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Maquina de eletroerosao
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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
WAGNER DE OLIVEIRA PRESTES
MÁQUINA DE ELETROEROSÃO DE FAÍSCAS UNITÁRIAS
CURITIBA
2013
WAGNER DE OLIVEIRA PRESTES
MÁQUINA DE ELETROEROSÃO DE FAÍSCAS UNITÁRIAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Dr. Luciano Antônio Mendes
CURITIBA
2013
Página reservada para ficha catalográfica que deve ser confeccionada após
apresentação e alterações sugeridas pela banca examinadora.
Deve ser impressa no verso da folha de rosto.
A Biblioteca da PUCPR oferece o serviço gratuitamente.
Para solicitar, necessário enviar o trabalho para o email
Em até 48h a ficha será encaminhada para o email do solicitante.
WAGNER DE OLIVEIRA PRESTES
MÁQUINA DE ELETROEROSÃO DE FAÍSCAS UNITÁRIAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação.
COMISSÃO EXAMINADORA
_____________________________________
Roberto Zanetti Freire
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
_____________________________________
Curitiba, 04 de novembro de 2013.
Dedico este trabalho aos pesquisadores
de EDM, a meu orientador e a todos que
colaboraram no desenvolvimento deste.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus amigos da graduação: Bruna Vieira, Bruno Sérgio, Cleiton
Santos, Fernando van den Tempel, Gabriel Maidl, Gustavo Campana, Gustavo
Bettega, João Zaiatz, Kenji Higashi, Lucas Mocelin, Rafael Mocelin, Ricardo Knaf,
Paulo Piratelo, Thalita Mertens, Tiago Savares, Victor Pimentel e Vinicius Monteiro
pelo apoio e companheirismo, muitas ideias deste projeto surgiram a partir de nossas
conversas. Agradeço aos professores Fred Lacerda Amorim e Valter Klein Jr. que
muito contribuíram ao presente trabalho. Agradeço aos técnicos e colaboradores do
laboratório de usinagem e da oficina de modelos da PUCPR, em especial ao Júlio
Cezar. Agradeço a Gilberto Cugler que me incentivou a buscar uma formação de
ensino superior e me inspirou com sua sabedoria. Agradeço aos meus melhores
amigos Edson Rodrigues, Jean Tiago, Rudson Souza, Robson Oliveira e Wilker
Fernandes, que desde a infância estão ao meu lado nos bons e maus momentos da
vida. Agradeço aos amigos, colegas e a toda comunidade de Barra do Turvo, cidade
onde vivenciei os melhores momentos da minha vida. A busca por conhecimentos
para contribuir para o desenvolvimento dessa cidade foi a principal motivação para
ingressar neste curso de graduação.
Em especial agradeço ao meu professor orientador Luciano Antônio Mendes, que
sempre me proporcionou ótimas oportunidades acadêmicas desde o início da minha
graduação, juntos desenvolvemos dois trabalhos de iniciação cientifica e um trabalho
de iniciação tecnológica, contribuindo expressivamente na minha formação
profissional.
Agradeço imensamente a minha família, especialmente aos meus pais, que
inicialmente discordaram da minha vontade de realizar uma formação profissional,
mas sempre forneceram excelentes condições para que eu pudesse desenvolver os
estudos e hoje são as pessoas que mais me apoiaram nos estudos.
RESUMO
O presente projeto trata-se do desenvolvimento e implementação de uma máquina de
eletroerosão de faíscas unitárias. A execução do projeto consiste na integração de
soluções para a automação do posicionamento de eletrodos com precisão
micrométrica, proteção e isolamento elétrico entre circuitos de alta e baixa tensão de
uma fonte de pulsos, integração de osciloscópio de alto desempenho para captura
das formas de onda de tensão e corrente de processos de eletroerosão, sensor de
corrente de alta velocidade e interface de usuário para operação do sistema através
de computador. Tem-se como objetivo desenvolver um sistema que possibilite realizar
experimentos práticos de processos de eletroerosão acessando via interface de
usuário (aplicativo) uma máquina de usinagem por descargas elétricas (EDM),
especialmente projetada para uso em pesquisa, assim constituindo uma ferramenta
alternativa para o desenvolvimento de pesquisas de eletroerosão. Partindo-se de
abordagens sistêmicas de desenvolvimento de projetos, especificações técnicas para
o processo de eletroerosão através da máquina de faíscas unitárias foram inicialmente
elaboradas, que então serviram de referência para projetos de firmware (software),
hardware e estrutura mecânica do sistema. Como resultados, obteve-se um conjunto
de soluções técnicas que viabiliza o sistema proposto, compondo-se de um módulo
de eletroerosão, um módulo de posicionamento de eletrodos e um sistema de captura
de sinais de tensão e corrente integrados em PC através de software. A partir da
definição dos requisitos da Máquina de Eletroerosão de Faísca Unitárias e suas
funcionalidades, foram projetados com sucesso vários subsistemas mecatrônicos,
que integrados compõem o equipamento supracitado. A implementação do sistema
resultou num equipamento capaz de executar experimentos de avaliação de
desempenho do processo de eletroerosão, dispondo recursos de visualização,
controle e de aquisição de dados do processo de eletroerosão.
Palavras-chave: Eletroerosão, Automação e Instrumentação Virtual
ABSTRACT
This project depicts the development and implementation of a unitary spark EDM
machine. The execution of the project required the integration of solutions for
automating the placement of electrodes with micrometer precision, electrical protection
and isolation between high and low voltage of a power pulsed circuit; integration of
high-performance oscilloscope for capturing voltage and current waveforms of EDM
process; a high speed current sensor and user interface to system operation via
computer. The project objective is to develop a system that allows practical EDM
experiments with a computer user interface (software), resulting in an EDM machine
specially designed for research purposes. Based on systemic approaches to project
development, technical specifications for the unitary spark EDM machine were initially
prepared, which then served as reference for the design of firmware (software),
hardware and mechanical structure for the system. As result, it was obtained a set of
technical solutions that were integrated to compose the overall system, including: an
EDM module; an electrodes positioning module and a voltage and current signals
acquisition system - integrated with a PC via a specific software. Starting from the
requirements, the mechatronic subsystems that integrated compose the system were
successfully designed and built. The resulting system is a device capable of performing
experiments to evaluate the performance of the EDM process, providing visualization
capabilities, control and data acquisition.
Key-words: Electrical Discharge Machine. Automation. Virtual Instrumentation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Classificação de pesquisas EDM .............................................................. 14
Figura 2 - Formas de onda de tensão e corrente de um arco elétrico ....................... 20
Figura 3 - Fluxo de dados geral de um sistema automatizado de testes .................. 23
Figura 4 – Etapas e procedimentos para o desenvolvimento do projeto ................... 25
Quadro 2 - Lista de requisitos do sistema ................................................................. 26
Figura 5 - Estrutura funcional do módulo de faíscas ................................................. 28
Figura 6 - Transformador de força ............................................................................. 30
Tabela 2 - Especificações do transformador ............................................................. 31
Figura 7 - Construção do transformador ................................................................... 32
Tabela 4 - Teste do transformador ............................................................................ 32
Figura 8 - Circuito de potência .................................................................................. 33
Figura 9 - Circuito de dissipação de energia dos capacitores ................................... 34
Figura 10 - Esquemático do acoplador óptico linear HCNR200 ................................ 36
Figura 11 - Esquemático do sensor de tensão .......................................................... 37
Figura 12 - Eletroerosão em alumínio com gap de 25um .......................................... 38
Figura 13 - Modelagem do sistema de carregamento de capacitores em Simulink .. 39
Figura 14 - Carregamento do banco de capacitores ................................................. 40
Figura 15 - Sinais de corrente e potência da carga dos capacitores ......................... 40
Figura 16 - Etapas do processo gerador de faíscas .................................................. 41
Figura 17 - Esquemático do gerador de pulso faísca ................................................ 42
Figura 18 - Filtro RC retificador de PWM .................................................................. 43
Figura 19 - Sinais de resposta do filtro PWM ............................................................ 43
Figura 20 - Sensor de corrente .................................................................................. 44
Figura 21 - Arquitetura do módulo EDM .................................................................... 45
Figura 22 - Esquemático do circuito de controle EDM .............................................. 46
Figura 23 – Fluxograma do firmware controlador do módulo EDM. .......................... 47
Figura 24 - Gabinete do módulo EDM ....................................................................... 48
Figura 25 - Driver de motor de passo ........................................................................ 49
Figura 26 - Circuito detector de contato de eletrodos ................................................ 50
Figura 27 - Arquitetura do módulo de posicionamento de eletrodos ......................... 51
Figura 28 - Esquemático do circuito controlador do módulo de posicionamento ...... 52
Figura 29 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos ............................ 53
Figura 30 - Estrutura mecânica de posicionamento de eletrodos .............................. 54
Figura 31 - Vista explodida da estrutura mecânica de movimentação do eletrodo ... 55
Figura 32 - Sistema de locomoção no plano XY ....................................................... 56
Figura 33 - Sistema de abertura de fenda ................................................................. 57
Figura 34 - Sistema de aquisição de sinais ............................................................... 58
Figura 35 - Aplicativo gerenciador do sistema........................................................... 59
Figura 36 - Integração do sistema ............................................................................. 60
Figura 37 - Produção dos circuitos eletrônicos.......................................................... 61
Figura 38 - Placa controladora do módulo de faíscas ............................................... 63
Figura 39 - Circuito de potência gerador de faíscas .................................................. 63
Figura 40 - Transformador de força do circuito gerador de faíscas ........................... 64
Figura 41 - Gabinete do módulo de faíscas .............................................................. 64
Figura 42 - Estrutura mecânica do módulo de posicionamento de eletrodos ............ 65
Figura 43 - Driver de acionamento de motor de passo ............................................. 65
Figura 44 - Circuito detector de contato entre eletrodos ........................................... 66
Figura 45 - Placa controladora do módulo de posicionamento de eletrodos ............. 67
Figura 46 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos ............................ 67
Figura 47 - Integração do sistema ............................................................................. 68
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ATS Automated test systems
CAD Computer aided design
CI Circuito integrado
CNC Computer numeric control
EDM Electrical discharge machining
FET Field effect transistor
LED Light emitting diode
MOSFET Metal oxide semiconductor field transistor
MRR Material removal rate
RMS Root mean square
SSR Solid state relay
PBSA Pahl and Beitz systematic approach
USART Universal asynchronous receiver transmitter
USART Universal synchronous asynchronous receiver transmitter
UUT Unit under test
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 13
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO .................................................................................. 13
1.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 15
1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................. 15
1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 16
1.3 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 17
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 18
2 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ................................................................. 19
2.1 USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS ............................................. 19
2.2 PARÂMETROS DO PROCESSO DE ELETROEROSÃO ............................ 19
2.3 ABORDAGENS SISTÊMICAS DE DESENVOLVIMENTO DE PROJETO .. 21
2.4 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE TESTES ............................................... 22
2.4.1 Definição de ATS ........................................................................................ 22
2.4.2 Instrumentação virtual ............................................................................... 23
3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO .................................................. 25
3.1 MÓDULO DE FAÍSCAS ................................................................................ 28
3.1.1 Fonte de alimentação ................................................................................. 29
3.1.1.1 Transformador de força ................................................................................ 29
3.1.1.2 Circuito de potência ...................................................................................... 32
3.1.1.3 Regulador de tensão EDM ........................................................................... 35
3.1.1.4 Banco de capacitores ................................................................................... 37
3.1.2 Circuito de acionamento e controle de faíscas........................................ 41
3.1.3 Integração do módulo de faíscas unitárias .............................................. 44
3.2 MÓDULO DE POSICIONAMENTO DE ELETRODO .................................... 48
3.2.1 Driver de acionamento de motor de passo .............................................. 49
3.2.2 Circuito detector de contato entre eletrodos ........................................... 50
3.2.3 Integração do módulo de posicionamento de eletrodo .......................... 51
3.2.4 Sistema mecânico de posicionamento do eletrodo ................................ 53
3.3 SISTEMA DE CAPTURA DE TENSÃO E CORRENTE DE FAÍSCA ............ 57
3.4 INTEGRAÇÃO .............................................................................................. 58
4 RESULTADOS ............................................................................................. 61
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 69
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 71
APÊNDICE A – CIRCUITO DE POTÊNCIA E GERADOR DE FAÍSCAS ................ 73
APÊNDICE B – LAYOUT DE DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO MÓDULO DE
FAÍSCAS UNITÁRIAS .............................................................................................. 74
APÊNDICE C – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE DO MÓDULO DE
POSICIONAMENTO DE ELETRODO ...................................................................... 75
APÊNDICE D – INTERFACE DIGIMATIC MITUTOYO ............................................ 76
13
1 INTRODUÇÃO
O processo de usinagem por descargas elétricas EDM (Electrical Discharge
Machining - também conhecido como eletroerosão) tornou-se técnica e
economicamente viável com advento das máquinas CNC, sendo empregado em
diversos setores da indústria. Suas distintas características permitem a fabricação de
peças de geometrias complexas, usinagem independentemente da dureza do material
e usinagem a escalas micrométricas atualmente não equiparadas por métodos
convencionais de usinagem (Zilong et al, 2010).
