complexa demais e o risco de problemas com interferências elétricas e curtos-circuitos é bastante alto. Além disso, os circuitos montados são suscetíveis a interferências eletromagnéticas devido ao comprimento dos terminais. Para utilizar um grande número de componentes e interligações, a técnica mais utilizada e que apresenta os melhores resultados é a Placa de Circuito Impresso, ou simplesmente P.C.I. Formada por um meio isolante, geralmente fenolite para aplicações de baixo custo e baixa freqüência, ou fibra de vidro para aplicações com grande número de componentes e uma grande gama de freqüências, a P.C.I. ainda recebe uma fina lâmina de cobre em uma de suas faces para criar as interligações entre os componentes. De acordo com a quantidade de ligações e componentes, o substrato isolante pode receber esta lâmina nas duas faces, ou até mesmo em camadas adicionais, em um processo conhecido como multicamadas (do inglês multilayer). Entretanto, devido à lâmina de cobre recobrir totalmente o substrato, é necessário remover partes do cobre para que seja possível interligar os componentes da forma correta. Atualmente a técnica mais utilizada para a remoção de locais específicos da lâmina de cobre é o ataque químico realizado por ácidos corrosivos. Para realizar tal intento, o revestimento de cobre tem seus pontos de interconexão (conhecidos como ilhas e trilhas) protegidos com tintas e emulsões resistentes a ataques químicos. Áreas não desejadas na superfíce cobreada são deixadas em seu estado natural. Desta forma, o ataque do ácido 14 concentra-se apenas nas áreas não protegidas do cobre, retirando os excessos e deixando apenas as áreas desejadas. Esta técnica tem uma ampla variação de formas, custos e tempos de produção, que serão melhores detalhadas nos capítulos subseqüentes. Entretanto cabe ressaltar que para a realização de protótipos de circuitos eletrônicos a complexidade e/ou o custo desta forma de realização de PCI por vezes pode tornar-se desagradável ou mesmo inviável a realização do mesmo. Uma técnica ainda pouco explorada para a realização de PCI é através da utilização de fresadora ferramenteira com Comando Numérico Computadorizado também conhecida como Fresadora CNC ou Centro de Usinagem. Seu princípio baseia-se na retirada de áreas indesejadas por meio de ferramentas de corte, denominada Fresa. A PCI é fixada na mesa móvel da fresadora que, deslocando de acordo com um roteiro pré-estabelecido pelo desenho da placa e com a ferramenta acoplada a um mecanismo que a faz girar, retira partes da superfíce do cobre deixando apenas as trilhas e ilhas necessárias para o funcionamento do circuito. Embora a utilização do processo de usinagem para a confecção de P.C.I. tenha vantagens inerentes decorrentes do processo, como será abordado nos capítulos seguintes, o custo do equipamento inviabiliza a utilização do mesmo para o pequeno usuário ou desenvolvedor de soluções em eletrônica. 1.2 Objetivos e apresentação do trabalho O projeto abordado neste Trabalho de Conclusão de Curso tem por objetivo apresentar uma opção de baixo custo para a realização de P.C.I.s para protótipos e/ou pequena quantidades de placas, de forma ecológica, pois não utiliza agentes químicos com risco de danos ao meio ambiente; rápida, pois não necessita de diversas etapas de preparação das placas e desenhos, necessárias nos processos químicos e sem a intervenção humana constante; e adicionais vantajosos como a furação da PCI para a introdução dos terminais dos componentes e realização de perfis especiais. 15 O projeto ainda deve ter custo acessível para os padrões nacionais, de forma que possa ser utilizado por diversos públicos, desde desenvolvedores autônomos a empresas de eletrônica. No capítulo 2 serão abordadas as formas de produção de PCI por processo químico, desde processos artesanais como o desenho manual à caneta até a alguns processos industriais. Um quadro comparativo das técnicas será apresentado Uma breve descrição dos princípios de usinagem através de CNC (comando numérico computadorizado), bem como o funcionamento básico dos comandos, será apresentada no capítulo 3. No capítulo 4 será iniciada a descrição do equipamento desenvolvido. Detalharemos as técnicas de construção, a estrutura e os dispositivos mecânicos, materiais utilizados e formas alternativas, entre outros. A eletrônica do projeto será abordada no capítulo 5 com o funcionamento dos componentes principais, a explanação da arquitetura do sistema, portas de comunicação utilizadas, controle e ativação dos motorese eletrônica de potência. O software de controle será descrito no capítulo 6, onde os seus princípios, estrutura, rotinas de operação e linguagem de programação, serão abordados apropriadamente. No capítulo 7 o processo de validação do projeto será demonstrado, bem como a apresentação dos valores correspondentes. No capítulo 8 serão tratados o custo de construção do projeto e os custos para a produção de PCI para os sistemas apresentados, além de um comparativo entre equipamentos similares. Por fim, no capítulo 9, as conclusões do projeto, dificuldades para a realização do projeto e sugestões de possíveis melhorias para o futuro serão apresentadas. 