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Mach3 Algumas Configurações PDF
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Resumo: O cenrio nacional, no que tange a tecnologia de equipamentos voltados ao processo de fabricao,
carente devido, sobretudo ao fato das tecnologias serem provenientes do exterior. Isto eleva consideravelmente o custo
de aquisio e de manuteno de mquinas capazes de aprimorar a indstria e a pesquisa no meio acadmico. Assim,
sistemas que apresentem baixo custo e aperfeioem o processo de fabricao, vem recebendo maior ateno dos
profissionais da rea. Neste contexto, o referido trabalho apresenta um estudo de aplicao do controlador CNC
(Comando Numrico Computadorizado) denominado Mach3 como sistema de controle de um manipulador robtico,
com servoacionamento em suas quatro juntas, destinado automao da soldagem nas aplicaes de recuperao de
superfcies. O objetivo de tal linha de pesquisa elaborar IHMs (Interface Homem-Mquina) mais intuitivas, facilitar
a interao com softwares de CAD (Computer Aided Design), possibilitando assim o planejamento de trajetrias de
soldagem complexas sem que haja dificuldade de programao. Como principais atrativos o Mach3 possui uma
interface grfica extremamente flexvel, podendo-se criar um ambiente dedicado a cada processo de soldagem.
Apresenta tambm bibliotecas para telas sensveis ao toque (touchscreen) e configurao do dispositivo de
aprendizagem (teach pendant) mais intuitiva que o teclado do computador. Tal controlador CNC no apresenta
hardware e sim um programa que roda em ambiente Windows, comunicando-se com o mundo externo atravs da porta
paralela. Sendo assim, caso haja necessidade de um maior nmero de entradas e/ou sadas, basta instalar portas
paralelas sobressalentes. Os resultados prticos, de deposies por soldagem MIG/MAG, mostrados buscam
comprovar a robustez do sistema de controle e apresentar o Mach3 como uma possvel soluo no controle de novos
sistemas de deslocamento, bem como em adequaes tecnolgicas (retrofitting) de fresadoras e tornos
tecnologicamente ultrapassados.
1. INTRODUO
No mbito da tecnologia de equipamentos voltados aos processos de fabricao, o cenrio nacional carente
devido, sobretudo ao fato de grande parte das tecnologias serem provenientes do exterior. Isto faz com que a indstria
brasileira deixe de aprimorar seus mtodos de fabricao, pois o custo de aquisio e manuteno de equipamentos
extremamente elevado. Alm disto, na maioria dos casos no h possibilidade de alteraes que vislumbrem a aplicao
em outras tarefas, uma vez que em geral os equipamentos so de arquitetura fechada e conhecida apenas pelo
fabricante.
Neste contexto, o referido trabalho visa o estudo do emprego de um controlador CNC (Comando Numrico
Computadorizado) de baixo custo em um manipulador robtico para a soldagem. No que tange a soldagem, isto
relevante para o Brasil, uma vez que os produtos mais avanados so provenientes de tecnologia estrangeira. Outro
ponto fundamental que o desenvolvimento de tecnologia prpria gera grande flexibilidade para a pesquisa, pois no se
est restrito as limitaes impostas por um equipamento comercial, sendo assim, factvel alteraes de acordo com
necessidades encontradas no decorrer do projeto.
Embora este artigo contextualize um equipamento para a soldagem, o foco do estudo a criao de subsdios para o
processo de fabricao como um todo. Visando a apresentao de novas tecnologias que colaborem para a evoluo,
tanto no mbito da pesquisa acadmica, quanto na melhoria dos processos aplicados na indstria. Assim, o objetivo
tornar mais acessveis tecnologias de controle para, por exemplo, projetos destinados a retrofitting de equipamentos
CNCs ultrapassados tecnologicamente. Gesser et al (2007), diz que o retrofitting uma opo para a melhoria da
tecnologia de fabricao, uma vez que equipamentos CNCs apresentam uma manuteno e atualizao de alto custo,
visto que possuem componentes de tecnologia sofisticada.
V Congresso Nacional de Engenharia Mecnica, 18 a 21 de Agosto 2008, Salvador-Bahia
Desta maneira, ser abordado neste artigo viso geral de implementao de um controlador CNC de baixo custo,
denominado Mach3, a um rob de soldagem, bem como a concepo bsica para a utilizao do mesmo em projetos de
automao da manufatura.
