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Todas as máquinas devem ter seu funcionamento mantido dentro de condições satisfatórias, de modo a atingir com êxito o objetivo desejado. A forma primitiva de controle é a manual. O homem, por meio de seu cérebro e seu corpo, controla as variáveis envolvidas no processo. No caso do torno mecânico, por exemplo, de acordo com o material a ser usinado, o torneiro seleciona a rotação da placa, o avanço a ser utilizado, a quantidade de material a ser removido, e verifica se vai utilizar ou não fluido de corte etc.

O torneiro é o controlador do torno mecânico. Com um instrumento de medição, ele verifica a dimensão real da peça. A informação chega ao seu cérebro através dos olhos. Também através dos olhos, o cérebro recebe informações da dimensão desejada, contida no desenho da peça. No cérebro, ambas as informações são comparadas: a dimensão desejada e a dimensão real. O resultado dessa comparação – o desvio – é uma nova informação, enviada agora através do sistema nervoso aos músculos do braço e da mão do torneiro. O torneiro, então, gira o manípulo do torno num valor correspondente ao desvio, deslocando a ferramenta para a posição desejada e realizando um novo passe de usinagem. A seguir, mede novamente a peça e o ciclo se repete até que a dimensão da peça corresponda à requerida no desenho, ou seja, até que o desvio seja igual a zero. Na figura 4 é mostrado o sistema de realimentação em malha fechada do funcionamento do posicionamento do CNC.

figura 4 – sistema de realimentação do posicionamento

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4.1 MOTORES

Existe diversos tipo de motores que podem ser usados para movimentar uma máquina CNC. Entre as soluções mais usadas podemos citar a movimentação através de motores de passo, motor de corrente continua com encoder e servomotores.

4.1.1 MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA

São motores de custo elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação, ou no caso da alimentação usada ser contínua.

4.1.2 MOTORES DE PASSO

Muitos dispositivos computadorizados (drives, CDRom etc.) usam motores especiais que controlam os ângulos de giro de seus rotores. Em vez de girar continuamente, estes rotores giram em etapas discretas; os motores que fazem isso são denominados 'motores de passo'. O rotor de um motor de passo é simplesmente um ímã permanente que é atraído, seqüencialmente, pelos pólos de diversos eletroímãs estacionários, como é ilustrado na figura 5.

Num motor de passo, o rotor é atraído por um par de pólos do estator e a seguir, por outro. O rotor movimenta-se por etapas discretas, pausando em cada orientação, até que novo comando do computador ative um jogo diferente de eletroímãs. O controle é bem fácil de ser implementado, além disso, é a solução mais barata para fazer controle de posicionamento, porém como pontos negativos é o fato do motor induzir vibrações, e ter ainda por cima uma velocidade um pouco limitada.

figura 5 – funcionamento do motor de passo

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4.1.3 SERVOMOTORES

O servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa (o estator) e outra móvel (o rotor). O estator é bobinado como no motor elétrico convencional, porém, apesar de utilizar alimentação trifásica, não pode ser ligado diretamente à rede, pois utiliza uma bobinagem especialmente confeccionada para proporcionar alta dinâmica ao sistema. O rotor é composto por ímãs permanentes dispostos linearmente e um gerador de sinais (resolver) instalado para fornecer sinais de velocidade e posição. São exigidos, dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. As características mais desejadas nos servomotores são o torque constante em larga faixa de rotação (até 4.500 rpm), uma larga faixa de controle da rotação e variação e alta capacidade de sobrecarga.

Circuito de Controle - O circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um oscilador e um controlador PID (Controle proporcional integrativo e derivativo) que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle e aciona o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada conforme a figura 6.

Os servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. O sinal de controle utiliza o protocolo PWM (modulação por largura de pulso) que possui três características básicas: Largura mínima, largura máxima e taxa de repetição. A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo.

Uma vez que o servo recebe um sinal de, por exemplo, 1,5 ms, ele verifica se o potenciômetro está na posição correspondente, se estiver, ele não faz nada. Se o potenciômetro não estiver na posição correspondente ao sinal recebido, o circuito de controle aciona o motor até que a posição seja correta. Na figura 7 é mostrado o exemplo de servomotores.

figura 6 – PWM do servomotor

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4.2 SENSORES

São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de sinal em outro, são chamados transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional.

O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos SC de malha aberta (não automáticos) e Malha fechada (automáticos), orientando o usuário.

Existem muitos tipos e modelos de sensores. Podemos utilizá-los para diversos fins, mas vamos abordar os sensores de posicionamento. Um exemplo de aplicação desses sensores é em maquinário CNC, onde podem ser encontradas nas torres (Z) e mesas (X e Y), nos magazines de ferramentas, mouse, impressoras e etc. Outro exemplo de aplicação é em robôs manipuladores que requerem movimentos precisos de posicionamento, ou também em antenas radares, telescópios, etc. Os

Os encoders (figura 10) são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações binárias e trabalhadas por um programa que converta as informações passadas em algo que possa ser entendido como distância, velocidade, etc. Em outras palavras, o encoder é uma unidade de realimentação que informa sobre posições atuais de forma que possam ser comparadas com posições desejadas e seus movimentos sejam planejados.