1.3 Princípios Teóricos O projeto baseia-se em sistemas já existentes no mercado na área de usinagem de peças mecânicas para as mais diversas áreas industriais e em equipamentos disponíveis 16 para preparação das placas de circuitos impresso comerciais em algumas de suas etapas. No mercado internacional já há alguns equipamentos com características para a furação e preparação da PCI, mas a preços não condizentes com a realidade nacional. Por outro lado, para empresas nacionais que possuem equipamentos capazes de realizar o processo de fabricação de PCI por usinagem, o custo de manutenção dos mesmos impossibilita uma redução acentuada dos custos proporcionalmente a outras técnicas, pois muitos dos componentes que integram o equipamento não são encontrados com facilidade no mercado nacional, e, mais grave, alguns deles sequer são fabricados dentro do país. Para criar o presente projeto, uma das premissas mais defendidas pelos autores foi de manter o maior número possível de componentes existentes no mercado nacional, de forma que o mesmo estivesse acessível a qualquer pessoa interessado em fazê-lo. 1.4 Referência Bibliográfica Artigos em Revistas: Krempelsauer, Ernest. Produção de Placas de Circuito Impresso, artigo da Revista Elektor 66, Edição Brasileira, São Paulo, Editora Bolina, 2007. Muller, T. Máquina Furadora para Placas . Artigo da Revista Elektor Nº 5, edição brasileira, São Paulo, Editora Ferreira & Bento, 2002. Livros: Silva, Sidnei Domingues da. CNC – Programação de Comandos Numéricos Computadorizados – Fresamento, 5ª Edição, Editora Érica, São Paulo, 2008. Williams, Al. Build Your Own Printed Circuit Board - Design to Production - Everything You Need to Make Your Own PCBs, 1° edition, Tab Books, 2003. Witte, Horst. Máquinas Ferramenta - Elementos Básicos de Máquina e técnicas de construção. 1ª edição, Editora Hemus, 1998. Campbel, Joe. RS-232 – Técnicas de Interface. 1ª edição, EBRAS editora brasileira, 1986. 17 Belmiro, Arnaldo. Serigrafia-Silk Screen. 2º edição, Editora Ediouro, 1979, SP. Documentos: Universal Serial Bus Specification (Especificações da porta USB 2.0), documento composto pelas empresas Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC e Philips, Abril/2000. http://www.usb.org/developers/docs/usb_20.zip Stepper Motor Basics – Notas de aplicação industrial http://www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf Zeilmann, R. P., Dr. Eng. Mec. Comando Numérico Computadorizado CNC – apresentação. Endereços de pesquisa na Internet: Selfmade Hobby CNC Engraving http://engraving.majosoft.com Microchip Inc,. – Microcontroladores da família PIC www.microchip.com International Rectifier – Transistores MOSFET www.irf.com USB Implementers Forum, Inc – Grupo mantenedor das especificações da porta USB www.usb.org Wikipedia www.wikipedia.org Eletrônica.org www.eletronica.org 18 2 TÉCNICAS DE PRODUÇÃO DE PLACAS DE CIRCUITOS IMPRESSOS Com o objetivo de apresentar as características do projeto torna-se necessário um pequeno estudo sobre as técnicas de produção de PCI. Serão abordadas as técnicas mais conhecidas, usadas para a produção de protótipos e/ou pequenas quantidades. 2.1 O que é uma PCI? PCI é a abreviação para Placa de Circuito Impresso e é constituída de um material isolante e um meio condutor. O isolante pode ser fenolite em aplicações de baixo custo e baixa freqüência, ou fibra de vidro para aplicações com grande número de componentes, interligações e freqüências mais altas. O elemento condutor é uma fina lâmina de cobre na superfíce do material isolante para criar as conexões entre os componentes. Na figura 2.11 podemos observar como é uma placa virgem, ou seja, sem circuito ou interligações. Figura 2. 1 – Placa de circuito impresso De acordo com a quantidade de ligações e componentes, o substrato isolante pode receber esta lâmina nas duas faces ou até mesmo em camadas adicionais, em um processo conhecido como multicamadas (em inglês multilayer). Inicialmente a lâmina de cobre recobre totalmente o substrato da PCI, fazendo- se necessário remover partes desta para interligar os componentes de forma a deixar apenas os 19 pontos de interconexão, também conhecidos como ilhas. As ligações entre as ilhas recebem o nome trilhas. Na figura 2.2 há uma placa já pronta para visualização. Figura 2. 2 – Placa pronta com as ilhas dos componentes e trilhas O processo de remoção dos locais específicos da lâmina de cobre é um dos objetivos deste trabalho e será abordado de forma apropriada na seqüência. 2.2 Desenho a mão O desenho a mão é uma técnica artesanal de preparação da placa de circuito impresso em que o desenho das trilhas é feito com uma caneta contendo tinta resistente à corrosão. Para realizar o desenho é possível utilizar alguns acessórios tais como réguas, compassos e referências, para facilitar o desenvolvimento e qualidade do desenho. Na figura 2.3 podemos observar uma caneta deste tipo. Figura 2. 3 – Caneta para circuito impresso 20 O processo para produzir uma PCI por esta técnica inicia-se limpando a superfíce do cobre com uma palha de aço ou uma lixa de granulometria bem fina, deixando-a livre de oxidações e outras impurezas. Logo após é necessário limpar com um produto desengordurante para que a tinta tenha total adesão a superfíce, e não venha se destacar durante o ataque químico. Uma vez realizada a preparação da superfíce do cobre, o desenho propriamente dito pode ter início, usando a caneta com tinta especial e traçando a mão as trilhas e ilhas que compõe o desenho da PCI e, opcionalmente, as ferramentas já citadas. Terminado o desenho, é chegado o momento de preparar o banho para o ataque químico. Trata-se de processo corrosivo que ataca áreas não desejadas do cobre, utilizando-se para tal um ácido de alta capacidade de corrosão do cobre. O ácido mais utilizado para em uso na produção artesanal é o cloreto de ferro III, também conhecido como Percloreto de Ferro, cuja fórmula molecular é FeCl3. O percloreto de ferro é vendido em pó e, para preparar o banho, é necessário diluí-lo em água, utilizando a proporção de 2 partes de água para 1 parte de percloreto de ferro em um recipiente não metálico. Após a diluição e o desenho, a placa é colocada dentro do recipiente contendo a solução de percloreto de ferro. O período de corrosão ocorre entre 10 e 40 minutos, pois depende do tamanho da placa, da qualidade de solução do percloreto e da temperatura do banho, entre as possibilidades mais comuns. Finda a corrosão, a PCI é enxaguada em água corrente, seca e limpa com álcool ou outro produto de limpeza para remover a tinta das trilhas. Para evitar a oxidação da cobre é necessário proteger a superfíce com um verniz próprio, que impede tal ocorrência. Finalizada esta etapa, é preciso proceder à furaçãoda PCI, onde serão inseridos os terminais dos componentes. Esta furação pode ser realizada através de um furador manual ou de uma mini-furadeira elétrica, que podem ser vistos na figura 2.4. Após a furação a placa encontra-se pronta para a montagem do circuito. 