Artigo Cientifico CNC

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FACULDADE DOCTUM DE CARATINGA
DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE IMPRESSORA CNC DE FORMA SUSTENTÁVEL PARA ESTUDO TEÓRICO E PRÁTICO
CARATINGA 
2020
DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO DE IMPRESSORA CNC DE FORMA SUSTENTÁVEL PARA ESTUDO TEÓRICO E PRÁTICO
HALLEF VINICIUS DE SOUZA LUCAS MORENO¹
NATHAN FELIPE BRITO COSTA²
PEDRO HENRIQUE TEODORO DE ALMEIDA³
Quadro 1. Componentes
	Quantidade
	Peças Adquirida
	Valor
	01
	Drive de disquete
	Reciclado
	02
	Drive de computador
	Reciclado
	01
	Kit CNC Shield
	R$47,00
	01
	Suporte de plástico
	Reciclado
	10
	Parafusos x 35mm
	Reciclado
	40
	Arruelas
	R$2,00
	20
	Porcas na medida do parafuso
	R$2,00
	01
	Mola
	Reciclado
	01
	Grampo de Folhas
	R$1,00
	01
	Caneta Esferográfica
	R$1,00
Fonte: Próprios autores.
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de impressora CNC (Comando Numérico Computadorizado) feito em sua maior parte com materiais reutilizados, visando o aprimoramento do conhecimento robótico e a diminuição do impacto ambiental. Para construção, foram utilizados materiais comumente chamados de lixo-eletrônico, como Drives de DVD e de Disquete, além de outros, que quando montados e devidamente programados com o microcontrolador Arduino, reproduz imagens, desenhos ou escritas em dois eixos (X e Y).
Palavras-Chave: CNC; Arduino; Sustentabilidade; Engenharia Elétrica.
ABSTRACT
This article presents the development of a prototype of a CNC printer (Computer Numerical Command), made mostly with reused materials, with the objective to improve robotic knowledge and decreasing the environmental impact. For construction, electronic waste were used, such as DVD and Floppy Drives, among others, which when correctly assembled and programmed with the Arduino microcontroller, reproduce images, drawings or documents in two axes (X and Y).
Keywords: CNC, Arduino, Sustainability, Electrical Engineering.
1 INTRODUÇÃO
Impressoras CNC (Comando Numérico Computadorizado) são máquinas capazes de reproduzir imagens computacionalmente a partir de mecanismos automatizados. Este artigo tem foco em desenvolver uma máquina CNC de baixo custo, feita com componentes descartados em locais inapropriados, de forma a diminuir o impacto ambiental, assim como aprimorar o conhecimento eletrônico e mecânico dos acadêmicos.
Segundo dados de estudo da Global e-Waste Monitor, de 2017, o Brasil está na liderança de produção de lixo eletrônico da América Latina, chegando a 1,7 toneladas anuais. Este estudo avalia em todo o mundo a quantidade de sujeira criada a partir de computadores, televisores e celulares descartados. O desenvolvimento deste trabalho tem como objetivo principal enfatizar os Direitos Humanos, mais especificamente a Sustentabilidade, na reutilização deste material para confecção de um protótipo de impressora CNC.
Como futuros Engenheiros Eletricistas, os acadêmicos pretendem dar uma atenção especial a estes dados, começando desde já a reaproveitar o máximo, uma vez que aulas práticas são de suma importância para o curso.
O conhecimento adquirido neste protótipo também será usado no âmbito profissional futuramente, devido ao aumento da demanda de tecnologias com a mesma lógica de funcionamento.
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
3 METODOLOGIA
3.1 FUNCIONAMENTO
A impressora CNC funciona com comandos numéricos, que são enviados por um software que transforma imagens em coordenadas e as envia ao microcontrolador. Este, por sua vez, controla o acionamento dos motores bem como o tempo que ficarão ativos para ter como resultado a imagem desejada. Nesse protótipo em específico, será usada uma caneta esferográfica para impressão das imagens.
3.2 MONTAGEM DA CNC
Encontrar em meio ao lixo eletrônico dois drives de DVD e um de disquete para computadores. Esses componentes funcionam por meio de motores de passo, que tem papel fundamental no projeto.
Adquirir um CNC Shield V3, quatro drives A4988 para CNC Shield, um Arduino UNO, jumpers para conexão e uma fonte chaveada.
Os drives devem ser testados de forma precisa para melhor obtenção dos resultados desejados.
Após a desmontagem dos drives de DVD, utiliza-se a carcaça dos mesmos para confecção do chassi. Os trilhos dos motores para confecção dos eixos X e Y.
Efetuar a desmontagem do drive de disquete e utilizar o trilho do motor para fazer o acionamento do dispositivo de impressão (caneta esferográfica).