2. MATERIAL E MTODOS
Manipulador Robtico
sabido que sistemas flexveis de soldagem possuem inmeros benefcios para a indstria e so muito difundidos
internacionalmente. Entretanto, isto no amplamente percebido no Brasil, sobretudo pela carncia de equipamentos
com tecnologia nacional. Isto, em especial, torna pouco atrativo aquisio de um manipulador proveniente do exterior,
dado o elevado custo no momento da compra, bem como a dificuldade de manuteno.
Outro ponto relevante que eleva o valor final de um equipamento seu custo de desenvolvimento. sabido que
equipamentos dedicados atividade nica apresentam maior custo de desenvolvimento. A metodologia utilizada no
desenvolvimento do manipulador robtico aqui descrito buscou a versatilidade para a execuo de diferentes tarefas. Na
busca de tal flexibilidade construiu-se um equipamento com quatro graus de liberdade, trs lineares e um rotacional,
destinado inicialmente soldagem em dutos e paredes planas ou curvas. No referido manipulador, Fig (1), cada junta
tem funo especfica, a saber:
Eixo linear X: executa o deslocamento no sentido da soldagem com velocidade especificada. O alcance
ilimitado;
Eixo linear Y: realiza o seguimento da junta que se deseja soldar. Apresenta um deslocamento mximo de 200
mm;
Eixo linear Z: regula a distncia entre o bico de contato e a pea (DBP). Possui um deslocamento mximo de
42 mm;
Eixo rotacional A: deslocamento angular em torno do eixo linear X ou Y, com o objetivo de regular o ngulo
de ataque da tocha de soldagem. possvel um giro de 50 em relao a normal da superfcie a ser soldada.
Um ponto relevante neste manipulador o fato de utilizar um sistema de acionamento atravs de servo motores CC.
Isto contribui significativamente para a reduo de problemas relacionados com vibraes e rudos. Alm disto, o
sistema eletrnico de controle dosa a corrente fornecida ao motor em funo do sinal de realimentao de velocidade e
posio. Logo se tende a manter os parmetros desejados, como por exemplo, velocidade de soldagem, mesmo que
foras externas atuem no sistema. Em resumo, insucessos no deslocamento so menos provveis.
O emprego de robs vem se mostrando cada vez mais importante para a obteno de trabalhos com melhor
qualidade e realizados em menor tempo. Isto gera significativa diminuio no custo final de produo ou de reparo de
peas. A utilizao de robs, entretanto, no a melhor opo como via geral de regra. Pires et al (2006), afirma que
aconselhvel o seu emprego em processos de mdia produo, onde se mostra mais vantajoso que a operao manual ou
a automao dedicada.
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Mach3
Cada vez mais a indstria necessita de ferramentas flexveis, com possibilidade de adaptao a diferentes tarefas.
Tal fato relevante, pois assim se evita gastos com aquisies de novos sistemas, alm de reduo no treinamento de
mo-de-obra. Neste contexto, o Mach3 desponta como uma excelente opo de controle de baixo custo para fresadoras,
tornos e robs manipuladores cartesianos, sendo este o foco do estudo do presente artigo.
Art Soft (2007), relata que o Mach3 um controlador que viabiliza o controle de equipamentos com at 6 juntas, 3
prismticas e 3 rotacionais, e roda em microcomputador. Para o correto funcionamento necessrio ter instalado o
sistema operacional Windows XP ou 2000, uma capacidade de processamento de 1GHz e tela com resoluo de 1024 x
768 pixel.
A idia de aplicar o Mach3 no controle do rob manipulador para a soldagem partiu da anlise da estrutura e dos
movimentos realizado pelo mesmo. Estes movimentos so similares aos de uma fresadora, dado que sua concepo
apresenta 3 juntas prismticas e 1 rotacional. O objetivo, com isto, elaborar IHMs (Interface Homem-Mquina) mais
intuitivas, facilitar a interao com softwares de CAD (Computer Aided Design), possibilitando assim o planejamento
de trajetrias complexas sem que haja dificuldade de programao.