21 Figura 2. 4 – Furador manual e mini furadeira elétrica O processo de produção da PCI por desenho a mão, como foi possível identificar, é bastante trabalhoso, demanda uma quantidade grande de tempo e sua qualidade depende totalmente do desenhista. As vantagens se reduzem ao custo ser reduzido em comparação a outras técnicas devido a pouca utilização de ferramentas e materiais. Para a realização de protótipos esta técnica tem validade apenas se a quantidade de componentes no circuito for pequena e sem circuitos integrados no projeto, pois devido aos terminais deste último estarem muito próximos uns do outros o desenho pode ficar prejudicado. 2.3 Decalques Uma variação da técnica de desenho a mão é a utilização de decalques transferíveis para realizar o desenho da PCI. O decalque é uma película contendo partes que compõe o desenho da PCI, tais como linhas, curvas e ilhas em diversos e espaçamentos. A transferência do decalque para a PCI se dá mediante a aplicação de pressão contínua e moderada em toda a área do desenho, até que a mesma de deixado a película e esteja fixa na superfíce cobreada. Áreas com grande densidade podem ser preenchidas com decalques próprios ou com canetas para circuito impresso, já anteriormente mencionado. 22 A preparação da placa é idêntica ao processo de desenho à mão. Terminado o processo de transferência, o processo continua o mesmo para a preparação do banho corrosivo, ataque, limpeza, proteção e furação. A vantagem deste processo para obter PCI para protótipos é a qualidade obtida com o desenho, já que as formas pré-estabelecidas propiciam este resultado, e um pequeno ganho de tempo de realização do mesmo em relação à técnica anterior. Entretanto, esse processo tende a encarecer a obtenção da placa e, atualmente, os decalques vêm deixando de ser produzidos, o que dificulta a obtenção dos mesmos. 2.4 Processo Térmico O processo térmico consiste em imprimir uma folha de papel revestido em uma impressora laser ou em uma fotocopiadora, que depois com uma mesa aquecida ou ferro de passar roupa é transferido para a superfíce cobreada. Isto é possível porque a tinta usada nestas impressoras é formada por um polímero que com a temperatura se funde a superfíce. O processo completo consiste em preparar o desenho à mão em uma folha de papel ou no computador, utilizando programa próprio para esta finalidade. Obtido o desenho, é necessário imprimir cópia em impressora laser ou fotocopiadora em uma folha de papel revestido ou em papel próprio para esta finalidade, conhecido como Easy-Peel. A folha, impressa com o desenho, é fixada a superfíce cobreada da PCI. Com um ferro de passar roupas à temperatura média ou uma prensa térmica com temperatura adequada, o desenho é transferido para o cobre. O processo requer um pouco de treino até identificar o tempo certo para a transferência correta tanto para a o ferro quando para a prensa, o que torna o processo um tanto incerto sobre qualidade. Transferido o desenho, retira-se à folha de base e se necessário é realizada pequenas correções nas trilhas com a caneta para circuito impresso. Para completar a placa o processo segue os mesmos passos das técnicas anteriores, ou seja, preparo do banho, corrosão, enxágüe, limpeza, furação, proteção, etc. A vantagem desta técnica é o seu custo reduzido, qualidade aceitável se comparado ao desenho manual e menos dispendioso de habilidade que as técnicas anteriores. 23 Entretanto o tempo necessário para elaboração da mesma e a experiência para adequar a quantidade de toner, o tempo de aquecimento e a qualidade incerta, principalmente para trilhas mais finas (abaixo de 0,5 mm, muito comuns hoje para componentes SMD), podem impossibilitar utilização desta técnica. 2.5 Processo Fotográfico O Processo fotográfico já uma técnica bem mais elaborada que as técnicas artesanais, e por esta razão é muito utilizada na indústria por sua qualidade. Entretanto com o aprimoramento da técnica já é possível encontrar no mercado placas pré-sensibilizadas, que permitem a utilização imediata, ou emulsões fotográficas em frascos. Na figura 2.5 podemos ver alguns dos produtos utilizados para a produção de placas por processo fotográfico. Figura 2. 5 – Sensibilizante para PCI e placa pré-sensibilizada O processo fotográfico inicia-se com a preparação do desenho da PCI manualmente ou no computador através de programa próprio, preferencialmente. Na seqüência é gerado um fotolito, que é um filme contendo o desenho da PCI. Existem dois tipos de fotolito, o positivo e o negativo. O fotolito positivo é utilizado com emulsões positivas e placas pré- sensibilizadas positivas. Essa característica vem da forma como o desenho é transferido, onde as trilhas são escuras e as áreas a serem removidas deixadas transparentes. Desta forma a 24 emulsão foto-sensível que recebe luz (preferencialmente ultravioleta) perde resistência e durante o banho de revelação é removida da placa. Já o fotolito negativo é o contrário do fotolito positivo. Nele as trilhas são deixadas transparentes, enquanto as áreas não desejadas são mantidas escuras. Com isto a emulsão fotográfica negativa recebe luz nas áreas correspondentes às trilhas e endurecem, enquanto as que não recebem luz permanecem sem resistência. Assim como no fotolito positivo, a emulsão negativa também necessita de um banho de revelação, que irá remover as áreas não expostas do desenho. Se a placa a ser utilizada for pré-sensibilizada, logo após o desenho já é possível proceder a exposição da placa. O fotolito é fixado a superfíce exposta da placa pré- sensibilizada e colocada em uma máquina expositora no processo industrial, como a da figura 2.6. Figura 2. 