EDM tem sido alvo de pesquisas que buscam aprimorar o processo e ampliar
suas aplicações (Pandey e Singh, 2010). Algumas das áreas de pesquisa são: a
aplicação do processo na usinagem de novos materiais como ligas de metal duro,
cerâmicas avançadas e compósitos modernos; técnicas de fabricação e simplificação
de projeto de eletrodos; novas composições de fluidos dielétricos; otimização de
parâmetros do processo; aprimoramentos de medidas de performance;
desenvolvimento de processos híbridos de usinagem; monitoramento e controle do
processo de faíscas. O presente projeto propõe-se a desenvolver uma ferramenta
apropriada para pesquisas de eletroerosão, compreendida por uma máquina de
eletroerosão com capacidade para produzir faíscas unitárias, um sistema
automatizado para posicionamento de eletrodo, bem como um sistema de aquisição
de sinais de tensão e corrente das faíscas. A máquina de eletroerosão por faíscas
unitárias se diferencia das máquinas convencionais que produzem sequências de
faíscas para usinagem contínua. A execução do projeto demanda a integração de
diversas soluções técnicas para a automação da abertura da fenda com precisão
micrométrica, isolação elétrica entre circuitos de alta e baixa tensão da fonte de
pulsos, integração com osciloscópio digital de alto desempenho, sensor de corrente
de alta velocidade e interface de usuário.
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO
A usinagem por descargas elétricas é um processo indicado para se usinar
materiais condutores elétricos de elevada dureza e peças de complexa geometria. O
processo de eletroerosão é amplamente utilizado na fabricação de moldes de injeção,
matrizes para estampa de corte e ferramentas de aço endurecido. Também é muito
14
utilizado para fabricação de peças e protótipos nas indústrias aeroespacial,
automobilística, eletrônica e médico-cirúrgica, onde as quantidades produzidas são
relativamente baixas. Entretanto, a gama de aplicações de EDM tendem a aumentar
(Ho e Newman, 2003).
Uma série de aplicações e melhorias envolvendo eletroerosão vêm sendo
desenvolvidas em pesquisas (Pandey e Singh, 2010), dentre as quais se destacam: a
aplicação do processo na usinagem de novos materiais como ligas de metal duro,
cerâmicas avançadas e compósitos modernos; técnicas de fabricação e simplificação
de projeto de eletrodos; novas composições de fluidos dielétricos; otimização de
parâmetros do processo; aprimoramentos de medidas de performance;
desenvolvimento de processos híbridos de usinagem; monitoramento e controle do
processo de faíscas .
Algumas das recentes áreas de pesquisas sobre EDM são apresentadas por
Pandey e Singh na figura 1.
Figura 1 - Classificação de pesquisas EDM
Fonte: Pandey e Singh, 2010.
O projeto se justifica pela relevante importância das pesquisas de EDM no
cenário atual, permitindo que o projeto da máquina de eletroerosão de faíscas
unitárias venha a contribuir no estudo e aprimoramento de processos de eletroerosão,
pois a máquina proposta pelo projeto se diferencia das máquinas convencionais de
eletroerosão que produzem sequencias de pulsos para um usinagem contínua,
15
viabilizando o estudo do efeito de eletroerosão causado por uma única faísca. Outra
vantagem proporcionado pelo projeto da máquina EDM de faíscas unitárias diz
respeito a sua capacidade de realizar experimentos de forma automatizada,
realizando a aquisição de dados do processo sem intervenção humana, o que
segundo Mendes et al (2009) minimiza erros de aquisição de dados de experimentos,
tornando os dados mais confiáveis.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Este trabalho se trata do desenvolvimento de projeto e implementação uma
máquina de eletroerosão de faíscas unitárias com sistema automatizado de testes de
avaliação de desempenho do processo para aplicação exclusiva em ensino e
pesquisa. O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema com
capacidade para realização automatizada de experimentos de eletroerosão,
programados através de uma interface de usuário, que inclui realizar
automaticamente: ajustes de parâmetros do processo, posicionamento do eletrodo e
captura dos sinais de tensão e corrente elétrica do processo.
O sistema proposto não tem como objetivo conceber um produto comercial, no
entanto ele será desenvolvido com base em metodologias sistemáticas de
desenvolvimento de produto. A abordagem metódica de desenvolvimento do produto
tem por objetivo reduzir a complexidade da solução através da racionalização do
problema em estruturas funcionais simplificadas e assim melhor gerenciar e reduzir o
tempo de ciclo de desenvolvimento e custo do projeto (Pahl et al, 2005).
Para atender todas as funcionalidades desejadas, o sistema deverá integrar
diversos subsistemas compostos, principalmente, por mecanismos mecânicos,
atuadores, sensores, componentes elétrico/eletrônicos, conjuntos de hardware,
firmware e software, sendo que parte dos subsistemas necessários devem ser
projetados e implementados.
A partir dos resultados obtidos, deseja-se fornecer um instrumento alternativo
para desenvolvimento de pesquisas relacionadas à usinagem por descargas elétricas.
16
1.2.2 Objetivos Específicos
A identificação, solução e implementação de um conjunto de subsistemas que
viabilizam as funcionalidade previstas para o presente trabalho corresponde aos
objetivos específicos:
a) posicionamento automatizado do eletrodo, cujos aspectos contemplam:
- medição da abertura da fresta entre eletrodo e peça, usando um
micrometro de precisão;
- interface de comunicação e decodificação para leitura de medidas de
um micrômetro digital;
- acionamento de sistema de locomoção no eixo Z do eletrodo móvel
(movimento vertical), via motor de passo com redução, acoplado a um
micrômetro, permitindo o controle do afastamento entre eletrodos
(abertura de fresta) onde ocorre a faísca (arco elétrico);
- detecção automática do zero da abertura da fresta (consiste em
aproximar os eletrodos até o momento em que se tocam) através do
fechamento de circuito próprio;
- acionamento e controle de posição do eletrodo no plano XY, via motor
de passo, acoplado a um fuso;
- criação dos desenhos técnicos e confecção de um estrutura mecânica
para posicionamento do eletrodo;
b) módulo eletrônico de produção de faíscas, cujas as características
contemplam:
- disparo de pulsos de corrente contínua;
- auto detecção do instante inicial da faísca e limitação do tempo de
duração da descarga elétrica previamente programado;
- ajuste dos parâmetros do processo de eletroerosão referentes a máxima
corrente de disparo, tensão em aberto e tempo de duração da faísca;
- painel físico que permita ajustar parâmetros programáveis do processo
e visualizar os valores configurados;
- interface de comunicação para transmitir/receber parâmetros do
processo e comandos como ativar a faísca;
- projeto e implementação de circuitos elétricos/eletrônicos para gerar
faíscas;
17
- projeto e implementação de um gabinete para acomodar a instalação
dos circuitos, componentes e painel do módulo;
c) sistema automatizado de aquisição de sinais de tensão e corrente baseado em
PC;
d) interface de operação do sistema (aplicativo), com as seguintes
funcionalidades;
- enviar comando de operação aos subsistemas;
- receber e disponibilizar informações sobre o processo;
- configurar parâmetros de comunicação com subsistemas;
- programar ciclos de máquina;
- visualizar as formas de onda de tensão e corrente capturadas durante a
faísca (ou arco);
- armazenar e recuperar dados obtidos do processo;
- realizar funções de análise (como cálculo de energia e potência, valores
extremos e duração da faísca) aplicadas sobre as formas de onda;
e) complementos opcionais ao sistema:
- videoconferência, monitoramento por webcam direcionada para o
processo de eletroerosão;
- operação remota do sistema através de uma interface web (WebLab).
1.3 JUSTIFICATIVA
Diversas pesquisas têm sido desenvolvidas a respeito de processos de
eletroerosão (Abbas et al, 2007). Esta técnica de usinagem é utilizada em diversos
setores industriais. As aplicações de EDM tendem a aumentar, pois suas
características distintas satisfazem muitas das necessidades exigidas através da
tendência redução dimensional dos produtos, destacando-se neste aspecto a micro-
EDM, capaz de usinar materiais condutores elétricos a uma escala micrométrica não
alcançada atualmente por métodos convencionais de usinagem (Son et al, 2007).
Além da evidente relevância do processo de eletroerosão, é acrescentado por meio
deste trabalho a aplicação de conceitos de sistemas automatizados de testes. As
soluções técnicas que satisfazem o projeto requerem atividades interdisciplinares
aplicáveis ao desenvolvimento de sistemas mecatrônicos, caracterizados por integrar
estruturas físicas, de hardware e software. As etapas do projeto serão planejadas
18
considerando recomendações de metodologias sistemas de desenvolvimento de
produtos. Com a implementação do sistema, obtém-se uma máquina de usinagem por
descargas elétricas de faíscas unitárias especialmente desenvolvida para ensino e
pesquisa. O sistema permitirá automatizar a realização de experimentos de
eletroerosão, beneficiando no desenvolvimento de pesquisas sobre o processo.
Devido ao alto nível de automação do sistema, novas aplicações poderão ser
derivadas na continuação do trabalho, como a adoção do conceito WebLab
(laboratório operado remotamente) para o sistema, beneficiando o ensino a distância
e viabilizando pesquisas colaborativas.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
Os capítulos a seguir discorrem sobre as etapas do projeto.
No capítulo dois relata-se a fundamentação teórica do projeto, através de uma
revisão bibliográfica dos conceitos, tecnologias e métodos necessários para a
compreensão do trabalho.
No capítulo três os processos metodológicos empregados no desenvolvimento
são descritos e o detalhamento das etapas de implementação do projeto são
expostos.
As análises e apresentação dos resultados do trabalho são apresentados no
capítulo quatro.
O capítulo cinco contém as considerações finais e conclusões acerca do
projeto.
19
2 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
Os principais conceitos necessários para compreensão do projeto são
referentes a processos de usinagem por descargas elétricas, modelos metódicos de
desenvolvimento de projeto/produto, sistemas automatizados de testes e
instrumentação virtual. Neste capítulo, pretende-se esclarecer o significado dos
conceitos aplicáveis ao projeto.
2.1 USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS
Usinagem por descargas elétricas (EDM – electrical discharge machining) é
uma opção bem sucedida para fabricação de geometrias complexas ou peças de
material duro, que são difíceis de se usinar por processos convencionais de usinagem.