O primeiro grande atrativo do Mach3 o fato de ser um software livre para programas com at 500 linhas de
cdigo G, assim possvel um estudo preliminar de suas funcionalidades sem que haja necessidade de aquisio do
programa. O custo da verso completa de $159, o que a torna bem acessvel. Outro ponto de estimulo ao uso do
Mach3 a grande rede de comunicao existente entre os usurios do sistema pelo mundo. Os diversos fruns e grupos
de pesquisa proporcionam uma excelente base de suporte, o que torna mais eficiente e rpido o desenvolvimento de
novas aplicaes e funcionalidades.
A tela bsica de comando do Mach3, Fig (2), apresenta suas funes principais. No item 1 destaca-se a barra com
as opes de configurao do software. Nessa barra de ferramentas tem-se as opes para criao de arquivos,
configuraes dos pinos de entrada e sada de sinais, rampa de acelerao dos motores, configuraes de plugins,
seleo de telas e edio das funes pertinentes aos botes da tela. J em 2, visualiza-se o programa em cdigo G que
ser executado. Tal visualizao do cdigo em execuo fundamental, pois desta maneira possvel que o operador
detecte algum erro de programao de trajetria e cancele a operao. Em 3 encontram-se as posies correntes dos
eixos, bem como a opo de referenci-los. Em 4 tem-se a ilustrao das trajetrias a serem realizadas. Tal ilustrao
ajuda na deteco de erros mais grosseiros de trajetria. Em 5 o controle do processo, com opes de start, stop, load G
code, edit G code, entre outros. Este item traz as principais aes de comando do Mach3. O item 6 mostra as
informaes pertinentes ferramenta utilizada, onde se tem informaes como o dimetro, altura e posio no carrossel
de ferramentas. Os dados relativos ao feed rate da mquina visto no item 7. Aqui factvel a alterao da velocidade
de deslocamento no transcorrer da execuo da trajetria, a fim de corrigir possveis erros de programao. J no item 8
permite a visualizao do RPM (Rotaes por minuto) do eixo rvore e assim como no item 7 possvel a correo da
velocidade.
Para o controle da velocidade do eixo rvore utilizado um sinal PWM (Pulse Width Modulation). Este sinal no
precisar ser usado necessariamente como referncia para o eixo rvore. Na soldagem, por exemplo, pode-se empregar
este sinal para ajustar a tenso do arco no processo MIG convencional.
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Essa tela genrica e destinada para a operao de fresamento. Entretanto factvel a elaborao de interfaces
destinadas determinada aplicao. Este procedimento de construo de novas interfaces realizado por intermdio de
um software auxiliar denominado Screen4. A Figura (3) mostra uma tela, destinada ao processo de soldagem, em
desenvolvimento neste software. O desenvolvimento dessa interface no fica restrito somente a alteraes de layout.
possvel programar funes especficas para diferentes tarefas, sendo que isto feito utilizando a linguagem de
programao Visual Basic.
Tal caracterstica associada ao fato de se poder adicionar portas paralelas sobressalentes, faz com que o Mach3
possa ser utilizado tambm como um CLP (Controlador Lgico Programvel), o qual pode ser utilizado, por exemplo,
para o acionamento da bomba de leo ou seleo de uma determinada ferramenta do cabeote. Em suma, com um
sistema de controle baseado em microcomputador tem-se um controlador CNC flexvel e de baixo custo, alm de um
CLP.
Com a definio da tela a ser utilizada e funcionalidades implementadas, o prximo passo a programao dos
pinos da porta paralela. O Mach3 proporciona a programao de 5 sinais de entrada e 12 sinais de sada, tomando como
base apenas 1 porta paralela. Tais sinais possuem tenso de 5 Vdc e podem ser utilizados tanto para a lgica de
acionamento como para o controle de direo e velocidade dos motores.
A funo destinada a cada pino facilmente estipulada por meio de uma interface simples e intuitiva. O ponto de
partida para a programao habilitar o sinal desejado. A seguir determina-se qual porta ser usada. Posteriormente
seleciona-se o pino responsvel pelo sinal e se o mesmo ativo em alto ou baixo. No exemplo de programao ilustrado
a seguir, Fig (4), determinou-se que o driver do motor da junta X recebe sinais do pino 2 e pino 3 da porta paralela 1,
sendo que significam respectivamente o sinal de passo e direo. Ambos os sinais so ativos em alto.