6 – Expositora para PCI com emulsão fotossensível Para a aplicação em protótipos uma lâmpada fluorescente germicida ou mesmo exposição à luz solar também podem ser utilizadas em substituição a máquina, devido às mesmas terem grande quantidade de raios ultravioleta e revelação. O tempo de exposição varia de equipamento e fonte luminosa, mas oscila entre 2 a 10 minutos. Realizada a exposição, a placa segue para um banho com revelador durante aproximadamente 10 minutos para retirar as áreas não expostas da superfíce. O tempo de permanência varia em função da solução reveladora e do tempo de exposição. Além disso, algumas emulsões do mercado não utilizam o banho e sim uma limpeza da placa com álcool 25 isopropílico. A vantagem é que o álcool é um produto químico com menos riscos à saúde que outras soluções reveladoras. Concluída a revelação, a placa é enxugada e está pronta para passar pelos outros processos já citados anteriormente, como corrosão, limpeza, proteção, furação, etc. A qualidade deste processo é inigualável relacionada com outras técnicas. Permite detalhes diminutos, o que a torna a melhor técnica para PCIs que irão abrigar componentes de montagem em superfíce, conhecidos como componentes SMD. Além disso o fotolito pode ser aproveitado outras vezes. A principal desvantagem deste processo é custo elevado da emulsão fotográfica, o que pode tornar inviável a produção de protótipos com esta técnica, e também do próprio fotolito. A nitidez e o contraste adequado do fotolito influencia diretamente aqualidade do resultado final, mas também eleva o custo total. Entretanto hoje já é possível conseguir bons fotolitos em impressoras a laser, com contraste e nitidez suficientes para uma PCI de qualidade. 2.6 Processo Serigráfico O processo serigráfico, mais conhecido como silk-screen, é uma técnica de impressão em superfíce bastante difundida. Seu uso com equipamentos corretos e tintas adequadas possibilita imprimir uma grande gama de materiais, que vão desde camisetas até a frascos de óleos automotivos. Por tratar-se de uma superfíce lisa, a placa de circuito impresso permite a impressão através do processo de serigrafia de forma bastante tranqüila, possibilitando qualidade e volume satisfatórios, embora para protótipos a técnica seja uma tanto quanto trabalhosa. O processo serigráfico consiste em uma tela de tecido com trama muito fina que é colocada em um bastidor e esticada. Recebe então uma camada de emulsão fotográfica própria, que fechará totalmente a trama da tela de forma a criar uma superfíce lisa, onde será colocado o fotolito contendo o desenho das trilhas da PCI. O conjunto formado pela tela, bastidor e fotolito é colocado em uma fonte de luz ultravioleta, conhecida como expositora, onde é presa a vácuo. 26 Exposta a luz através do fotolito, por um período determinado, a emulsão fotográfica contida na tela endurece e se torna resistente ao atrito e a determinados solventes. As áreas não expostas, devido a áreas escuras do fotolito, permanecem com pouca resistência e finalizado o processo de exposição são removidas durante a limpeza. A tela final fica com o aspecto da presente na figura 2.7, onde é possível que notar as áreas sem emulsão permitem a passagem de luz facilmente, enquanto as áreas protegidas permanecem revestidas pela emulsão, de cor rosa. Figura 2. 7 – Tela de serigrafia com desenho de PCI Finalizada a tela, o passo seguinte do processo é a impressão da PCI. Para realizar esta tarefa, a tela é presa em um suporte adequado que possibilite o movimento basculante da mesma e um local de apoio para o substrato a ser impresso com pontos de alinhamento. A placa nova, isenta de gorduras e partículas, é fixada sobre o local determinado. Na seqüência a tela já com o desenho é colocada na posição certa do alinhamento referenciado, sendo o lado desejado do desenho colocado em contato com a superfíce cobreada da placa, ou seja, viro para baixo. A tinta serigráfica própria para meios ácidos é despejada em pouca quantidade no lado superior da tela e distribuída com um rodo próprio para esta aplicação. Ao distribuir a tinta na tela, a mesma atravessará a áreas abertas da trama onde não restou a emulsão fotográfica, imprimindo o desenho na placa. A placa impressa é colocada em forno próprio para cura da tinta por um período de até 20 minutos, ou deixada 27 para secar ao ar livre por aproximadamente 3 horas, de acordo com a temperatura ambiente. Após essas etapas o processo continua com as outras etapas já vista anteriormente. O processo serigráfico é atualmente a forma mais utilizada para produção industrial de placas de circuito impresso devido a repetibilidade e praticidade de produção com os equipamentos corretos e relação custo-benefício. Mas para a produção de protótipos esta técnica tem alguns inconvenientes, como o tempo gasto e o custo para preparar a tela e os equipamentos necessários. 2.7 Considerações sobre os processos O presente trabalho não tem por objetivo ser um tratado sobre técnicas de produção de placa de circuito impresso, mas devido a sua utilização é necessário apresentar informações de referência para a avaliação do mesmo. Todas as informações presentes foram pesquisadas em livros, artigos de revista e endereços na internet, além da experiência dos próprios autores. Com o objetivo de realizar um comparativo mais direto das técnicas apresentadas a tabela 2.1 condensa as etapas de produção de forma concisa. Técnica Qualidade Tempo Custo por placa Dificuldade Desenho Manual à Caneta Dependente do Operador Longo Baixo realizar desenhos complexos Decalques Muito Boa Longo Relativamente Baixo encontrar decalques no mercado Térmica Boa Médio Baixo muito treino para conseguir boa qualidade Fotográfica Ótima Médio Alto Adquirir emulsão fotográfica no mercado, custo Serigráfico Ótima Inicialmente Médio/Alto, baixo Relativamente baixo Tempo necessário, equipamento. Tabela 2.1 – Quadro Comparativos das técnicas apresentadas 28 Naturalmente não é possível abranger todos os aspectos que envolvem as técnicas abordadas, mas para o estudo de protótipos os tópicos apresentados estabelecem um panorama geral de características de cada processo. 