Ho e Newman (2003), descrevem que a técnica de erosão de material incialmente faz
uso de energia elétrica e a transforma em energia térmica através de uma série
discreta de descargas elétricas entre o eletrodo e a peça, imersos em um fluido
dielétrico. A energia térmica gera um canal de plasma entre o cátodo e o ânodo à uma
temperatura na faixa de 8000 a 12000°C. O súbito aquecimento causa a fusão do
material na superfície de cada polo. Quando o pulso de corrente contínua é desligado,
o canal de plasma se decompõe. O fluido dielétrico circula rapidamente na região do
plasma, causando uma súbita redução de temperatura e lavando o material fundido
da superfície dos polos sob a forma de detritos microscópicos.
2.2 PARÂMETROS DO PROCESSO DE ELETROEROSÃO
O processo de eletroerosão pode ser analisado a partir de seu comportamento
elétrico. A figura 2 é resultado da aquisição de dos sinais de tensão e corrente elétrica
de uma única faísca de eletroerosão. Antes de iniciar o processo, não há diferença de
potencial elétrico entre o eletrodo e peça. O processo inicia-se quando é aplicada uma
diferença de potencial elétrico (em corrente contínua) entre o eletrodo e a peça. A
tensão elétrica aplicada é chamada tensão em aberto. A partir deste instante, em
algum momento não controlável, se inicia a ionização do fluído dielétrico, formando
de um canal de plasma entre os polos. Quando se estabelece o canal de plasma,
ocorre a faísca (ou arco) de fato. No instante em que surge um fluxo de corrente entre
os eletrodos ocorre uma queda de tensão. O instante inicial do arco (ou faísca) pode
20
ser detectado pelo dispositivo produtor de faíscas através do monitoramento do sinal
de tensão ou corrente entre os polos. Se não ocorrer nenhum fenômeno que perturbe
o processo, a faísca mantem-se relativamente estável (contínua) durante o período
de tempo ajustado para o pulso de corrente gerado no dispositivo produtor de faíscas.
Ao cessar o fornecimento de corrente, o arco extingue-se quase que
instantaneamente
Figura 2 - Formas de onda de tensão e corrente de um arco elétrico
Fonte: o autor, 2012.
No contexto do presente projeto, tem-se o objetivo de controlar a tensão em
aberto. Este parâmetro tem influência na formação do plasma entre os polos: quanto
maior o valor da tensão em aberto, mais fácil será para romper a resistência do fluido
dielétrico, e assim gerar o canal de plasma. Ainda no controle de parâmetros elétricos,
deseja-se controlar o limite máximo da corrente elétrica da faísca, visto que este
parâmetro influencia diretamente na capacidade de remoção de material e na
qualidade do acabamento superficial da peça - quanto maior é a corrente do arco,
maior será a taxa de remoção de material e maior é ‘perda de qualidade’
(irregularidade) do acabamento superficial. O sistema deverá permitir ajustar também
o tempo de duração da faísca, sendo que para tanto se deverá monitorar o sinal de
corrente que flui entre os polos (eletrodo e peça). Ao detectar um fluxo de corrente,
21
um dispositivo contador dá início a cronometragem e desativa o fornecimento de
energia quando se alcança o tempo de duração programado.
Outro parâmetro que deverá ajustável com o sistema é a distância entre o
eletrodo e a peça, chamado de distância de fresta ou distância de fenda (gap). A
distância entre os dois polos, geralmente de 0,010mm a 0,050mm, será controlada
através de um sistema em malha fechada composto por um micrômetro digital e um
dispositivo atuador de deslocamento, acoplado ao micrômetro, sendo que este será
acoplado ao eletrodo móvel, enquanto a peça mantém-se numa referência fixa. A
distância de fenda tem influência na resistência oferecida pelo fluido dielétrico - quanto
maior a distância entre polos, maior será a resistência elétrica do fluido dielétrico.
2.3 ABORDAGENS SISTÊMICAS DE DESENVOLVIMENTO DE PROJETO
Procedimentos metodológicos de desenvolvimento auxiliam no gerenciamento
de custo e tempo de planejamento e desenvolvimento de projetos. Um aspecto
comum na maioria dos modelos de metodologia de projeto é a estratégia de decompor
um problema complexo em outros mais simples, de modo que a solução geral pode
ser obtida da associação de uma combinação de soluções para subproblemas. Em
determinado momento do desenvolvimento, o problema é analisado de modo a expor
sua estrutura funcional básica. A racionalização funcional permite o gerenciamento
das funções parciais num grau de complexidade conveniente. Pahl e Beitz (1996)
apresentam um modelo bem-sucedido de processos metódicos para desenvolvimento
de produtos. A abordagem sistêmica de Pahl e Beitz é amplamente empregada em
empresas de desenvolvimento de projetos e/ou produtos no mundo todo. Este modelo
subdivide o processo de projeto em quatro fases:
a) esclarecimento da tarefa: nesta fase identificam-se as necessidades para o
produto e busca-se um bom entendimento do problema a ser solucionado,
estabelecendo os requisitos e restrições do projeto;
b) projeto conceitual: é a fase que objetiva elaborar uma ideia conceitual do
projeto;
c) projeto preliminar: o projeto conceitual é detalhado e configurado
(dimensionado), iniciando-se o desenvolvimento de protótipos; inclui etapas de
testes para validar soluções;
22
d) projeto detalhado: o produto final é detalhado, construído e validado.
2.4 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE TESTES
Sistemas automatizados de testes (ATS – Automated Test Systems) são
aplicações de sistemas específicos que auxiliam no aumento da confiabilidade e
produtividade de atividades de testes em diferentes fases do ciclo de desenvolvimento
e fabricação de produtos, ao longo dos quais testes são necessários para validar o
produto e a performance de seus subsistemas, bem como garantir que as unidades
produzidas são entregues livres de defeitos para os clientes (Mendes, Back e Oliveira,
2009).
2.4.1 Definição de ATS
Tipicamente sistemas automatizados de testes podem ser analisados em três
principais subsistemas: um físico (essencialmente mecânico), outro elétrico ou
eletrônico (hardware) e o software. O núcleo do sistema é precisamente a camada de
software em que a funcionalidade é implementada. A camada de hardware é
responsável por converter sinais entre o mundo real e o algoritmo de teste, e o sistema
físico contém os dispositivos eléctricos e mecânicos que suportam a execução do
teste. Os ATS interagem com a unidade em teste (UUT – Unit Under Test) através de
equipamentos especiais, sensores e atuadores elétricos / mecânicos (Mendes, Back
e Oliveira, 2009).
Atuadores aplicam as condições de ensaio, e os sensores captam os sinais
desejados. Subsistemas mecânicos são utilizados para apoiar fisicamente e ajudam
a realizar as funções de sensoriamento/atuação. Os sinais são tratados para fornecer
dados digitais para o aplicativo de software, enquanto que suas saídas digitais são
convertidos de volta para o formato analógico e amplificadas para acionar os
atuadores. Eventualmente, os dispositivos com interface digital podem ser
diretamente integrados, tornando a interface analógica transparente. A entrada de
comandos do usuário é dada através de operação em periféricos (teclados, painéis
de botões, joysticks e outros), e os resultados serão apresentados em dispositivos de
visualização. Uma aplicação de software inicia uma rotina de inicialização,
estabelecendo o sistema de teste. O algoritmo de condução de teste, interagindo com
23
a interface de controle do usuário realiza o teste, coleta dados de processo, armazena
e recupera os resultados. Uma compreensão aumentada do sistema pode ser obtida
através de diagramas de fluxos de dados, como exibido no esquema geral da figura
3, onde o diagrama de fluxo de dados evidencia as interações do software com os
sistemas físicos e de hardware.
Figura 3 - Fluxo de dados geral de um sistema automatizado de testes
Fonte: Mendes, Back e Oliveira, 2009.
Ainda segundo Mendes, Back e Oliveira (2009), minimizando-se a intervenção
humana, erros de medição tornam-se mais fáceis de gerir: erros sistemáticos podem
ser facilmente compensados, os aleatórios podem ser tratados com ferramentas
estatísticas que levam em conta as grandes quantidades de medições rapidamente
realizadas.
2.4.2 Instrumentação virtual
Instrumentação virtual é um conceito onde a funcionalidade de um sistema de
instrumentação para medição, controle e automação de processos é transferida para
uma aplicação de software. A partir da instrumentação virtual surge a possibilidade de
se substituir instrumentos de funcionalidade fixa (com as quais, para se montar uma
aplicação, frequentemente é necessário reunir vários instrumentos com capacidades
complementares), por hardware modular e de fácil integração (dimensionado
24
conforme a aplicação) e software desenvolvido pelo usuário (especifico para cada
aplicação). A flexibilidade resultante beneficia o projeto de sistemas personalizados
com recursos avançados, tais como: interface de usuário personalizada;
armazenamento e recuperação de dados; calibração total da cadeia de medição;
integração com sistemas externos e operação remota (Mendes, Back e Oliveira,
2009). Além disto, outras vantagens possibilitadas pela instrumentação virtual
incluem: maior flexibilidade na funcionalidade das aplicações; maior capacidade de
expansão (na quantidade de sensores, por exemplo) e alteração/manutenção mais
fácil. Com estes benefícios, viabiliza-se o uso de sistemas automatizados de testes.
25
3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO
A metodologia aplicada ao desenvolvimento do presente trabalho engaja-se no
contexto de modelos sistêmicos de desenvolvimento de produtos, com o objetivo de
satisfazer a solução de problemas técnicos para estruturas técnicas, tais como
equipamentos, máquinas, dispositivos, conjuntos mecânicos e componentes em
geral. A abordagem sistêmica do modelo metódico de desenvolvimento de sistemas
automatizados de testes é utilizado como referência para o processo de projeto do
sistema de medições dos parâmetros de eletroerosão. Tratando-se de um projeto
especial sem fins comerciais ou de produção em massa, nem todas as etapas
recomendadas nos métodos serão aplicadas, realiando-se apenas a etapas aplcáveis.
Com base nos processos metódicos para desenvolvimento de produtos de Pahl e
Beitz, foram definidas as etapas e procedimentos para desenvolvimento do sistema
mostradas na figura 4.
Figura 4 – Etapas e procedimentos para o desenvolvimento do projeto
Fonte: o autor, 2013.
A primeira etapa do projeto consiste no estudo do problema (realizado nos
capítulos anteriores) seguido do mapeamento de um conjunto de requisitos para o
sistema. A lista de requisitos é obtida ponderando-se a definição das finalidades que
26
o sistema precisa satisfazer, as características que deve apresentar e as restrições
impostas. Como restrições iniciais, foram estabelecidas:
a) captura das formas de onda de tensão e corrente utilizando equipamentos
e dispositivos pré-disponíveis para o projeto, sendo estes compreendidos
por um osciloscópio digital Tektronix TDS-644B equipado com ponteira de
medição de tensão (P5100), ponteira de medição de corrente (TCP202) e
uma interface GPIB-USB;
b) restrição de custos: Excetuados os equipamentos pré-disponíveis, o projeto
será custeado por seu autor;
c) distância de fresta (ou gap): deverá ser aferida através de um micrômetro
digital Mitutoyo 164-162 pré-disponível para o projeto;
d) utilizar um suporte de eletrodo acoplável ao micrômetro de uma EDM piloto
desenvolvida em projeto anterior.
A primeira etapa do projeto foi mapear um conjunto de requisitos para definição
do sistema. A máquina de eletroerosão de faíscas unitárias se diferencia das
máquinas de eletroerosão convencionais (que produzem sequências de faíscas para
a usinagem contínua), tornando necessário a definição de requisitos referentes a
parâmetros de processos de eletroerosão específicos. Esses requisitos foram
estabelecidos com base em: comparações de especificações de máquinas
convencionais; parâmetros e resultados de experimentos com uma EDM piloto de
faíscas unitárias desenvolvida em um projeto anterior; parâmetros de experimentos
de processos de eletroerosão disponíveis na literatura; e conversas com professores
e pesquisadores do processo. Estabeleceu-se assim a lista de requisitos do quadro 1.