Os encoders possuem internamente um ou mais discos (máscaras) perfurado, que permite, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha, gerado por um emissor que se encontra de um dos lados do disco e captado por um receptor que se encontra do outro lado do disco, este, com o apoio de figura 7 – servomotores

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um circuito eletrônico gera um pulso. Dessa forma a velocidade ou posicionamento é registrado contando-se o número de pulsos gerados. Os encoders podem ser lineares ou rotativos, sendo o rotativo o mais comum. São fabricados em duas formas básicas: codificador absoluto, onde uma única palavra correspondente a cada posição de rotação do eixo, assim não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação (até mesmo se deslocados) e o codificador incremental, o que produz pulsos digitais quando o eixo gira, permitindo a medição da posição relativa do eixo. A maioria dos codificadores rotativos possui um disco de vidro ou de plástico com um código radial padrão organizado em faixas, conforme a figura 8.

4.2.1.1 ENCODER ABSOLUTO

O disco óptico do codificador absoluto é projetado para produzir uma palavra digital que distingue de N distintas posições do eixo. Por exemplo, se há 8 pistas, o encoder é capaz de produzir 256 posições distintas ou uma resolução angular de 1,406 (360 / 256) graus. Os tipos mais comuns de codificação numérica utilizada no codificador absoluto são os códigos binários e código Gray.

Para exemplificar o seu funcionamento, vamos utilizar um encoder absoluto de 4 bits, como mostrado na figura 9.

figura 8 – encoder figura 9 – encoder de 4 bits

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Os padrões associados geram combinações digitais que podem ser vistas na tabela 1

O código Gray é projetado para que apenas uma faixa mude a cada estado de transição, ao contrário do código binário onde múltiplas faixas (bits) mudança em certas transições. Este efeito pode ser visto claramente na Tabela 1. Pelo código Gray, a incerteza durante uma transição é apenas uma contagem, ao contrário com o código binário, onde a incerteza pode ser múltiplas contagens.

O problema está em certas transições. Veja por exemplo a transição entre a posição 0111 e a posição 1000. Nesta fronteira, o valor de quatro bits deve mudar ao mesmo tempo. Durante este transiente, digamos que o sistema de leitura passe por algum tempo pela posição 1 (porque, digamos, o mecanismo de leitura do quarto bit funciona ligeiramente mais rápido, ou porque ao passar pela fronteira o mecanismo oscila um pouco entre o zero e o um). Neste caso, o sistema indicaria temporariamente a posição 1, que não está nem próxima a nenhuma das posições da fronteira.

Para converter binário em Gray, comece com o bit mais significativo e use-o como o Gray MSB. Em seguida, compare o binário MSB com o próximo bit, se eles forem iguais então o bit na codificação Gray será 0, se forem diferentes será 1. Repita a operação até o último bit.

Tabela 1 – combinações digitais

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4.2.1.2 ENCODER INCREMENTAL

O codificador incremental possui uma construção mais simples do que o codificador absoluto. É constituída por duas faixas e sensores cujos resultados são chamados canais A e B. Quando o eixo gira, pulsos ocorrem sobre estes canais com uma freqüência proporcional à velocidade do eixo e a relação de fase entre os sinais produz o sentido de rotação. O código de um disco padrão com duas faixas e saída de sinais A e B são ilustradas na figura 1. Através da contagem do número de pulsos e conhecendo a resolução do disco, o movimento angular pode ser medido. Muitas vezes um terceiro canal de saída, chamado INDEX, produz um pulso por revolução, que é útil em plena contagem revoluções. É também útil como uma referência para a definição de uma referência (zero).

figura 10 – (a) encoder absoluto, (b) encoder incremental figura 1 – codificação incremental

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5. ETAPAS DA USINAGEM COM TECNOLOGIA CNC

A tecnologia de comando numérico computadorizado, CNC, trouxe vantagens como velocidade, precisão, repetibilidade e flexibilidade. Mas, ao contrário do que se pode pensar, estas vantagens só tem efeito após a peça piloto ter sido usinada. Isto ocorre devido ao tempo necessário para se obter uma única peça através do CNC, que é bastante longo, chegando a ser superior à usinagem convencional. Normalmente, em CNC, os seguintes passos são seguidos:

5.1 RECEBIMENTO DO DESENHO

Da mesma forma como no processo convencional, a primeira etapa da usinagem inicia-se através do recebimento do desenho da peça que deve ser analisado, interpretado e compreendido. É muito importante observar as notas, que algumas vezes trazem detalhes como chanfros ou raios de concordância que não estão graficamente representados.

5.2 DESENHO EM CAD

O ideal para trabalhar em CNC é receber o desenho em CAD. Caso isto não ocorra e dependendo da complexidade da peça, deve-se desenha-la pois muitas das coordenadas necessárias à programação estão implícitas nos desenhos cotados de forma padrão, e em muitos casos seu cálculo é complexo e sujeito a erros. Já, a obtenção de dados do desenho em CAD ocorre de forma rápida e precisa.

É de grande importância definir neste momento o ponto de referência que será utilizado para a programação, ou seja, deve-se escolher o ponto zeropeça. Caso o desenho tenha sido recebido em CAD deve-se move-lo de modo que o ponto escolhido seja posicionado nas coordenadas X=0 e Y=0.

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