29 3 PRINCÍPIOS E CONCEITOS DE USINAGEM POR CNC 3.1 Conceitos CNC é a sigla para Comando Numérico Computadorizado e refere-se ao controle de uma máquina-ferramenta por meio de um programa ou, mais especificamente, um arquivo de computador que contém um conjunto de instruções e coordenadas que possibilitam a criação de uma peça mecânica. O equipamento CNC foi definido pela Associação das Indústrias Eletrônicas (EIA) como “um sistema em que ações são controladas pela introdução direta de dados numéricos em algum ponto. O sistema deve automaticamente interpretar pelo menos alguma porção destes dados”. Existem outras definições para Controle Numérico, conceituado por outros autores, tais como “uso de informações numéricas codificadas no controle automático do posicionamento de um equipamento”, mas referem-se ao mesmo sistema. 3.2 Um pouco de história A aplicação de conceitos de automação para a produção de peças não é nova e no século XIV surgem as primeiras tentativas, utilizando-se cilindros com ranhuras para dar movimento a figuras ornamentais em relógios de igrejas. Em 1808 o francês Joseph M. Jacquard criou um tear para malharia que por meio de pequenas chapas de metal perfuradas de várias formas, poderia ser controlado para gerar um desenho. A presença ou ausência dos furos determina a necessidade ou não de ativar um ponto gerando, desta forma, o desenho. No ano de 1863 o M. Founeaux desenvolveu o controle automático para pianolas. Conforme a passagem de ar podia-se controlar e ativar o mecanismo do teclado e assim produzir as melodias. Após isto várias tentativas foram feitas, mas em 1948 o americano John C. Parsons desenvolve o método numérico para controle de trajetórias e, aproveitando a necessidade de produzir componentes aeronáuticos de formas complexas e com precisão, surgiu a idéia de desenvolver uma máquina ferramenta que controlasse o posicionamento de 30 seus eixos (ou fusos) diretamente da saída do computador. Assim, Parsons e o MIT (Massachusetts Institute of Technology), propuseram os seguintes tópicos: – Usar o computador para calcular o caminho da ferramenta e transpor os dados de movimento para cartões perfurados; – Acoplar um dispositivo de leitura na máquina-ferramenta para ler os cartões perfurados; – Desenvolver um sistema de controle que, por meio dos cartões perfurados, forneçam dados apropriados para os motores da máquina ferramenta, que estão conectados aos fusos que movimenta os eixos das máquinas. Em 1952 a primeira máquina-ferramenta controlada numericamente, do fabricante Cincinnati-Hydrotel, foi demonstrada com sucesso no MIT. A unidade de controle era constituída de válvulas, controlando três eixos e com dispositivo de leitura de fitaperfurada (código binário). O uso do computador era exigido, principalmente, devido às complexas trajetórias da ferramenta de corte. A partir de 1957 a Força Aérea Americana começa a utilizar as máquinas de comando numérico. A Associação da Indústria Aeronáutica e o MIT entram em acordo para o desenvolvimento da tecnologia. Em 1960 até 1970 ocorre uma ampla aplicação das máquinas NC nas indústrias de manufatura. Com a microeletrônica tornando os componentes cada vez mais acessíveis e cada vez menores, os microprocessadores começam a ser empregados no desenvolvimento dos controles numéricos computadores, diretamente acoplados às máquinas. O surgimento dos sistemas de CAD (Computer Aided Design, desenvolvimento assistido por computador) tornam os sistemas CAM (Computer Aided Manufacturingn, manufatura assistida por computador) mais poderosos. Mais tarde surgem os sistemas FMS (Flexible Manufacturing System, Sistema Flexível de Manufatura), com a utilização de máquinas CNC. Atualmente os sistemas CAD/CAM e equipamentos CNC são utilizados em outras indústrias como a injeção de plásticos, indústria de mobiliários e produção de sistemas eletrônicos. Outros pontos que merecem destaque são a pouca intervenção humana, a conexão de diversos equipamentos em uma rede de operações, tanto para o envio dos arquivos de 31 controle quanto das peças e movimento simultâneo de vários eixos (há sistemas com 5 eixos), entre outras. 3.3 Estrutura de códigos do Comando Numérico Como citado anteriormente, o Comando Numérico dispõe de um conjunto de instruções e coordenadas para realizar a usinagem de peças industriais. Esse conjunto de instruções é conhecido como código G, embora ele seja apenas um dos grupos contidos no comando numérico. Uma linha de instrução ou bloco em código G seria assim: N30 G02 X100. Y238.5 Z0 I0 J20 F100 S1300 T02 M03 No programa de controle numérico as instruções são chamadas de dados tecnológicos, enquanto as coordenadas são chamadas de dados geométricos. Dados geométricos têm o propósito de realizar o movimento da ferramenta para alcançar posições, definir interpolações, controlar direção e sentido do mesmo, sendo executados na seqüência em que surgem no programa. Basicamente as instruções são: X, Y, Z, A, B, C, U, V, W, I, K, G e R. Dados tecnológicos aplicam as condições de usinagem envolvidas para a realização da mesma como, por exemplo, a ferramenta desejada, seu sentido, velocidade de rotação e a velocidade de avanço. São basicamente, as instruções F, M, S e T. A versão do código G usado nos Estados Unidos foi estabelecida pela Electronic Industries Alliance no início dos anos 60, sendo revisado e aprovado em fevereiro de 1980 como norma RS-274-D. Na Europa a norma que rege a o código G é a DIN ISO 66025, sendo preferida em lugar da norma americana. 3.4 Comando Numérico aplicado a PCIs No capitulo anterior, sobre processo de produção de PCIs, foi comentado da existência de programas para computadores pessoais (PC) capazes de realizar o desenho das trilhas que compõe a placa de circuito impresso. Esses programas já possuem em sua instalação padrão a opção de gerar um arquivo de produção CAM com o conteúdo do desenho. 32 Desta forma é possível desenvolver um equipamento com capacidade de processamento e recursos para receber o arquivo CAM gerado, analisar a instruções contidas nele e controlar dispositivos de formar a gerar a PCI pelo processo de usinagem. Naturalmente já existem no mercado equipamentos industriais que realizam essa operação em metais para a produção de peças mecânicas e elas poderiam ser adaptadas para realizar a usinagem das placas para eletrônica. Um equipamento CNC possibilitaria não apenas proceder a usinagem do cobre, mas também à furação do substrato para inserir os terminais dos componentes. Uma única ferramenta de corte é capaz de remover a superfíce de várias placas antes de precisar de nova afiação, de forma rápida e sem a utilização de agentes químicos danosos à saúde e ao meio ambiente. Entretanto tratam-se de máquinas muito grandes e pesadas, como se pode ver na figura 3.1, com aplicação para retirada de grandes quantidades de metal e/ou grande volume de peças. Tem preço elevado e a colocação de ferramentas de corte pequenas para a produção de PCIs pode ser uma tarefa ingrata, já que devido ao se tamanho reduzido podem quebrar facilmente num equipamento de grande porte. Figura 3. 