Quadro 1 - Lista de requisitos do sistema
TCC – EDM de
faíscas unitárias Lista de requisitos do sistema
Folha:
página 1
Modificação E/D Requisitos Responsável
Parâmetros elétricos
Wagner
E Tempo de descarga = 30 – 250µs
E Tensão em aberto = 80, 120, 160 e 200 VDC
E Corrente de descarga (máximo) = 18A
E Capacidade de gerar pulsos unitários
Requisitos gerais
27
E Aplicável a pesquisas
D Flexível a alterações e reprogramação
E Detectar ocorrência da faísca
E Capturar formas de onda de tensão e corrente, registrar e tratar os
dados
E Detectar contato físico entre eletrodo e peça (amostra)
E Permitir o posicionamento de eletrodo (área mín.) = 100x100mm XY
E Curso mínimo de ajuste de gap = 35mm;
E Precisão de ajuste de gap = 1µm
E Posicionamento automático do eletrodo
D Posicionamento manual do eletrodo
D Interface física (painel) para operação do sistema
Aplicativo
E Interface gráfica para operação do sistema
D Programar ciclos de máquina
E Executável em PC
E Armazenar e recuperar dados dos processos em disco local
D Processar funções de análise (cálculo de energia e potência, valores
extremos, duração);
Segurança
E Isolamento elétrico do módulo de faíscas
D Fácil acesso a componentes mais propícios a falhas
D Segurança contra choque elétrico
Restrições
E
Capturar formas de onda de tensão e corrente com osciloscópio digital
Tektronix TDS-644B equipado com ponteira de medição de tensão
(P5100), ponteira de medição de corrente (TCP202) e interface NI GPIB-
USB
E Medir gap utilizando um micrometro digital Mitutoyo 164-162
E Custeio do projeto pelo aluno
E Utilizar suporte de eletrodo proveniente de projeto anterior
LAUS/PUCPR
Substitui a 2ª edição de 02.08.2013
Fonte: o autor, 2013.
28
Para atender às funcionalidades desejadas para o sistema, estabeleceu-se o
projeto de dois subsistemas compreendidos por um módulo de faíscas capaz de gerar
descargas elétricas unitárias e um módulo de movimentação do cabeçote do eletrodo,
sendo que ambos devem atender às especificações técnicas definidas nos requisitos.
3.1 MÓDULO DE FAÍSCAS
O módulo de faíscas unitárias é o sistema cujo objetivo fundamental é gerar
pulsos de tensão que provocam as faíscas de eletroerosão. Sua concepção resulta
da integração de subsistemas projetados para desempenhar funções específicas
determinadas a partir de uma análise funcional das finalidades predefinidas para a
máquina. A estrutura funcional do módulo de faísca foi modelado como mostra a figura
5, onde a modelagem visa priorizar as finalidades determinantes da máquina.
Figura 5 - Estrutura funcional do módulo de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
A modelagem da estrutural funcional permite uma visão modular acerca da
solução, permitindo sua racionalização em subsistemas. As principais subfunções do
módulo de faísca são: ajustar os valores de tensão em aberto, de limite de corrente
da faísca e de tempo de duração da faísca, conforme parâmetros definidos pelo
usuário; comunicar-se com sistema externo para enviar dados do processo e receber
29
comandos de configuração e execução de processo. A funcionalidade geral do
sistema é alcançada através da integração das soluções para as subfunções. As
seções a seguir apresentam o detalhamento dos subsistemas do módulo EDM.
3.1.1 Fonte de alimentação
O processo de eletroerosão tem como uma de suas principais características,
a aplicação de uma diferença de potencial elétrico (tensão) entre eletrodo e peça de
usinagem, que ioniza o fluido dielétrico formando um caminho entre os eletrodos,
gerando um canal de plasma responsável pela remoção de material da peça. Um dos
requisitos definidos foi a capacidade de gerar diferenças de potencial elétrico na faixa
de tensão compreendida entre 80 a 200Volts, atendendo assim ao parâmetro de
tensão em aberto necessário para as aplicações propostas. Para viabilizar o
funcionamento automatizado do sistema, é necessário que os parâmetros dos
equipamentos possam ser configurados através de uma interface gráfica (software);
para tanto, foi necessário projetar uma fonte de alimentação elétrica com parâmetros
configurados por microcontrolador dotado de interface de comunicação de dados.
A fonte de potência foi projetada para fornecer quatro níveis de tensão de
corrente contínua (80V, 120V, 160V e 200V). As descargas elétricas são limitadas
pelo sistema a uma corrente máxima de até 18A por períodos de até 250µs. Para
suprir esta demanda de potência, a energia necessária é armazenada em banco de
capacitores. Os quatro níveis de tensão são obtidos através de um transformador de
tensão com quatro secundários (127 para 57, 85, 113 e 141VAC), que são chaveados
a um circuito retificador de onda completa conforme a tensão requisitada. O
chaveamento é realizado através de relés de estado sólido acionados por
microcontrolador. Para evitar/minimizar interferências, instabilidades na operação do
microcontrolador e riscos de sobretensão sobre componentes, os circuitos de alta e
baixa tensão são isolados eletricamente através de optoisoladores. A tensão de saída
(tensão em aberto) do módulo de faísca é definida pela carga existente no banco de
capacitores.
3.1.1.1 Transformador de força
Um transformador de alimentação foi assumido como solução para
fornecimento dos níveis de tensão da máquina. O trafo foi projetado para conectar-se
30
diretamente a rede de distribuição elétrica de 127VAC / 60Hz, sendo o enrolamento
primário simples monofásico. O dimensionamento do transformador é dado através
da tensão e corrente de saída do enrolamento secundário. Neste projeto foram
estabelecidos os níveis de tensão em aberto de 80, 120, 160 e 200VDC para as gerar
as faíscas de eletroerosão. A partir dos níveis de tensão definidos, calculou-se os
valores rms das tensões de saída necessárias ao transformador a ser projetado. A
tensão RMS é igual a 70,7% da tensão de pico de corrente alternada; portanto:
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 0,707𝑉𝑝
Logo, as saídas do transformador devem ser 56,56, 84,84, 113,12 e 141,40VAC. A
conversão da tensão alternada da saída do transformador para tensão contínua é
realizada através de um retificador de onda completa em ponte. Esta tensão retificada
então alimenta um circuito formado por resistores limitadores de corrente, e então
supre o banco de capacitores que armazenam a energia necessária para realizar o
processo de eletroerosão desejado. A resistência equivalente dos limitadores de
corrente foi definida em 170 Ohm para todos os níveis de tensão, exigindo assim uma
corrente máxima de 1,176A de carga no transformador. Buscando minimizar a massa
e as dimensões geométricas do transformador, estabeleceu-se que os patamares de
tensão seriam obtidos através de associações em serie dos enrolamentos
secundários do trafo, resultando na especificação do transformador representado pela
figura 6.
Figura 6 - Transformador de força
Fonte: o autor, 2013.
31
Devido à especificidade deste transformador, foi necessário construir um
transformador especialmente para o projeto. Visando a simplificação do projeto, o trafo
foi projetado para utilizar materiais padronizados, como condutores de cobre AWG
esmaltados e lâminas ferromagnéticas (em formato E e I padronizadas). Com base
nas considerações e nos dados para projeto de transformadores de pequena potência
monofásica de Martignoni (1991, p.73-104), calculou-se o número de espiras dos
enrolamentos, as dimensões das lâminas do núcleo e demais parâmetros do trafo,
como apresentado na tabela 1.
Tabela 1 - Especificações do transformador
Enrolamento Potência (W) Número de espiras Corrente (A) Bitola do fio
Secundário 56,57V (N1) 107,48 119 1,90 19 AWG
Secundário 28,29V (N2) 53,75 59 1,90 19 AWG
Secundário 28,29V (N3) 53,75 59 1,90 19 AWG
Secundário 28,29V (N4) 53,75 59 1,90 19 AWG
Potência total dos secundários 268,73
Primário 127V (V1) 254,00 254 2,33 18 AWG
Possibilidade de execução: 3,13 (Requer cuidados ao enrolar)
Espiras por Volt: 2
Perda do transformador: 10 %
Indução magnética do núcleo: 11300 Gauss
Densidade de corrente: 3 A/mm²
Altura das laminas empilhadas (H): 4,6 cm
Largura da perna central das laminas (h): 4 cm
Fonte: o autor, 2013.
A corrente do trafo foi aumentada para 1,9A, de modo a otimizar a construção
do trafo devido às dimensões das lâminas do núcleo adquiridas, beneficiando também
a flexibilidade para alterações futuras (ex.: aumento de potência da máquina). A
construção do transformador foi realizada pelo autor conforme as recomendações de
Martignoni (1991, p.73-104), e como resultado obteve-se o transformador exibido nas
imagens da figura 7.
32
Figura 7 - Construção do transformador
Fonte: o autor, 2013
Após a construção do trafo, foi realizado um teste para verificação de seu
funcionamento, onde verificou-se um erro máximo de 2,5% em relação a saída
estimada conforme os dados da tabela 2, sendo considerado assim adequado ao
projeto, pois gerou tensões pouco superiores ao necessário, podendo-se realizar um
ajuste fino através do descarregamento parcial dos capacitores, conforme a tensão
configurada pelo operador.
Tabela 2 - Teste do transformador
Bobina Tensão de entrada
no primário (VRMS)
Tensão de saída
real (VRMS)
Tensão de saída
calculada (VRMS)
Variação da
tensão esperada
Secundário (N1) 127,9 58,5 57,0 2,5%
Secundário (N2) 127,9 86,6 85,4 1,4%
Secundário (N3) 127,9 115,8 113,9 1,6%
Secundário (N4) 127,9 142,8 142,4 0,3%
Fonte: o autor, 2013.
3.1.1.2 Circuito de potência
A solução adotada para satisfazer os requisitos de potência do sistema inclui o
uso de transformador de força, que eleva ou rebaixa a tensão para valores
aproximados aos especificados para o processo EDM. Entretanto, a tensão alternada
originada pelo transformador precisa ser convertida em tensão de corrente contínua.
Devido às características do transformador projetado (sem tomada central aterrada),
10 cm
33
empregou-se um sistema retificador de onda completa em ponte não-controlado para
conversão da tensão em corrente alternada em tensão de corrente contínua (AC –
DC). O retificador se conecta em serie com resistores limitadores de corrente de carga
e capacitores (que armazenam a energia condicionada conforme o parâmetro de
tensão em aberto). O sistema foi concebido dispondo de apenas um circuito para
limitar corrente e armazenar energia, sendo assim necessário o chaveamento das
saídas do transformador a esses circuitos conforme a tensão desejada. Este
chaveamento ocorre via relé de estado sólido (SSR) acionados pelo microcontrolador
da máquina. Os SSRs são alimentados por uma fonte comum com a fonte de
alimentação das faíscas, portanto seu acionamento via microcontrolador é isolado
eletricamente por optoacopladores. O chaveamento dos relés deve ser intertravado
de modo que não permita o acionamento simultâneo de relés, pois acarretaria em
curto circuito. Neste projeto o intertravamento é realizado por firmware do
microcontrolador.
Figura 8 - Circuito de potência
Fonte: o autor, 2013.