Observar a potência e tensão dos motores para saber qual deverá ser a alimentação necessária para funcionamento, além da polaridade das suas bobinas.
Os dois trilhos dos drives de DVD devem ser fixados no chassi, um na horizontal e o outro na vertical (Figura 1), para funcionarem como o eixo X e Y da impressora.
Figura 1 – Montagem dos trilhos dos Drives
Fonte: Próprios autores.
Conferir esquadrejamento e nivelamento dos eixos.
 Em seguida o drive de disquete deve ser acoplado ao eixo X para realizar o movimento vertical da caneta.
Deve ser feita a plataforma de impressão utilizando qualquer material reciclado de superfície lisa e plana e fixada sobre o leitor do trilho do eixo Y.
Utilizando cabos jumpers conecte as bobinas nos Shields, se atentando novamente para a polaridade.
3.3 SOFTWARES UTILIZADOS
Arduino IDE; Java 9 ou mais recente; GRBL Master; Universal Gcode Sender.
4 DESENVOLVIMENTO
4.1 AQUISIÇÃO DOS COMPONENTES
Inicialmente, os acadêmicos obtiveram os componentes que foram reciclados do descarte de uma oficina eletrônica. No total, foram encontrados dois drives de DVD e um de disquete, todos em bom funcionamento. Na mesma data foram encomendados na internet os Shields e drives A4988. Também foram comprados os outros componentes de acordo com a Tabela 1.
4.2 CONSTRUÇÃO DO CHASSI
Foi feita a desmontagem dos drives de DVD e disquete com o intuito de utilizar suas carcaças e trilhos dos leitores. Essa desmontagem exigiu um certo cuidado para não estragar nenhum componente desejado. (Figura 2)
Figura 2 – Desmontagem dos Drives
Fonte: Próprios autores.
Por motivo estético, foi pintado as partes do chassi de preto antes da montagem. Em seguida, colocando as duas carcaças uma sobre a outra em um formato de “L”, uma sendo a base e a outra o fundo e foram feitos furos onde as carcaças se encontraram de forma a permitir a fixação através dos parafusos e porcas. Foi utilizado um dos trilhos na parte superior da carcaça de base, em formado retrato, alinhando com as medidas da mesma com o intuito de centralizar. O segundo trilho, por sua vez, foi fixado na carcaça de fundo a 6 centímetros acima da base até o local de fixação, também centralizado. Essa configuração formou os eixos X e Y. (Figura 3)
Figura 3 – Eixos X e Y
Fonte: Próprios autores.
Foi fixado o trilho do disquete sobre o leitor do trilho do eixo X. Depois, foi fixado um prendedor de folhas sobre o leitor de disquete para prender a caneta (Figura 4).
A superfície de impressão foi retirada de uma carcaça de impressora e moldada com uma esmerilhadeira. Logo em seguida, foi fixada com cola quente tomando cuidado para não desnivelar (Figura 5).
Foram testadas as bobinas e suas respectivas resistências, para calcular sua potência. Para isso, foi utilizado um multímetro digital. A partir da Lei de Ohm e com a medição da resistência em mãos, obteve-se a corrente referente a cada motor. Após, somou-se as correntes afim de se obter a corrente máxima necessária para o dimensionamento da fonte de alimentação (Figura 6).
Foi realizada a soldagem dos jumpers de alimentação sobre as bobinas de cada motor (Figuras 7, 8 e 9). Posteriormente, foram conectados os jumpers de alimentação dos motores na CNC Shield (Figura 10).
Figura 7 – Jumper s eixo X
Fonte: Próprios autores
Figura 8 – Jumpers eixo Y
Fonte: Próprios autores.
Figura 9 - Jumpers do drive de disquete
Fonte: Próprios Autores
4.3 SOFTWARE E PROGRAMAÇÃO
4.3.1 ARDUINO IDE
O Arduino IDE é um aplicativo escrito em funções de C e C ++. É usado para escrever e fazer upload de programas em placas compatíveis com Arduino, mas também, com a ajuda de núcleos de terceiros,placas de outros fornecedores (Figura 11).
Figura 11 - Arduino IDE
Fonte: Próprios Autores
4.3.2 Gcode
Gcode é o nome genérico para a linguagem de programação utilizada para controle de maquinas e ferramentas. Quando um desenho é feito no computador, o mesmo contém informações que devem ser convertidas para uma linguagem que a máquina irá entender e o Gcode é a linguagem responsável por essa interpretação.
4.3.3 UNIVERSAL GCODESENDER
O Universal GcodeSender trabalha fazendo a leitura do Gcode e o enviando para a máquina (Figura 12). Desenvolvido em Java, o mesmo pode ser executado diferentes sistemas operacionais. O projeto apresenta grande estabilidade e é desenvolvido em colaboração com o GRBL.