1 – Fresadora CNC Pelas últimas razões apresentadas e, somadas as dificuldades encontradas nas técnicas de produção de placas mencionado no capítulo anterior, o projeto de uma Prototipadora para Placas de Circuito Impresso, como a presente aborta, tem sua validade compensada. 33 4 ESTRUTURA MECÂNICA DA PROTOTIPADORA 4.1 Conceitos básicos A Prototipadora para Placas de Circuito Impresso é um equipamento para usinagem, e por esta razão necessita de diversas características para realizar sua tarefa. Duas delas estão diretamente ligadas à mecânica e são elas: robustez e precisão. A robustez da máquina irá garantir que a operação da mesma ocorra conforme o planejado, evitando vibrações excessivas e mantendo condições adequadas para que o segundo item seja cumprido. A precisão possibilitará que o desenho idealizado pelo no programa de desenho de PCI seja executado dentro dos parâmetros estabelecidos, com um mínimo de diferença ou nenhuma, preferencialmente. Para tornar isso possível, a estrutura mecânica da prototipadora foi dividida em 5 áreas, que serão analisadas na seqüência. 4.2 Base A base da Prototipadora é o ponto principal para a montagem da máquina. Uma base robusta irá garantir que todo o restante do equipamento seja disposto para obter o máximo de desempenho e precisão com o mínimo de esforço mecânico e erro. Para garantir essas características a base foi construída em aço e dotada supressores de vibração, para garantir que as vibrações geradas pelo movimento dos eixos e do motor conectado à ferramenta de corte não interfiram na precisão do conjunto. A figura 4.1 mostra a base durante o processo de usinagem e finalizada. Figura 4. 1 – Base da prototipadora 34 Outro ponto importante da base refere-se a superfíce da mesma, que foi retificada para garantir o perfeito alinhamento da peça em relação ao movimento dos eixos, gerando mais garantias da precisão do conjunto. 4.3 Estrutura dos eixos Definida a base o próximo passo é estabelecer a estrutura da prototipadora, que será responsável por receber os eixos de movimento. O objetivo da estrutura junto com os eixos é possibilitar o movimento que ira produzir a PCI. Existem basicamente duas formas de estruturar uma máquina-ferramenta: uma delas é movimentar a peça utilizando para isso uma mesa móvel, ou movimentar a ferramenta de corte. Após estudos e avaliações em algumas máquinas-ferramenta, tais como fresadoras e centros de usinagem, a opção de movimentar a ferramenta em lugar da peça se mostrou mais apropriada para o projeto da Prototipadora. Isto se deve a algumas razões: – Movimentando apenas a ferramenta, a estrutura não necessita ter alta resistência, que implicaria em utilizar materiais mais resistentes e caros; – Com a ferramenta o peso do conjunto é constante, o que garante a repetibilidade do conjunto, aumentando a precisão. Estabelecida o tipo de estrutura, a escolha do material para a mesma considerou a importância da leveza do conjunto para propiciar movimentos suaves e o uso de motores com menor potência, melhorando sensivelmente o custo total do projeto.Para isso a estrutura foi desenvolvida em duralumínio, uma liga de alumínio, cobre e magnésio, com pequenas quantidades de manganês e silício, apresentando elevada resistência mecânica e leveza. É utilizado na indústria aeronáutica. O duralumínio foi utilizado para criar as estruturas dos eixos X e Z. o eixo Y foi montado diretamente na base, com mancais em aço. A figura 4.2 mostra as vigas em duralumínio que sustenta o eixo X da Prototipadora. 35 Figura 4. 2 – Parte da estrutura em duralumínio 4.4 Deslocamentos dos eixos cartesianos Como foi explanado no capítulo 3, a Prototipadora é regida pelo sistema de coordenadas cartesianas e composta por três eixos, conforme os planos cartesianos. São eles o eixo X, correspondente ao plano X, eixo Y acompanhado o plano Y e eixo Z, ligado ao plano Z. Para cada eixo é necessário uma superfíce ou dispositivo de deslocamento, ou outro capaz de empreender movimento linear ao mesmo. Por existirem formas distintas para realizar esta tarefa, serão apresentados os dispositivos mais comuns e suas características. 4.4.1 Guias Lineares A Guia linear é composta por dois elementos principais: o carro, também conhecido com patim, e o trilho, onde o carro realiza seu movimento. O trilho é uma peça em aço especial, endurecido, tratado e retificado para diminuir o desgaste e manter a precisão durante sua utilização. Formado por uma peça única, tem geometria própria formada por canais em suas laterais, onde correm as esferas presentes no carro, e furos a intervalos regulares para fixá-lo na superfíce de base. O carro possui características semelhantes, mas é dotado nas extremidades de um dispositivo capaz de recircular as esferas em seu interior, impedindo a entrada de corpos 36 estranhos e propiciando um deslocamento preciso e isento de interferências. Na figura 4.3 é possível identificar o dispositivo. Figura 4. 3 – Guias Lineares da empresa RAC A guia linear é atualmente a melhor opção para suporte de movimento linear, pois combina precisão (erro menor que 0,002 mm) com confiabilidade e velocidade de movimento (alguns modelos atingem até 2 metros/segundo). Seu porém é tratar-se de um dispositivo de alto custo para implantar em equipamentos, e sua utilização se justifica apenas se suas características são utilizadas de forma plena, ou seja, necessidade de alta velocidade, alta precisão, etc. Embora tenha sido desenvolvida para uma aplicação de precisão, a Prototipadora não necessita operar em alta velocidade, e devido ao custo elevado das guias lineares, a mesma não foi utilizada no projeto. 