O esquemático do circuito foi desenvolvido conforme a figura 8, onde os relés,
resistores e ponte de diodo foram especificados para suportar uma corrente de pico
de 2A. O limitador de corrente de pico foi implementado com quatro resistores de 680
34
Ohm/10W ligados em paralelo, resultando numa resistência equivalente de
170ohm/40W. No entanto, a potência de pico do sistema é de 235,3W (para tensão
de 200V). Os resistores foram dimensionados para suportar uma carga contínua de
40W partindo-se da premissa que suportam a potência de pico do sistema, pois o
funcionamento ocorre em curtos períodos de tempo, apenas início do ciclo de carga
do banco de capacitores. Para facilitar diagnósticos e visualização de estado do
circuito, LEDs foram adicionados para indicar sinais de acionamento dos relés.
Figura 9 - Circuito de dissipação de energia dos capacitores
Fonte: o autor, 2013.
Por medida de segurança para certas situações, como durante o manuseio dos
eletrodos, um sistema de descarga de tensão do banco de capacitores foi projetado,
podendo assim a energia armazenada no banco de capacitores ser dissipada por
resistores de potência, baixando a tensão a um nível mínimo, quando acionada uma
das chaves (manual ou digital) dedicadas para esta função. A chave manual é
acionada por um botão físico no painel da máquina, enquanto a chave digital é
acionada pelo microcontrolador. A figura 9 contém o esquema desse circuito elétrico
de descarga.
35
3.1.1.3 Regulador de tensão EDM
Como explicado na seção anterior, o sistema de potência de faíscas
compreende um transformador com quatro saídas em aberto que são chaveadas para
ligar um dos níveis de tensão do trafo a um retificador, e então carregar um banco de
capacitores conforme o parâmetro de tensão em aberto definido pelo usuário.
Contudo, a tensão obtida por este sistema pode conter variações de até 2,5%. Visando
conferir maior confiabilidade no funcionamento da máquina de eletroerosão (EDM), foi
estabelecido que o sistema deve verificar a efetividade do carregamento e aferir a
tensão real no banco de capacitores, o que requer a adição ao projeto de um sensor
de tensão. A disponibilidade de um sensor de tensão permite funcionalidades
adicionais a máquina, como a possibilidade de executar processos de eletroerosão
que demandam maior precisão ou valores de tensão intermediários. As
funcionalidades adicionais são viabilizados pelo ajuste fino da tensão através do
carregamento ou descarregamento dos capacitores, seguidos de medições e ações
de controle se necessário, constituindo assim um controlador em malha fechada para
ajuste de tensão. Para centralização de controle do módulo EDM, definiu-se que os
sinais do sensor de tensão fossem avaliados através do microcontrolador, através de
um sensor de tensão isolado, por segurança. As soluções mais comuns de isolamento
elétrico são do tipo galvânico e óptico. Para o projeto da EDM, optou-se por utilizar
um sensor de tensão com isolamento óptico devido à sua imunidade à interferências
eletromagnéticas, diferentemente do isolamento Galvânico, que transmite sinais
elétricos e potência por meio de acoplamento magnético, podendo ser afetado por
sinais eletromagnéticos emitidos pelos transformadores elétricos contemplados na
máquina. O sensor de tensão isolado escolhido para a aplicação baseia-se no circuito
integrado HCNR200, da HEWLETT PACKARD (HP), que é um acoplador óptico
analógico de alta linearidade.A opção por este sensor foi definida por suas
características de linearidade, flexibilidade de aplicação e baixo custo, que
apresentaram-se adequadas para aplicação neste projeto. Segundo a folha de dados
do fabricante, o HCNR200 consiste de um diodo emissor de luz (LED) de alta
performance que ilumina dois fotodiodos rigorosamente alinhados de tal forma que
recebam aproximadamente a mesma quantidade de energia, o esquemático do CI é
exibido na figura 10. O fotodiodo da entrada pode ser usado para monitorar e
estabilizar a emissão de luz do LED, como resultado, as características de não
36
linearidades e drift podem ser virtualmente eliminadas. O fotodiodo da saída produz
uma fotocorrente linearmente proporcional à emissão de luz do LED.
Figura 10 - Esquemático do acoplador óptico linear HCNR200
Fonte: HEWLETT PACKARD, 2013
O esquemático da figura 11 exibe o circuito do sensor de tensão isolado
definido para o projeto.Este design de circuito é adaptado de uma aplicação de sensor
de tensão isolado de alta velocidade e baixo custo utilizado em fontes chaveadas.
Esta aplicação requer boa largura de banda, baixo custo e ganho estável, mas não
requer muita precisão. O resistor R1 foi calculado para fornecer uma corrente no LED
de cerca de 7-10mA (valor nominal de operação), conforme a seguinte equação:
𝐼𝐹 = (𝑉𝐼𝑁𝑅1
)/𝐾1
com ganho K1 (IPD1/IF) do optoacoplador típico de 0,5%. O resistor R2 foi selecionado
de modo a atingir a tensão de saída desejada de acordo com a seguinte equação:
𝑉𝑂𝑈𝑇𝑉𝐼𝑁
= 𝑅2/𝑅1
os resistores R4 e R6 aumentam a resposta dinâmica e estabilidade dos circuitos de
entrada e saída. R3 e R5 são selecionados para fornecer a corrente de polarização
de base dos transistores Q2 e Q4 respectivamente, e R7 foi escolhido via simulação
em software ISIS Proteus de modo a proporcionar uma corrente no transistor Q4
próxima a corrente no coletor do transistor Q2.
37
Figura 11 - Esquemático do sensor de tensão
Fonte: o autor, 2013.
A fonte de alimentação é também responsável por suprir a demanda elétrica
dos demais componentes eletrônicos do sistema. Para esta finalidade, foi utilizado um
transformador 12+12VAC de 400mA, sendo sua saída retificada para tensões de 12VDC
e 5VDC.
Os circuitos retificadores, de chaveamento, de isolamento óptico, de
sensoriamento de tensão e do banco de capacitores são interligados, compondo o
circuito geral da fonte de alimentação, seu esquemático é disponibilizado no apêndice
A. Este circuito foi projetado tendo em vista sua implementação em uma placa de
circuito impresso.
3.1.1.4 Banco de capacitores
A energia dispendida no processo de eletroerosão é fornecida pelo banco de
capacitores da máquina. A figura 12 exibe sinais de tensão, corrente e energia de uma
faísca unitária realizada por uma máquina EDM piloto com características similares às
propostas neste projeto. Apartir de dados armazenados sobre faísca citada
anteriormente, verificou-se que ela demandou 38,3mJ de energia.
38
Figura 12 - Eletroerosão em alumínio com gap de 25um
Fonte: o autor, 2011.
O dimensionamento do banco de capacitores foi realizado visando suprir a
demanda de energia para um arco EDM. Outro aspecto desejado é uma baixa queda
de tensão no capacitor pós faísca, reduzindo assim os períodos de recarregamento
do banco de capacitores. O pulso de tensão em aberto é alimentado apenas pela
carga do banco de capacitores, sendo que durante esta etapa o circuito de recarga
não é ativo. Os capacitores foram dimensionados com auxílio da equação de energia
armazenada no campo elétrico do capacitor e da equação de tensão de descarga do
capacitor no tempo. A energia armazenada no capacitor é dada por:
𝑤 =1
2𝐶𝑣2
e a tensão de descarga é determinada (simplificando o sistema através de sua
modelagem como um circuito RC sem fonte) com a equação a seguir:
𝑣(𝑡) = 𝑉𝑜𝑒−𝑡 𝑅𝐶⁄
sendo 𝑉𝑜 a tensão inicial do capacitor carregado.
39
Considerando-se o fornecimento de energia entre 3,2 e 20J em condições
extremas (80-200V), e queda de tensão máxima de 5,5% para o caso extremo de
faíscas com duração de até 250µs, determinou-se que um banco de capacitores com
capacidade de carga de 1000µF/200V adequa-se às necessidades do sistema. O
comportamento do circuito de carga do banco de capacitores foi simulado para
obtenção de dados para seu dimensionamento. O circuito foi modelado em Simulink
MATLAB conforme a figura 13 com objetivo de adquirir as curvas de tensão, corrente
e potência do processo de carregamento dos capacitores por fonte retificadora de
onda completa, para então analisar-se o tempo de carregamento e potência do
sistema.
Figura 13 - Modelagem do sistema de carregamento de capacitores em Simulink
Fonte: o autor, 2013.
O modelo foi simulado considerando o caso que exige maior potência da
máquina, sendo este o carregamento dos capacitores com tensão de 200V. Com a
carga dos capacitores fixada em 1000µF, avaliou-se valores para o resistor limitador
de corrente. Com o resistor configurado para 170Ohm, o tempo de carga do capacitor
para atingir cerca de 98% da tensão final foi de aproximadamente 10 segundos,
conforme a sua curva de carga exibida no gráfico da figura 14.
40
Figura 14 - Carregamento do banco de capacitores
Fonte: o autor, 2013.
O sinal de corrente e potência no capacitor são apresentados nos gráficos da
figura 15, onde é possível notar que a potência máxima do circuito foi próximo de 60
watts, porém com oscilações, pressupondo-se assim uma potência eficaz inferior aos
40W especificados como capacidade de dissipação de potência térmica para os
resistores.
Figura 15 - Sinais de corrente e potência da carga dos capacitores
Fonte: o autor, 2013.
Na construção do circuito optou-se por implementar o banco de capacitores com
quatro capacitores, sendo ligados dois pares de capacitores em série e então estes
foram conectados em paralelo, como apresentado na figura 9. Os capacitores foram
41
ligados em série para aumentar sua capacidade de tensão e então ligados em paralelo
para compensar a perda de capacidade de armazenamento (devido a ligação em
série) e dividir o pico de corrente nos capacitores.
3.1.2 Circuito de acionamento e controle de faíscas
Os processos de usinagem por descargas elétricas consistem em gerar arcos
elétricos por curtos períodos de tempo. A máquina de eletroerosão desenvolvida no
contexto do presente projeto deve ser capaz de gerar faíscas com duração de 30 a
250 microssegundos, o que exige alta velocidade de atuação do sistema e resposta
rápida dos sensores. Um circuito de acionamento e controle de faíscas foi projetado
especificamente para o projeto. Este circuito é parte essencial do sistema, e está
localizado na sequência de etapas do processo conforme indicado na figura 16.
Figura 16 - Etapas do processo gerador de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
O acionamento da tensão em aberto é a etapa do processo onde se fornece a
diferença de potencial elétrico entre os eletrodos. O microcontrolador da máquina
envia um sinal para o circuito de acionamento de faíscas, que consequentemente
aciona uma chave digital que permite estabelecer a diferença de potencial entre o
eletrodo e a peça de trabalho. O isolamento elétrico do sinal de acionamento da chave
emitido pelo microcontrolador é realizado por um optoacoplador com schmmit trigger,
que além de isolar os circuitos também elimina ruídos no sinal. Esse optoacoplador
lógico precisa ter alta velocidade de comutação (chaveamento) para reduzir ao
máximo efeitos de retardo no controle de duração de tempo da faísca. O circuito
integrado H11N1 foi escolhido devido a seu rápido chaveamento nominal de 7,5 ns
42
conforme seu fabricante (Fairchild). O schimmit trigger detecta o sinal de disparo do
controlador e aciona o FET responsável pelo chaveamento do pulso de tensão em
aberto. O MOSFET também é responsável por limitar a corrente de descarga.
Escolheu-se para desempenho destas funções o IRF640, MOSFET que suporta
cargas de até 200V a 18A segundo seu fabricante (STMicroelectronics, 1999). O
circuito dispõe de um optoacoplador configurado para detectar a presença de
potencial elétrico e assim permitir ao microcontrolador validar a etapa de abertura de
fenda (quando os eletrodos se encontram em contato, o sinal de saída é anulado). O
esquemático do circuito é exibido na figura 17.
Figura 17 - Esquemático do gerador de pulso para produção da faísca
Fonte: o autor, 2013.