Mesmo no sendo necessrio a elaborao de circuitos eletrnicos auxiliares para a comunicao entre porta
paralela e circuitos de acionamento e inter-travamento, aconselhvel o desenvolvimento de circuitos de isolamento de
sinais, a fim de evitar danos porta paralela. Estes danos podem ser causados por rudos provenientes do arco eltrico.
Em geral os sinais de acionamento podem possuir freqncia na casa de 100 kHz, desde modo o isolamento mais
adequado por meio de circuitos opto-acopladores.
O software possibilita a determinao da rampa de acelerao dos motores, assim possvel melhorar o
aproveitamento da mquina. Na programao deve-se ajustar a relao de quantidade de passos necessrios para um
deslocamento de 1 mm, em tal equao entra a quantidade de passos necessrios para a realizao de uma volta do
motor, bem como as relaes das transmisses de movimento. Nesta programao tambm determinada a velocidade
mxima do motor e sua acelerao, fatores estes obtidos a partir da anlise da folha de dados do motor. O principal
diferencial nessa programao das caractersticas dos sinais destinados ao motor, est no fato de ser factvel a alterao
da largura do pulso de comando. Isto fundamental, uma vez que o tempo necessrio para entendimento de um sinal
muda de acordo com cada driver. Assim, a implementao de circuitos de ajuste de sinais, segundo Carvalho et al
(2007), passa a ser dispensvel. Fato este que diminui a complexidade da eletrnica de acionamento. A tela de ajuste
das caractersticas dos motores mostrada a seguir, Fig (5).
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3. DISCUSSES E RESULTADOS
O primeiro ponto satisfatrio na utilizao do Mach3 est relacionado com a IHM. Com desenvolvimento de uma
IHM em ambiente grfico e especfica as atividades objetivadas, passou a ser vivel a substituio do monitor
convencional por monitor sensvel ao toque (touch screen), Fig (6). Desta maneira possvel que o operador tenha total
controle do equipamento por intermdio de uma tela com 9 polegadas. Este fato fundamental para a soldagem, pois o
operador pode acompanhar de perto a realizao do cordo e atuar no sistema caso detecte alguma inconformidade.
Atualmente utiliza-se o teclado virtual do Windows para a entrada de dados. Entretanto este teclado no viabiliza
alterao em seu layout e devido ao tamanho reduzido de suas teclas, de difcil operacionalidade. Estuda-se ento o
desenvolvimento de um teclado virtual mais operacional. Isto acarretar na substituio do teclado convencional, o que
proporciona diminuio na quantidade de perifricos.
A programao das trajetrias do manipulador para a soldagem pode ser efetuada por modo de ensinamento. Este
modo de programao foi facilitado de forma significativa com o emprego de um controle USB. Junto com o pacote do
Mach3 tem-se um aplicativo denominado KeyGrabber, com o qual vivel a configurao de controles genricos e
encontrados em larga escala no mercado. A Fig (7) traz o controle aplicado nos testes e a tela de programao do
KeyGrabber.
A B
Figura 7. Em (A) controle usado para movimentao do manipulador e em (B) tela de configurao do
KeyGrabber.
No modo de programao por ensinamento possvel realizar a marcao de pontos e escolher a forma do
movimento entre os pontos. Em suma, no fundamentalmente necessrio que o deslocamento se d em uma linha reta,
sendo factvel a execuo de tecimento triangular, trapezoidal ou retangular. Para a soldagem, tal caracterstica
apresenta grande relevncia, uma vez que se consegue cordes com maior largura e menor altura. A Fig (8) ilustra as
trajetrias de um movimento em linha reta e outro com tecimento triangular, bem como os cordes realizados com cada
conjunto de parmetros.
A B
C D
Os testes de soldagem foram efetuados na posio plana com o Processo MIG convencional, de acordo com o
Welding Handbook (1991), e arame de ao comum com 1,2 mm de dimetro. Como gs de proteo usou-se Argnio +
25% de CO2 a uma vazo de 15 l/min. A velocidade de arame foi de 2,7 m/min e a corrente mdia manteve-se em 100
A.
Na Fig 8(C) o cordo foi realizado em linha reta, ou seja, sem tecimento. O referido cordo foi executado com
velocidade de soldagem de 20 cm/min e apresentou largura de 8mm e altura de 3 mm. J na Fig 8(D) utilizou-se
tecimento triangular com amplitude de 7mm, mantendo-se a velocidade de soldagem em 20 cm/min. A largura
apresentada neste segundo cordo foi de 12 mm e a altura foi 2 mm.