4.4.2 Guias com rolamentos circulares Operando de forma semelhante a anterior, mas com elementos simplificados, as guias com rolamento angular são uma opção de baixo custo para superfíce de deslocamento. Também composta por um carro e um trilho, este modelo de guia tem como característica a construção feita a partir de materiais disponíveis no mercado. 37 A constituição do trilho pode seguir a estrutura já existente ou ser construída usando um perfil metálico comercial, como um tubo quadrado ou um perfil redondo, ambos preferencialmente em aço com alto teor de carbono. O carro pode ser construído de diversas formas para melhor se adaptar ao conjunto. Um tubo quadrado pode operar com um suporte em forma de L, e assim por diante. Embora o custo desta guia é baixo ela possui inconvenientes que limitam seu campo de aplicação. A precisão do conjunto é baixa, na ordem de 0,05 mm até 0,2 mm, o que inviabiliza sua utilização aplicações de precisão como a Prototipadora. Sua velocidade máxima também não é alta (máximo de 0,5 metro/segundo), pois a vibração excessiva pode quebrar a capa externa do rolamento. Por não possuir uma proteção contra corpos estranhos, uma pequena sobra de metal que alcance a superfíce de rotação dos rolamentos pode ocasionar o bloqueio do mesmo, ou fazer com que ocorra um salto no deslocamento, podendo inclusive danificar irremediavelmente o conjunto. Devido às características negativas do parágrafo anterior, a mesma não pode ser utilizada no projeto da Prototipadora, sendo apresentada aqui apenas como referência de pesquisa, mas pode ser identificada na figura 4.4. Figura 4. 4 – Guia com rolamentos circulares 38 4.4.3 Rolamentos Lineares O rolamento linear (ou bucha de esferas) é um tipo especial de rolamento preparado para operar em movimento linear, diferente do seu irmão de nome, o rolamento circular, cujo movimento é apenas de rotação. O rolamento linear é bastante semelhante a guia linear, sendo o rolamento linear o elemento mais antigo, mas ainda com características adequadas a boa parte dos projetos que demando movimento linear. Uma visão da estrutura inter do mesmo pode ser vista na figura 4.5. Figura 4. 5 – Rolamento Linear Nela podemos ver as esferas dentro do circuito e o eixo de base para o movimento. Seu funcionamento resume-se as esferas circularem dentro do circuito quando o eixo movimenta-se no interior do rolamento. A precisão do conjunto vem do número de circuitos do rolamento, quanto mais circuitos mais áreas de contato, melhor a precisão, influenciando também a carga máxima que cada peça suporta sem desgaste prematuro. Por possuir custo condizente com o propósito inicial do projeto e funcionalidade compatível, o mesmo foi desenvolvido utilizando rolamento lineares, sendo utilizado um conjunto de dois rolamentos para cada eixo e dois conjuntos eixo-rolamentos para os eixos-planos cartesianos X e Y, conforme mostra a figura 4.6. 39 Figura 4. 6 – Rolamentos lineares na estrutura 4.5 Movimento dos eixos cartesianos Definido o suporte para deslocamento dos eixos é necessário verificar a maneira de mover os eixos de forma adequada. Devido às múltiplas variações de posição o acionamento dos eixos deve ser realizado por motor elétrico, conforme será visto adiante, mas é necessário que seja acoplado no eixo de rotação do motor um dispositivo capaz de transformar o movimento rotativo do mesmo em movimento linear. Para isso algumas opções foram estudadas. 4.5.1 Fusos de Esferas Recirculantes A primeira opção é um mecanismo semelhante a um rolamento circular, com a diferença que neste o canal onde as esferas rodam está no sentido da geometria do rolamento, possibilitando apenas a rotação do mesmo. Já no fuso de esferas recirculantes o canal se desenvolve em todo o comprimento do fuso e em formato espiral, transformando assim a rotação do fuso em movimento linear. Na figura 4.7 há um desses dispositivos. 40 Figura 4. 7 – Fuso de esferas recirculantes Para garantir que as esferas não saiam do conjunto existe um sistema de chamado de “gaiola” que captura as esferas no final porca e através de um canal interno as envia de volta pra o fuso. O fuso de esferas é atualmente a melhor opção para conversão de movimento rotativo em movimento linear. Alcança grandes velocidades, de até 200 m/minuto; alta precisão, como modelos operando na ordem de milésimos de milímetro (0,001mm); e opera com baixa manutenção e alta confiabilidade. Mas por todas essas vantagens há custo relativamente alto, e por essa razão sua aplicação é explorada em sistemas cujo movimento deve ser rápido e preciso. 4.5.2 Movimento por correias Uma opção bastante interessante é a utilização de correias ou cabos para a conversão do movimento rotativo em movimento linear. Com baixo custo e fácil implementação, sua aplicação abrange várias aplicações como impressoras de agulha,jatos de tinta, plotters, mesas de retificadoras, entre outras. A foto 4.8 ilustra o sistema. 41 Figura 4. 8 – Movimento linear por correia Embora bastante versátil, está técnica não deve ser aplicada em alguns equipamentos. Por exemplo, uma massa de movimentação elevada e rápida sofre com a imprecisão do conjunto, pois a correia sofrerá deformação durante a aceleração do conjunto, dificultado o posicionamento preciso. 4.5.3 Fuso de rosca trapezoidal Quando um sistema linear necessita de precisão e movimentos, velocidade baixa e custo baixo, a técnica de conversão de movimento mais aplicada é fuso de rosca trapezoidal, que pode ser vista na figura 4.9. O nome trapezoidal vem do formato do perfil da rosca, a forma geométrica conhecida como trapézio, um quadrado com dois lados paralelos. Figura 4. 