A corrente elétrica da faísca é limitada através do FET de potência (IRF640),
sendo que o nível de tensão no gate do FET estabelece esse limite. A tensão no gate
é definida através de um retificador de sinal PWM. O sinal PWM vindo do
microcontrolador passa por optoacopladores e então é retificado por filtro RC. A saída
retificada refere-se à tensão no gate do FET limitador de tensão. O esquemático do
circuito é exibido na figura 18.
43
Figura 18 - Filtro RC retificador de PWM
Fonte: o autor, 2013.
Com os valores do resistor e do capacitor do filtro especificados em 100kOhm
e 1µF respectivamente, obteve-se via simulação em software (ISIS Proteus) os sinais
do gráfico da figura 19, que representam a resposta do circuito para entradas de sinais
PWM. Verificou-se que o tempo de estabilização da saída é cerca de 600
milissegundos e a tensão de ripple foi quase nula. Como o tempo dispendido por esta
etapa do processo não prejudica o controle de tempo da faísca, esta solução mostrou-
se satisfatória para aplicação.
Figura 19 - Sinais de resposta do filtro PWM
Fonte: o autor, 2013.
44
Para detectar o início da faísca é utilizado um sensor corrente por efeito Hall
FHS 40-P Kit 8 (ver figura 20). O sensor é capaz de medir correntes elétricas de -16
a 16 A, o que não prejudica a especificação de eletroerosão de até 18A, pois a função
do sensor neste caso é apenas detectar a ocorrência de arco elétrico, enquanto a
captura das formas de onda da corrente é executada através de um osciloscópio
dotado de uma ponteira apropriada. Portanto, a saturação do sinal de corrente no
sensor não prejudica o funcionamento do sistema. Não foi necessário isolar o sensor,
já que o mesmo proporciona um isolamento galvânico entre o circuito primário (alta
tensão) e o circuito secundário (sensor). Este sensor gera uma saída de tensão
proporcional ao campo magnético gerado pelo fluxo de corrente que passa pela trilha
condutora da placa (LEM, 2010. p.1). O rápido tempo de resposta de 3
microssegundos do sensor foi o fator decisivo para a escolha de sua aplicação no
sistema.
Figura 20 - Sensor de corrente
Fonte: o autor, 2013.
O sistema de acionamento e controle de faíscas é controlado por um
microcontrolador Arduino Mega 2560, que também é responsável pelo gerenciamento
e controle dos demais subsistemas do módulo de eletroerosão, as conexões estão
eletricamente isoladas por componentes de isolamento ótico, para evitar que o disparo
cause variação de tensão, sobrecorrente ou ruídos no microcontrolador. O circuito de
acionamento de faíscas e os circuito da fonte de alimentação foram modelados em
software ARES Proteus gerando uma única placa de circuito impresso compondo
esses sistemas, o esquemático da placa pode ser consultado no apêndice A.
3.1.3 Integração do módulo de faíscas unitárias
A integração dos circuitos, da interface de comunicação de dados com PC e
interface de operação manual da máquina de eletroerosão são executados através de
45
um microcontrolador. O projeto da máquina de faíscas unitárias determinou a
necessidade um microcontrolador equipado com no mínimo 26 portas digitais e 2
portas analógicas para que se pudesse integrar todos os sistemas. O Arduino Mega
2560 disponibiliza um total de 54 portas digitais e 16 portas analógicas, e foi
selecionando para esta integração. O Arduino Mega 2560 é uma placa de
microcontrolador baseada no microcontrolador ATmega2560. Sua plataforma foi
desenvolvida para prototipagem eletrônica de hardware livre (Arduino, 2013). Além de
atender aos requisitos de hardware do projeto, a plataforma Arduino pode ser
adquirida a um preço acessível e possui uma vasta base de conhecimento para
consulta. Do microcontrolador também exigiu-se recursos de interrupção externa,
contador de tempo (timer) e interface de comunicação serial. As interrupções são
necessárias para acionar os contadores de tempo e através deles controlar o tempo
de duração das faíscas. O Arduino contempla interface de comunicação serial
(também chamada de UART ou USART) via USB, dispensando o uso de conversores
RS232-USB e viabilizando a comunicação entre a máquina e o computador,
permitindo assim controlar o módulo por uma interface gráfica em PC. A figura 21
ilustra a arquitetura básica de integração da máquina.
Figura 21 - Arquitetura do módulo EDM
Fonte: o autor, 2013.
46
Uma placa de circuito impresso foi projetada para o acoplamento do
microcontrolador, constituindo um shield Arduino. O circuito inclui um retificador de
onda completa, conectores e um regulador de tensão de 5V para alimentação do
microcontrolador e dos demais componentes acionados pelo sistema de controle.
Parar garantir o isolamento elétrico entre a placa controladora e os circuitos de alta
tensão, utilizou-se de um transformador dedicado para o circuito do microcontrolador.
O esquema elétrico da placa controladora é apresentado pela figura 22.
Figura 22 - Esquemático do circuito de controle EDM
Fonte: o autor, 2013.
O microcontrolador utiliza sua interface de comunicação serial para receber
valores de parâmetros e comandos para executar o processo de eletroerosão.
Respostas são ser enviadas para o PC, a fim de verificar/registrar o estado atual dos
parâmetros da máquina. A programação do microcontrolador da máquina é o núcleo
fundamental para o funcionamento da máquina de faíscas unitárias. A modelagem do
funcionamento do firmware do microcontrolador é apresentada na figura 23.
47
Figura 23 – Fluxograma do firmware controlador do módulo EDM
Fonte: o autor, 2013.
48
Um gabinete (ou painel) recipiente foi projetado a partir da definição do
dimensionamento geométrico das placas e demais componentes do módulo. Visando
a versatilidade da máquina desenvolvida, uma interface de operação manual através
de painel físico também foi projetada, onde o usuário configura através de um teclado
os valores desejados para o processo e aciona o comando de disparo. A figura 24
apresenta o projeto do gabinete que contempla os sistemas do módulo de
eletroerosão. Na construção do gabinete se utilizou chapas de PEAD de 6mm de
espessura como matéria-prima, sua aplicação justifica-se por suas características de
bom isolamento elétrico e fácil usinabilidade, além disso, o material foi disponibilizado
por colaboradores sem custos para o projeto. No apêndice B é possível verificar o
layout da distribuição das placas no interior do gabinete da máquina.
Figura 24 - Gabinete do módulo EDM
Fonte: o autor, 2013.
3.2 MÓDULO DE POSICIONAMENTO DE ELETRODO
Um sistema de posicionamento automatizado do cabeçote do eletrodo foi
desenvolvido, dispensando assim qualquer ação manual na preparação do sistema.
O sistema de posicionamento de cabeçote foi dimensionando para mover o cabeçote
do eletrodo, que é composto pelo eletrodo, suporte de eletrodo e um micrômetro
digital. O módulo integra subsistemas mecânicos e eletrônicos. As seções a seguir
descrevem o desenvolvimento dos subsistemas que contemplam o módulo de
posicionamento automatizado do eletrodo.
230 mm
14
0 m
m
265 mm
49
3.2.1 Driver de acionamento de motor de passo
Optou-se por utilizar motores de passo híbridos bipolares padrão NEMA 17
para a movimentação nos eixos X e Y do plano horizontal. Os motores utilizados
possuem 3,5kgf.cm de torque, e sua corrente nominal é de 0,33A com alimentação de
12V. Para deslocamento do eletrodo na vertical (eixo Z) utilizou-se um motor unipolar
de pequeno porte. No acionamento destes motores foram utilizados os circuitos de
drivers de potência. Esses drivers foram baseados no circuito impresso (CI) de ponte
H dupla L298N, capaz de fornecer 2A por saída (picos de 3A). O driver de potência foi
projetado de modo a minimizar a quantidade de portas digitais exigidas no
microcontrolador do módulo empregando transistores configurados como inversores
lógicos, necessitando-se assim de apenas duas portas digitais do controlador para
mover os motores passo a passo. O esquema elétrico do driver de potência é
apresentado na figura 25. O módulo de movimentação do eletrodo contém um driver
para cada motor, inclusive para o do eixo Z. O motor do eixo Z é unipolar de quatro
bobinas (6 fios ligado como bipolar em configuração de torque para ser acionado pelo
driver de potência desenvolvido.
Figura 25 - Driver de motor de passo
Fonte: o autor, 2013.
50
3.2.2 Circuito detector de contato entre eletrodos
O processo de eletroerosão exige um ajuste preciso do parâmetro de abertura
de fenda (ou gap), que é a distância entre os eletrodos. Para executar a medida dessa
distância, geralmente na ordem de 10 a 50µm, efetua-se primeiramente a
aproximação dos eletrodos até que se toquem. Para detectar o toque, um eletrodo é
energizado em baixa tensão, enquanto o outro é conectado a um circuito sensível a
tensão elétrica. Quando os eletrodos se tocam, o eletrodo sensível a tensão também
é energizado, e com o recebimento deste sinal interrompe-se o avanço progressivo
de aproximação dos eletrodos. Então, lê-se a medida atual do micrômetro e toma-se-
a como referência para definir o recuo necessário para atingir a abertura de fenda
programada, a partir de um cálculo proporcional usando uma constante com unidades
[µm de abertura] / [passo no motor]. O circuito da figura 26 é responsável por detectar
o contato físico entre os eletrodos. Este circuito possui proteção contra sobretensão,
para evitar danos ao sistema caso ocorra um disparo de faíscas acidental durante a
etapa de aproximação dos eletrodos.
Figura 26 - Circuito detector de contato de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
A proteção contra sobretensão no circuito é oferecida por um fusível (definido
em 100mA) e um diodo zener 1N4742A, que passa a conduzir a corrente do circuito
51
quando a tensão é maior que 12A, quando a corrente que flui no diodo torna-se maior
que 100mA o fusível se abre, interrompendo a ligação entre o microcontrolador e
circuito detector de contato elétrico protegendo-os.
3.2.3 Integração do módulo de posicionamento de eletrodo
O microcontrolador Arduino Mega 2560 integra os subsistemas eletrônicos do
módulo de posicionamento do eletrodo. O módulo exige um total de 40 portas digitais
para interagir com os subsistemas e uma interface de comunicação serial para o
recebimento de comando através de computador. Além do acionamento dos
controladores de motores e do circuito detector de contato dos eletrodos, o
microcontrolador gerencia uma interface de usuário manual (painel), realiza leituras
de dados de um micrômetro digital (acoplado ao cabeçote do eletrodo) através de uma
interface Digimatic Mitutoyo (ver apêndice D) e monitora sensores fim de curso do
plano XY. A figura 27 ilustra a arquitetura básica de hardware do módulo de
posicionamento.
Figura 27 - Arquitetura do módulo de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
Foi desenvolvida uma placa de circuito impresso para o acoplamento da placa
microcontroladora. A placa compreende o circuito de interfaceamento do micrômetro,
e conectores de comunicação com o painel de operação manual e demais
52
subsistemas. Na figura 28, o esquema elétrico da placa é apresentado. Os sensores
de fim de curso utilizados foram do tipo chave tátil, que quando acionadas geram um
sinal de tensão. O recebimento deste sinal dispara uma rotina no microcontrolador
que interrompe a alimentação do motor que atingiu o fim de curso. O sistema é
alimentado por uma fonte padrão ATX de PC.
Figura 28 - Esquemático do circuito controlador do módulo de posicionamento
Fonte: o autor, 2013.
Um gabinete (ou painel) recipiente também foi projetado para acomodação e
proteção dos componentes do módulo. O gabinete contempla uma interface de
operação manual através de painel físico, possibilitando ao usuário o controle do
sistema e a visualização de informações referentes ao estado da máquina e a posição
do eletrodo. A figura 29 apresenta o projeto do gabinete desenvolvido e no apêndice
B tem-se o layout de distribuição das placas no interior do gabinete. Para a construção
do gabinete utilizou-se como matéria prima chapas de PEAD de 6mm de espessura,
53
este material é um bom isolante elétrico e de fácil usinabilidade, além disso, o material
foi disponibilizado sem custos para o projeto.