Figura 4 - GcodeSender
Fonte: Próprios Autores
4.3.4 GRBL
GRBL trata-se de um software livre, lançado sob a licença GPLv3 e desenvolvido em C, que requer um hardware simples e opera seguindo os padrões industriais. Por estes motivos, o GRBL se tornou um fenômeno entre as plataformas de código aberto, sendo base para máquinas CNC, impressoras 3D entre outros.
4.3.5 JAVA
A plataforma permite desenvolver programas utilizando a linguagem de programação Java. Uma grande vantagem da plataforma é a de não estar presa a um único sistema operacional ou hardware, pois seus programas rodam através de uma máquina virtual que pode ser emulada em qualquer sistema que suporte a linguagem C++.
4.4 MOTOR DE PASSO
Os motores de passo são dispositivos eletromecânicos de acionamento que promovem, a partir de pulsos elétricos, a movimentação angular discreta de seu eixo. A cada um desses movimentos angulares dá-se o nome de passo. Um motor de passo característico possui um rotor com ímãs permanentes em sua periferia e enrolamentos em um estator. Quando o estator é energizado através de um pulso elétrico, o rotor é atraído a alinha magneticamente seus polos com o par de polos gerados pelos enrolamentos. Cada pulso elétrico enviado pelo módulo de comando (driver) corresponde a um passo. Sua desvantagem é o baixo desempenho em altas velocidades, além da ocorrência de ressonância. Quanto ao tipo de funcionamento os motores de passo podem ser: de relutância variável, de ímãs permanentes e híbridos.
Quanto aos tipos de acionamento usados para controle do motor de passo podem ser usados: passo completo, meio passo, normal ou micro passos. 
	Características
	Motor de corrente contínua
	Motor de passo
	Servomotor
	Velocidade
	Alta
	Baixa
	Média
	Toque
	Zero/alto
	Alto/médio
	Baixo/alto
	Facilidade de controle
	Fácil
	Média
	Complexa
	Precisão
	Nenhuma
	Alta 
	Muito alta
	Durabilidade 
	Média
	Ótima
	Média
	Manutenção
	Sim
	Não
	Sim
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Durante o desenvolvimento do protótipo, foi observado que seria necessário fazer um corte no trilho do drive de disquete com intuito de reduzir suas dimensões, para que assim coubesse sobre o leitor do trilho do eixo X.
Um problema encontrado durante os testes foi que a intensidade da caneta sobre a superfície de impressão era baixa precisão. Para resolver essa questão, foi adicionada à caneta uma pequena mola reutilizada do terminal negativo de um controle remoto de televisão.
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS
Arduino IDE. Disponível em: <https://www.arduino.cc/en/main/software> Acesso em: 19/04/20
CASSANIGA, F.A. Fácil programação do controle numérico. 2ª ed. São Paulo: CNC Tecnologia, 2005.
Exemplo de Tutorial. Disponível em : <https://www.youtube.com/watch?v=CN7_T_8TaVI&list=PL03gQKRDjCCb16NnS-nHiTA0C73h86KrH> Acesso em 20/04/2020.
FERRARI, C. D. Implantação de um Sistema de Comando Numérico Computadorizado (CNC). Faculdade de Tecnologia de Catanduva, Cantanduva, SP, Novembro, 2011.
GRBL. Disponível em: <https://github.com/grbl/grbl> Acesso em 20/04/2020.
JAVA. Disponível em: <https://www.java.com/pt_BR/download/faq/whatis_java.xml> Acesso em 20/04/2020.
Montagem de CNC. Disponível em: <http://atividademaker.com.br/projeto-montando-minha-cnc-caseira> Acesso em 20/04/2020.
POLASTRINI, F. H. Desenvolvimento De Uma Máquina CNC De Baixo Custo Com Software E Hardware Abertos. Formiga MG, Novembro de 2016.
The Global E-Waste Monitor 2017. Disponível em: < http://ewastemonitor.info> Acesso em 20/04/2020.
Universal Gcode Sender. Disponível em: <https://github.com/winder/Universal-G-Code-Sender> - Acesso em 19/04/2020.
ANEXOS
APENDICES
A equação utilizada para dimensionamento da fonte de alimentação do projeto foi a Primeira Lei de Ohm. Ela determina que a diferença de potencial entre dois pontos de um resistor é proporcional à corrente elétrica que é estabelecida nele. Além disso, de acordo com essa lei, a razão entre o potencial elétrico e a corrente elétrica é sempre constante para resistores ôhmicos. Esta equação pode ser descrita da seguinte forma “U=r.i”, onde “U” é a tensão, “r” a resistência do material ou componente e “i” a corrente.