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Com a anlise do volume destes cordes, nota-se claramente que a quantidade de material depositado em um
determinado intervalo de tempo foi idntica em ambos os cordes. A vantagem do tecimento est em obter um cordo
mais largo e baixo, tornando-o mais atrativo para aplicaes de revestimento.
A seguir mostrado um teste de revestimento de superfcie. Os parmetros de soldagem empregados foram os
mesmos dos exemplos anteriores. Entretanto agora o manipulador foi programado para a realizao de cinco cordes
em seqncia. Na Fig 9(A) ilustra a trajetria a ser percorrida pelo manipulador no transcorrer da soldagem. J na Fig
9(B) mostrado o resultado do revestimento obtido.
Figura 9. Em (A) representao da trajetria de revestimento com tecimento triangular, em (B) revestimento
obtido com a trajetria com tecimento triangular.
4. CONCLUSES
A utilizao de um sistema de controle CNC baseado em microcomputador mostra-se uma opo segura e flexvel
para a operao do rob manipulador para a soldagem. O Mach3 no apresentou problemas de funcionamento,
principalmente no que diz respeito a potenciais interferncias causadas pelo processo de soldagem nos sinais de
comunicao da porta paralela.
O tempo dispensado ao desenvolvimento das funes de controle foi reduzido significativamente, o que torna
vantajoso o uso de tal sistema ao invs da implementao de um software dedicado. Com os conhecimentos adquiridos
at o momento tem-se subsdios para o controle de diferentes equipamentos, seja para outros robs cartesianos ou mesas
de corte.
Dado o sucesso do desenvolvimento at o presente estgio, pretende-se partir para a substituio do
microcomputador convencional por um sistema de controle embarcado, visando a diminuio do volume dos
perifricos. Est sendo iniciado o estudo de placas auxiliares que alteram a comunicao do Mach3 da porta paralela
para a porta USB. A vantagem do uso de tais placas est no aumento da confiabilidade do deslocamento, pois a
execuo do programa no fica dependente do microcomputador, alm de promover o aumento de sinais de sada e
entrada disponibilizados.
Objetiva-se tambm aprimorar novas tecnologias para a automao da soldagem como, por exemplo, o
desenvolvimento de um sistema de controle automtico de altura de tocha e aprimorar a integrao com sistemas de
CAD/CAM. Essa integrao promove facilidade para o corte de peas pelo processo plasma ou oxicorte.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a toda equipe do LABSOLDA pelo suporte tcnico, ao curso de Automao Industrial do
CEFET/SC pela pesquisa em conjunto, ao PRH-09 (Programa de Recursos Humanos) da ANP (Agncia Nacional do
Petrleo) e a TRACTEBEL Energia S/A pelo suporte financeiro.
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6. REFERNCIAS
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores so os nicos responsveis pelo contedo do material impresso includo no seu trabalho.
Abstract: The national scene, as it pertains to technology equipment geared to the process of manufacture, is poor, due
mainly to the fact the technologies are coming from outside. This considerably increases the cost of acquisition and
maintenance of machinery capable of improving the industry and research in academia. Thus, systems that provide low
cost and improve the manufacturing process, it's getting more attention of professionals in the area. In this context, this
work presents a study of application of CNC controller (Computerized Numeric Command) called Mach3 and control
system of a robotic manipulator, with servo drivers in its four joints, for the automation of welding applications in the
recovery of areas. The target of this line of research is to make interfaces more intuitive, facilitate interaction with
software for CAD (Computer Aided Design), thus enabling the planning of complex trajectories of welding without any
difficulty of programming. As the main attractions Mach3 has a graphical interface extremely flexible and may itself
create an environment dedicated to each process of welding. It also libraries to screen sensitive to the touch (touch
screen) and configuration of the device to learn (teach pendant) more intuitive that the computer keyboard. This CNC
controller does not present hardware but a program that runs on Windows environment, communicating with the
outside world through the parallel port. So if there is a need for a greater number of entries and / or exits, just install
gates parallel parts. The practical results of depositions by welding MIG / MAG, seeking evidence showing the strength
of control system and make the Mach3 as a possible solution in the control of new systems of displacement, as well as
technological adequacy (retrofitting) of mills lathes and technologically overcome.