Figura 29 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
3.2.4 Sistema mecânico de posicionamento do eletrodo
A automatização do posicionamento do cabeçote do eletrodo móvel (em
relação a outro eletrodo fixo na cuba com fluido dielétrico) viabiliza a programação da
execução de múltiplos ensaios de eletroerosão. Os eixos do plano XY são deslocados
através de sistema de eixo fuso, que compreende um eixo roscado acoplado ao motor
de passo e uma porca fixada na estrutura móvel. O eixo Z é deslocado através do eixo
móvel do micrômetro, que transforma o movimento rotacional impulsionando pelo
motor de passo, através de uma redução de engrenagens que permite a precisão
desejada de 1µm, em movimento linear no eixo do micrômetro. O mecanismo foi
dimensionado para permitir o posicionamento do eletrodo numa área de até
250x250mm no plano XY, com curso de 50mm ao longo do eixo Z, limitado pelo
tamanho da haste de micrômetro digital. A figura 30 exibe a estrutura mecânica
projetada e os planos cartesianos convencionados.
230 mm
15
0 m
m
210 mm
54
Figura 30 - Estrutura mecânica de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
O formato da estrutura de posicionamento do eletrodo foi desenhado para
confecção em polietileno de alta densidade (PEAD) e polietileno de massa molecular
ultra-alta (UHMW). Estes materiais foram utilizados para reduzir os custos do projeto,
pois sua usinagem poderia ser realizada na oficina de modelos e no laboratório de
usinagem da PUCPR sem custos; além disto, o material necessário para o projeto
poderia ser doado por colaboradores. A utilização destes materiais apresentou
vantagens quanto à massa final da estrutura e à facilidade para usinagem sem
depender de maquinário avançado; entretanto, como desvantagem, apresentou
pouca estabilidade dimensional. Na concepção do desenho da estrutura, priorizou-se
um modelo estrutural simples, de fácil fabricação e baixo custo, sendo projetada para
incorporar apenas os itens essenciais do sistema. Como não há contato físico entre
ferramenta e peça no processo de eletroerosão, ou seja, não há tensão mecânica, a
55
função da estrutura resume-se a suportar componentes e circuitos agregados. A
ilustração da figura 31 apresenta uma vista explodida da estrutura.
Figura 31 - Vista explodida da estrutura mecânica de movimentação do eletrodo
Fonte: o autor, 2013.
O sistema de locomoção do cabeçote de eletrodo no plano XY é implementado
por fusos roscados padrão M10 com passo de 1mm, sendo o fuso acoplado
diretamente ao eixo do motor de passo através de um acoplamento flexível (5-8mm).
O movimento rotacional do motor é convertido em movimento linear por porcas
acoplados ao fuso, onde as porcas são fixadas nas hastes móveis da estrutura suporte
do eletrodos. Para o alinhamento linear do deslocamento, ambos os eixos X e Y
receberam guias lineares compostas por eixos cilíndricos retificados e pillow blocks
(suporte de rolamentos). No eixo X, utilizou-se eixos e pillow blocks (SCS12UU) de
12mm de diâmetro, e no eixo Y foram utilizados eixos e pillow blocks (SCS8UU) de
8mm. Os sensores fim de curso foram instalados nas hastes móveis dos eixos X e Y,
56
sendo utilizados dois sensores por eixo de modo a detectar colisão nas extremidades
entre as hastes móveis e a estrutura, ou seja, utilizou-se um sensor para cada sentido
de deslocamento. Como o deslocamento no plano XY desta aplicação não exige
precisão, se estabeleceu um controle de posição em malha aberta, onde a máquina,
ao ligar, descola o eletrodo até que seja acionado o sensor de fim de curso, quando
então toma-se a posição como referência e de tal modo que as novas posições são
definidas através da relação [milímetros]/[passos do motor]. Esta relação é
determinada através da razão entre o passo da rosca do fuso pelo número de passos
necessários para uma revolução do motor, sendo definida em [1mm/200passos] neste
projeto. A figura 32 ilustra o sistema de locomoção do plano XY.
Figura 32 - Sistema de locomoção no plano XY
Fonte: o autor, 2013.
O deslocamento do eletrodo no eixo Z é de grande importância no projeto, sua
precisão é essencial para confiabilidade dos experimentos que serão executados pela
máquina. Como requisito foi estabelecido um ajuste de posição com precisão de 1
57
micrometro ao longo do eixo Z (vertical) do eletrodo. O micrômetro digital Mitutoyo
164-162 foi utilizado para medir a distância entre eletrodos (eixo Z). Este micrômetro
possui uma haste com curso de 50mm, onde foi acoplado o cabeçote suporte de
eletrodo. O suporte utilizado comporta eletrodos cilíndricos de 0,1 a 1mm de diâmetro.
A automação do descolamento da haste do micrômetro se dá através de um motor de
passo unipolar, conectado ao micrômetro através de uma redução projetada para esta
aplicação, que possui um sistema interno que transforma movimento rotacional em
deslocamento linear no eixo do micrômetro. Com este sistema, foi alcançado uma taxa
de deslocamento de 0,5 micrometros por passo do motor, permitindo ao sistema
atingir a precisão necessária. O limite de curso do deslocamento do eletrodo é
implementado por software, que analisa os valores de posição do micrômetro para
limitar a atuação do motor. A foto da figura 33 ilustra o sistema de deslocamento do
eletrodo no eixo vertical.
Figura 33 - Sistema de abertura de fenda
Fonte: o autor, 2013.
3.3 SISTEMA DE CAPTURA DE TENSÃO E CORRENTE DE FAÍSCA
Um osciloscópio de alto desempenho Tektronix TDS-644B, equipado com
ponteiras de medição de tensão (P5100) e corrente (TCP202), e interface com o
aplicativo em PC via GPIB, é utilizado para a captura das formas de onda da faísca.
O trigger é programado pelo aplicativo no canal de corrente. A transferência dos dados
é automática logo após a conclusão de uma sequência de aquisição quando então o
58
aplicativo processa os dados e exibe os sinais na interface do usuário, realiza o cálculo
de parâmetros (potência, energia e valores de máximo e mínimo) e armazena os
dados em disco local. A utilização destes equipamentos permite automatizar o
processo de captura de sinais elétricos do processo de eletroerosão com
confiabilidade. A modelo de integração do sistema é ilustrado na figura 34.
Figura 34 - Sistema de aquisição de sinais
Fonte: o autor, 2013.
3.4 INTEGRAÇÃO
O presente projeto exigiu um alto nível de integração e automação. O sistema
é composto por três subsistemas principais: sistema de captura dos sinais de tensão
e corrente da faísca (osciloscópio), módulo de faíscas e módulo de posicionamento
de eletrodo. A integração do sistema se dá através de um aplicativo em LabVIEW, o
qual é executado em computador, conectado localmente com os módulos de faíscas
e de deslocamento do eletrodo, através de conexão serial, e com o osciloscópio via
conexão GPIB. O aplicativo foi desenvolvido para operação do sistema através de
uma interface gráfica de usuário, assim possibilitando enviar comandos de operação,
receber informações sobre o processo e realizar configuração dos parâmetros de
comunicação entre o computador e os subsistemas, viabilizando a programação de
ensaios de eletroerosão. A interface do aplicativo permite ao usuário visualizar os
dados de tensão e corrente das descargas elétricas, ou seja, monitorar as formas de
onda capturadas por ponteiras de medição de tensão e corrente durante as faíscas
(ou arco). Os dados podem ser armazenados em disco local e recuperados a qualquer
tempo. Funções de análise (cálculo de energia e potência, valores extremos, duração)
59
podem ser aplicadas sobre as formas de onda. O aplicativo EDM – SparkVIEW,
resultou de uma adaptação de um software desenvolvido em projeto de pesquisa
anterior (Mendes et al, 2012). O ambiente LabVIEW é indicado para esta aplicação,
pois possui uma plataforma abrangente e estável de suporte a drivers e dispositivos,
que facilitam a etapa de desenvolvimento por fornecer blocos de comunicação,
funções e operações de simples implementação. As alterações implementadas no
aplicativo referem-se à adição das rotinas de comando de movimentação XY (em Z já
existe) e readaptação dos protocolos de comunicação. A figura 35 exibe a interface
principal de operação do sistema.
Figura 35 - Aplicativo gerenciador do sistema
Fonte: o autor, 2013.
A integração física do sistema é mostrada na figura 36. Os requisitos para este
sistema são: um computador com sistema operacional Windows (XP ou posterior) 32
bits, três portas USB livres, software LabVIEW compatível com a versão 7.1 e driver
do osciloscópio instalados. Ao iniciar o aplicativo SparkVIEW, os parâmetros de
comunicação devem ser configurados. Esta etapa resume-se a informar ao sistema
qual a porta serial que está conectado cada módulo (faíscas e posicionamento do
eletrodo). Para executar o processo de eletroerosão, o usuário deve informar os
60
parâmetros de tensão em aberto, tempo de descarga, limite de corrente, abertura de
fenda e posição do eletrodo, e a seguir executar o comando de disparo de faísca. O
aplicativo então envia os dados para os módulos e programa o osciloscópio para
aguardar pelo trigger; após a faísca, os dados do processo são automaticamente
transmitidos desde o osciloscópio por ordem do aplicativo, e então são
disponibilizados em sua interface através de gráficos e tabelas.
Figura 36 - Integração do sistema
Fonte: o autor, 2013.
61
4 RESULTADOS
Especificações técnicas para o processo de eletroerosão através da máquina
de faíscas unitárias foram inicialmente elaboradas, servindo de base para o
desenvolvimento dos projetos de hardware, firmware (software) e de mecânica do
sistema. Diversas soluções técnicas foram produzidas, permitindo que os subsistemas
do módulo de faíscas e módulo de posicionamento do eletrodo fossem bem
projetados.
Os subsistemas referentes ao módulo de posicionamento automatizado do
eletrodo que foram implementados são: interface de comunicação com micrômetro;
sensor detector de contato entre eletrodos; circuitos de acionamento dos motores que
impulsionam o deslocamento do eletrodo e permitem o controle da abertura da fenda,
e a interface de comunicação serial.
O desenvolvimento das soluções em hardware (circuitos eletro/eletrônicos) deu
origem a circuitos elétricos que foram modelados e validados através de simulações
em softwares de eletrônica. A implementação desses circuitos realizou-se através de
placas de circuitos impressos, que foram confeccionadas por uma máquina
prototipadora de circuitos impressos (LPKF ProtoMat S63 - ver figura 37). Os circuitos
eletrônicos produzidos integram o módulo de faíscas e o módulo de posicionamento
de eletrodos.
Figura 37 - Produção dos circuitos eletrônicos
Fonte: o autor, 2013.
Mecanismos físicos do sistema foram dimensionados e projetados com
tecnologia 3D CAD para atender às funcionalidades do sistema. Uma estrutura
mecânica de posicionamento automatizado de eletrodo e dois gabinetes de
62
equipamentos surgiram desses resultados. Sua produção foi executada pelo autor
auxiliado por técnicos dos laboratórios de usinagem e da oficina de modelos da
PUCPR. O processo de fabricação empregou várias técnicas e equipamentos de
usinagem, como fresa de comando numérico, torno, furadeiras (de bancada e
manual), lixadeiras, serras circulares e serra fita. A montagem da estrutura foi
realizada, reajustes feitos e mesmo a refabricação de alguns componentes foi
necessária, como é o caso do fuso roscado do eixo X que precisou ser substituído
após sua falha durante os primeiros testes.