9 – Fuso e porca de rosca trapezoidal 42 O princípio do fuso trapezoidal é próximo do fuso de esferas. O perfil da rosca abrange toda a extensão do fuso e da porca na forma de espiral continuo. O contato entre os flancos e a distância mantida o mínimo possível para deslizamento mantém a precisão do conjunto. Embora a velocidade máxima de deslizamento do fuso trapezoidal não seja alta (máximo de 5 metros/minuto), o mesmo permite grande precisão quando bem dimensionado. Por isso e devido ao custo do projeto este dispositivo foi o escolhido, como passo de 2mm de deslocamento por volta. Para melhorar o desempenho geral e possibilitar uma operação mais suave e precisa, as porcas foram usinadas em plástico de engenharia com baixo coeficiente de atrito, conhecido por PTFE (Politretrafuoretileno). 4.6 Motores Elétricos para acionamento dos eixos Identificados os principais aspectos da mecânica do projeto, outro ponto de elevada importância é como movimentar os eixos. No principio do item 4.5 foi comentado da utilização de motores elétricos para girar os fusos, entretanto é necessário pesquisar a melhor opção para isto. A pesquisa para o projeto avaliou as possibilidades abaixo. 4.6.1 Motores CC Os motores de corrente contínua, ou motores CC, são motores de construção simples, porem muito versáteis. Seu controle não requer circuitos complexos e é encontrado no mercado com ampla gama de possibilidades de potência, torque e tensão de trabalho, entre outras características. Para melhor entendimento a figura 4.10 mostra a estrutura básica de um motor elétrico de corrente contínua. 43 Figura 4. 10 – Motor Tipo Corrente Contínua Nela é possível observar a fonte de alimentação, denominada fonte CC, o rotor formado por um cilindro com uma bobina em torno, o estator através dos imãs retangulares ao lado do rotor, com as inscrições S e N, e as escovas ou comutadores responsáveis pela inversão dos pólos magnéticos do rotor. Na maioria dos motores elétricos CC o bobinamento em torno do rotor forma um eletroímã durante a passagem de corrente elétrica, girando entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro com propriedades magnéticas, que fortemente magnetizado quando a corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator. O modo mais comum para isto é usar um comutador. Em sua forma mais simples o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas, isoladamente, no eixo do rotor e os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. Com o circuito fechado a corrente elétrica flui pela primeira escova (+), placa do comutador, continua através da bobina do rotor, placa do comutador e fecha na segunda escova (-). O funcionamento do motor pode ser descrito da seguinte maneira: a corrente contínua gerada pela fonte C.C. é ligada ao coletor do motor por meio das escovas. Essa corrente então gera, através da bobina enrolada no rotor, um campo eletromagnético, transformando o rotor em um eletroímã móvel. 44 Sabendo-se que pólos magnéticos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem, podemos entender que quando o eletroímã formado pelo rotor estiver próximo do campo magnético dos imãs permanentes que formam o estator, podem acontecer dois movimentos: a) se os pólos forem iguais, eles automaticamente irão se repelir, fazendo assim com que o rotor e o coletor girem. b) se os pólos forem diferentes, haverá uma atração entre eles, de forma que o movimento é gerado. Após uma dessas opções, o rotor realiza sua primeira meia-volta, quando então as placas do comutador trocam de posição, invertendo assim o sentido do campo magnético do rotor e reiniciando o ciclo para mais meia-volta, e assim sucessivamente, gerando o movimento de rotação do motor. Um motor CC comercial pode ser visto na figura 4.11 Figura 4. 11 – Motor CC comercial de pequena potência Embora o motor CC seja versátil, eficiente e de baixo custo, para aplicações de movimento com precisão o mesmo necessita de operar em malha fechada, ou seja, necessita de um outro dispositivo para indicar o posicionamento do mecanismo. Esse dispositivo é conhecido como encoder. A função do encoder é gerar sinais de acordo com o movimento que lhe é impresso, possibilitado assim determinar a sua posição. Para que seja possível identificar a posição, um circuito controlador se faz necessário, capturando os sinais do encoder e calculando a posição. Devido a esta necessidade e ao custo elevado do encoder, o projeto não utilizou o motor CC. 45 4.6.2 Motores de Passo O motor de passo é um tipo de motor elétrico um pouco diferente dos outros. Diferente do motor CC em que o imã permanente geralmente está na armadura, o ímã permanente agora está no rotor e as bobinas eletromagnéticas circundam regiões do estator. A figura 4.12 ilustra um motor de passo por dentro, e a figura 4.13. o arranjo magnético para uma rotação completa. Figura 4. 12 – Arranjo interno do motor de passo Na posição 1 podemos ver que o rotor está canto está magneticamente ligado à bobina superior, que está energizada. Para mover o rotor no sentido horário a bobina superior é desligada e a bobina à direita é ativada, fazendo com que o rotor desloque 90 graus, alinhando-se com a bobina ativa. Este processo é repetido da mesma forma para a bobina inferior e bobina esquerda, até retornar a posição inicial. 46 Figura 4. 13 – Arranjo magnético de um motor de passo Existem vários tipos de motores de passo. Os motores bipolares contêm apenas duas bobinas operando como eletroímãs, porém a operação é mais complexa que os motores com quatro bobinas porque o circuito deve ser capaz de inverter a polaridade das bobinas para cada passo. Ao contrário do exemplo, em que o motor tem um passo de 90°, os motores atuais empregam uma série de ressaltos sobre o rotor e o estator para aumentar a resolução. Embora isto possa parecer para acrescentar mais complexidade ao processo de condução de motores, a operação é idêntica ao exemplo de 90° da ilustração. Um exemplo de motor de passo com vários pólos na Figura x. Na posição 1, o pólo norte do rotor está alinhado com o pólo sul do estator. Nota-se que várias posições estão em alinhamento. Na posição 2, a parte superior do estator está desativada e o próximo a sua esquerda é ativado, fazendo o rotor girar exatamente para o encontro deste, a 45°. Neste exemplo, depois de oito etapas o rotor terá dado uma volta completa. 47 Figura 4. 14 – rotor com maior
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