A integração dos subsistemas eletrônicos a nível de hardware foi implementada
por microcontroladores, que se conectam via portas digitais e analógicas aos
subsistemas. Os microcontroladores receberam programações de firmware
especialmente desenvolvidas para interagir e controlar os componentes dos módulos
que compõe o sistema. Com isso, cada módulo tem condições de desempenhar as
funções para as quais foram projetados; no entanto, são operados individualmente. A
capacidade de realizar as funcionalidades gerais do sistema foi obtida através da
integração dos módulos via software em computador. Um aplicativo foi desenvolvido,
viabilizando o controle total de suas funcionalidades do sistema de forma centralizada.
O módulo de faíscas unitárias implementado é formado por transformadores
elétricos, uma placa de potência geradora de pulsos de tensão contínua e uma placa
controladora e um gabinete que agrega esses componentes. Apesar de não ser um
requisito inicialmente proposto para o projeto, decidiu-se posteriormente por adicionar
um painel de controle manual do módulo; entretanto, sua implementado não foi
possível até a conclusão do presente trabalho, e sua implementação será realiza
posteriormente.
A placa controladora do módulo de faíscas foi fabricada na PUCPR, resultando
na placa da figura 38, que acopla um microcontrolador Arduino Mega 2560, circuito
retificador de tensão para 5V, conectores para conexão com PC via USB, display LCD
16x2 seguimentos, teclado matricial 4x4, placa de potência geradora de faíscas e uma
porta serial secundária.
63
Figura 38 - Placa controladora do módulo de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
A figura 39 mostra a placa de circuitos eletro/eletrônicos que contempla fonte
de potência da tensão em aberto, banco de capacitores, sensores de tensão e
corrente, sistemas de isolamento óptico e circuito gerador de faíscas.
Figura 39 - Circuito de potência gerador de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
O transformador elétrico necessário para fornecer a potência do módulo de
faíscas foi produzido pelo autor, com base em técnicas e construção de
64
transformadores disponíveis na literatura. Como resultado, obteve-se o transformador
da figura 40, que atendeu às especificações para sua aplicação.
Figura 40 - Transformador de força do circuito gerador de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
Para acomodar os subsistemas do módulo de faíscas, foi produzido o gabinete
da figura 41, com chapas de PEAD de 6mm de espessura.aAs dimensões mínimas
definidas para bem acomodar todos os componentes projetados para módulo foram:
265mm de largura, 140mm de altura e 236m de profundidade.
Figura 41 - Gabinete do módulo de faíscas
Fonte: o autor, 2013.
O módulo de posicionamento automatizado do eletrodo foi implementado
integrando componentes eletrônicos e mecânicos. Uma estrutura física de
65
deslocamento de eletrodos foi projetada e produzida especialmente para o projeto,
visando fornecer uma solução adequada as necessidades do presente trabalho a um
baixo custo, resultando no sistema mecânico da figura 42, que permitiu o
posicionamento do eletro com três graus de liberdade.
Figura 42 - Estrutura mecânica do módulo de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
O deslocamento do eletrodo é impulsionado por motores de passo. Os drivers
de acionamento dos motores foram construídos conforme a figura 43. Cada driver de
potência tem capacidade para acionar um motor de passo, portanto foi necessária a
construção de três unidades.
Figura 43 - Driver de acionamento de motor de passo
Fonte: o autor, 2013.
66
Para a automatização plena do posicionamento do eletrodo e ajuste preciso do
parâmetro distância de fresta, um circuito sensor foi projetado para de contato físico
entre os eletrodos, permitindo ao sistema determinar uma posição de referência para
o ajuste de distância de fenda. O sensor foi implemento na forma de placa de circuito
impresso, resultando na placa ilustrada na figura 44.
Figura 44 - Circuito detector de contato entre eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
A integração dos circuitos do módulo de posicionamento do eletrodo é realizada
por uma placa controladora, que foi produzida em circuito impresso e comtempla um
segundo microcontrolador Arduino Mega 2560, a interface de comunicação serial,
interface Digimatic Mitutoyo (para comunicação com micrômetro) e conectores para
integração com os drivers de acionamento dos motores de passo, sensores fim de
curso, circuito detector de toque entre eletrodos, teclado matricial e display LCD para
interface de operação manual. A figura 45 exibe a placa controladora que foi
desenvolvida. A alimentação dos circuitos eletrônicos do módulo suprida por uma
fonte padrão ATX de PC.
67
Figura 45 - Placa controladora do módulo de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
Assim como no módulo de faíscas, uma interface de operação manual (painel)
para o módulo do eletrodo foi estipulada depois do início do projeto. Como o
desenvolvimento do projeto priorizou a implementação dos componentes essenciais
do sistemas, a interface manual não foi realizada a tempo da conclusão do projeto, a
sua finalização também deverá ser feita posteriormente.
O gabinete que suporta os subsistemas do módulo do eletrodo foi construído
como mostra a figura 46. As dimensões mínimas especificadas para acomodação de
todos os componentes propostos foi de 230mm de largura, 150mm de altura e 216mm
de profundidade, considerando-se a construção com chapas de 6mm de espessura.
Figura 46 - Gabinete do módulo de posicionamento de eletrodos
Fonte: o autor, 2013.
68
O sistema de aquisição de sinais de tensão e corrente estavam pré-
estabelecidos com base em projetos de pesquisa realizados previamente pelo autor,
portanto sua implementação demandou adaptações no software, a realização de
testes validação de funcionamento dos novos dispositivos e de comunicação e
integração.
A funcionalidade geral do projeto, ou seja, a realização automática de
experimentos de eletroerosão por faíscas unitárias é alcançada através da integração
dos módulos de faísca, de eletrodo e do sistema de aquisição de sinais em nível de
software. Um aplicativo em plataforma LabVIEW desenvolvido em projeto de pesquisa
anterior foi utilizado como base do sistema, então foi necessário modificá-lo para
atender às especificações do presente projeto. As alterações realizadas
correspondem a adequações dos protocolos de comunicação de modo que
viabilizassem a execução de todas as funcionalidades dos módulos. As novas
funcionalidades referentes ao posicionamento do eletrodo no plano XY foram
programadas e acrescentadas ao aplicativo, completando assim a operabilidade
completa do sistema.
Figura 47 - Integração do sistema
Fonte: o autor, 2013.
A implementação geral do sistema foi alcançada no extremo limite do prazo
previsto para o projeto (ver figura 47), sendo que sua finalização por completo ainda
exige alguns testes. A partir dos ajustes finais em andamento, o equipamento será
empregado para pesquisas de processos de eletroerosão.
69
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento do presente projeto requereu um conjunto de atividades
multidisciplinares, característico de projetos de mecatrônica, com a integração de
sistemas contendo componentes de hardware, software (firmware) e mecânica.
A abordagem metódica de desenvolvimento de produtos aplicada contribuiu
principalmente para a etapa de definição do sistema, que resultou na definição dos
atributos essenciais que o projeto deveria contemplar. A estratégia de
desmembramento do sistema em subsistemas com funções específicas permitiu a
concepção de um conjunto solução modularizado: módulo de faíscas unitárias,
módulo de posicionamento de eletrodos, conjunto de aquisição de sinais e
subsistemas diversos.
O objetivo geral estabelecido como ‘desenvolvimento de projeto de uma
máquina de eletroerosão de faíscas unitárias com sistema automatizado de testes de
avaliação de desempenho do processo’ foi alçando plenamente quanto à definição e
especificação do sistema solução; a implementação do sistema, por sua vez, foi
conseguida já na iminência do fim do prazo do projeto, sendo necessário ainda a
realização de alguns testes para a conclusão do sistema.
O sistema projetado é capaz de satisfazer os requisitos impostos. Os
subsistemas que agregam as funcionalidades projeto atendem aos objetivos
específicos, tendo sido modelados, validados por simulações e/ou especificados
tecnicamente, gerando uma documentação que demonstra sua capacidade para as
aplicações.
Os subsistemas projetados que compõem o módulo de faíscas unitárias são:
transformador de potência; circuito controlador de tensão, banco de capacitores para
fornecimento de energia das faíscas; sensor detector de faísca (detecta por corrente);
circuito limitador de corrente máxima da faísca; painel de operação manual da
máquina; interface de comunicação serial; circuito gerador de faíscas unitárias e
gabinete. Com exceção do painel, todos os sistemas foram implementados, a
implementação do painel depende da aquisição de um teclado matricial e fixação de
um display no gabinete. As funcionalidades do módulo que foram implementadas
foram: disparo de pulsos de corrente contínua; auto detectar instante inicial da faísca
e limitar seu tempo de duração previamente programado; controle de tensão da faísca;
controle do limite da corrente do arco (ou faísca) e comunicação com computador.
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Os subsistemas referentes a interface de operação manual (painel) foram
projetados, mas não implementados no prazo, dependendo apenas da integração de
um teclado matricial e da fixação de um display no gabinete para conclusão. As
funcionalidades implementadas correspondem à: medição da abertura de fresta,
leitura dos valores do micrômetro, posicionamento do eletrodo com três graus de
liberdade (eixos lineares X, Y e Z), detecção automática do zero de aberto de fresta e
controle de posição do eletrodo (malha aberta para o plano XY).
O sistema automatizado de aquisição de sinais de tensão e corrente da faísca
foi previamente estabelecido em projeto de pesquisa anterior, tratando-se assim de
seu aproveitamento no presente projeto. Este sistema permitiu a realização das
funcionalidades desejadas, como: detecção automática das faíscas e aquisição das
formas de onde de tensão e corrente; recebimento de configurações de trigger
programadas via aplicativo e transmissão automática dos sinais das faíscas ao
aplicativo.
A interface de operação do sistema foi implementada via software desenvolvido
em plataforma LabVIEW, este aplicativo foi parcialmente programado em projeto de
pesquisa externo, sua aplicação neste projeto exigiu adequações quanto aos
protocolos de comunicação com o módulo EDM e adição (via programação) das
funcionalidades do módulo de deslocamento de eletrodo. O aplicativo estabelecido
permitiu ao sistema as seguintes funcionalidades: comunicar com módulos (faísca e
posicionador de eletrodo); disponibilizar informações sobre o processo; programar de
ciclos de máquina; programar ensaios de eletroerosão; exibir formas de onda de
tensão e corrente capturas durante a faísca; realizar funções de análise aplicadas
sobre as formas de onda; armazenar e recuperar dados obtidos do processo.
Os resultados obtidos com o presente projeto constituem um equipamento
especialmente projetado para pesquisa de eletroerosão, capaz de realizar de forma
automática ensaios de processos de eletroerosão de faíscas unitárias, sendo
adequado para as aplicações nas quais foi especificado.
Conclui-se que o sistema resultante deste trabalho é capaz de atender aos
objetivos propostos.
71
REFERÊNCIAS
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73
APÊNDICE A – CIRCUITO DE POTÊNCIA E GERADOR DE FAÍSCAS
74
APÊNDICE B – LAYOUT DE DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO MÓDULO
DE FAÍSCAS UNITÁRIAS
Módulo de faíscas unitárias
75
APÊNDICE C – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE DO MÓDULO DE
POSICIONAMENTO DE ELETRODO
Liga
Configura os parâmetros do
sistema
Comando = Deslocamento
do Eletrodo
Comando = Detectar Contato?
S
Sensor Fimde Curso
Acionado?
Aciona motores de deslocamento
N
Informa que o sistema está configurado
Lê Sensores Fim de Curso
S
Lê Comando
N
Realiza o deslocamento
A posição é válida?
S S
Informa posição não alcançavel
N
Aproxima Eletrodos
Lê sensor de contato
Hà contato?
N
Define posição de contato
Lê micrometro
Comando = Calibrar posição
inicial?
N
Define posição inicial
S
N
Comando = Definir posição
de referência da peça
Define posição atual como referência da
peça S
N
76
APÊNDICE D – INTERFACE DIGIMATIC MITUTOYO