Projeto Fresadora CNC de Baixo Custo
Projeto Fresadora CNC de Baixo Custo
Projeto Fresadora CNC de Baixo Custo
Rodrigo Silva
Rua Servidão João Manoel dos Santos, 203, Armação do Pântano do Sul, 88.066.347,
Florianópolis, SC, Brasil. E-mail: srssurfboards@hotmail.com
Resumo. As pranchas de surf são produzidas de forma manual por profissionais conhecidos como
shapers ou automática por fresadoras com comando numérico computadorizado. O processo
manual, além de ser demorado, apresenta problemas de simetria longitudinal e de repetitividade.
No processo automatizado estes problemas são minimizados, porém o custo para aquisição de uma
fresadora CNC dedicada a esta tarefa é elevado. Entre os componentes deste equipamento a
unidade de controle de movimento possui o custo mais significativo. Nesse contexto, o presente
trabalho trata do desenvolvimento e construção, para uma empresa local, de uma fresadora para
confecção de pranchas de surf acionada por um controlador CNC de baixo custo baseado em PC, o
DeskCNC®. Este trabalho inicia com uma descrição da estrutura mecânica da fresadora e do
sistema de fixação do bloco de poliuretano expandido. A seguir são apresentados as tecnologias
empregadas no acionamento dos eixos e os diagramas elétricos e eletrônicos de comando,
proteção, isolamento e adequação de sinal. Na seqüência é mostrado o potencial do programa
CAD/CAM, shape 3D® de procedência francesa, utilizado neste desenvolvimento para executar
respectivamente o design da prancha de surf e a geração dos comandos CNC em linguagem G. A
trajetória da ferramenta gerada é enviada de forma serial para a placa do controlador CNC que,
por sua vez, comanda a rotação do eixo árvore e os movimentos dos eixos X, Y e Z. Por fim, são
apresentados os resultados práticos de desempenho do equipamento.
1. INTRODUÇÃO
Conforme citado por Lacerda(1), o emprego de máquinas CNC em processos de fabricação teve
o objetivo inicial de buscar soluções que fornecessem um aumento de produtividade e qualidade.
Recentemente, em função da redução da vida útil dos produtos e das exigências do mercado
consumidor, surge também a necessidade de uma maior flexibilidade nesses equipamentos, para a
fabricação de poucas unidades com características dimensionais diferenciadas, além de geometrias
complexas.
Segundo Vandresen(2), a tecnologia CAD/CAM veio facilitar a programação de peças
complexas, diminuindo o tempo de programação e permitindo que fossem eliminados erros, ainda
na fase de projeto, minimizando assim retrabalhos e desperdícios de material bem como tempo de
máquina CNC. Além disso, esta ferramenta versátil permite a programação de peças que, pela sua
complexidade de formas, não poderiam ser fabricadas com facilidade utilizando recursos
convencionais.
Por suas características de flexibilidade e versatilidade citadas anteriormente, máquinas CNC
assumem um papel cada vez mais importante nas modernas empresas de fabricação. Entretanto, a
tecnologia CNC possui um custo elevado e, muitas vezes, se torna inviável a aquisição pelo
pequeno empresário, principalmente o do ramo de confecção de pranchas de surf. O
desenvolvimento de máquinas CNC que utilizam o mesmo princípio de funcionamento, mas com
tecnologias que proporcionam a redução de custos de fabricação e manutenção, contribui de forma
significativa para aumentar a competitividade das pequenas empresas do setor de fabricação.
A máquina CNC para usinagem de pranchas de surf desenvolvida e descrita neste trabalho,
Figura 1, apresenta as seguintes contribuições: placa do controlador de movimento de baixo custo
baseado em PC, uso de servo acionamento de corrente alternada no acionamento dos eixos
cartesianos e emprego de um drive de corrente alternada acionando em alta velocidade o motor de
indução do eixo árvore. Como vantagens estas tecnologias proporcionam à maquina CNC uma
excelente dinâmica diminuindo com isso o tempo de usinagem, uma maior confiabilidade e uma
redução nos custos de manutenção.
COMPUTADOR
PLACA DE RS 232 PLACA DE ISOLAMENTO
ISOLAMENTO DOS DOS
PLACA DESKCNC
SINAIS DE SAÍDA SINAIS DE ENTRADA
PLACA DE AMPLIFICAÇÃO
DOS SENSORES DE
SINAIS DE COMANDO LIMITES E DE HOME
PE
DOS EIXOS X,Y e Z
2. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO
(a) (b)
Figura 2. Fresadora CNC. Em (a), a máquina em operação e em (b), o painel elétrico e a IHM
O conceito final da máquina CNC desenvolvida baseia-se na configuração do tipo ponte rolante
(Gantry). Neste caso o bloco de poliuretano permanece parado enquanto a ferramenta executa os
movimentos de avanço X, Y e Z. Esta máquina, Figura 3, possui volume de trabalho de
3200x700x300 mm. Pranchas de surf tipo longboard com comprimento de até 3150 mm podem ser
trabalhadas graças à flexibilidade do sistema de fixação.
A estrutura de base é composta por módulos de tubos de aço soldados. Estes módulos são
integrados aos demais por flanges, uniões parafusadas. A opção por uma estrutura modular vem
atender os requisitos de flexibilidade, facilidade de transporte e alinhamento mecânico. A
flexibilidade dessa estrutura permite a obtenção de máquinas com diferentes comprimentos, cursos,
em tempos menores.
Na estrutura dos carros X, Y e Z foram empregados principalmente perfis em alumínio. Essa
solução mostrou-se muito viável, já que o esforço mecânico sobre essas estruturas é pequeno e o
tempo de mão de obra para a montagem é inferior a cinco por cento do tempo dedicado a estruturas
convencionais em aço.
Figura 3. Projeto mecânico da fresadora CNC com os sistemas de transmissão e de fixação do bloco
O carro X, maior curso, desliza sobre guias lineares do tipo trilho com patins. A transmissão de
movimento é realizada por dupla cremalheira e pinhão. Um redutor planetário acoplado ao servo
motor X foi empregado para estabelecer a correta relação de velocidades. O carro Y é acionado por
um fuso de esferas laminado e guiado por eixos lineares e um trilho linear para maior rigidez. O
carro Z é constituído de uma mesa deslizante comercial padrão. Um fuso de esferas laminado
aciona este eixo. Aqui, um freio eletromagnético de segurança foi instalado para imobilizar o eixo
em caso de falta de energia elétrica.
O sistema de fixação da prancha é em grande parte montado com perfis em alumínio e guias
lineares. O sistema permite a rápida mudança do lado a ser usinado e a sujeição inferior da prancha
através dos três cavaletes internos reguláveis. Nos dois apoios extremos um sistema de pinça
giratória foi desenvolvido especialmente para a aplicação. A pinça é acionada manualmente pelo
operador da máquina que ajusta a garra na extremidade da longarina da prancha. Essa longarina de
madeira possui uma sobra, lingüeta, dos dois lados que é sujeitada pelas garras.
Feito o desbaste do primeiro lado da prancha, os cavaletes internos são baixados e o giro da
pinça é liberado. O operador então, inverte a prancha girando-a em torno do seu eixo sem precisar
retirá-la das garras.
A Figura 4 mostra o circuito elétrico de potência desenvolvido para realizar o acionamento dos
eixos da fresadora. Este circuito é alimentado pela rede elétrica trifásica de 220/380 V - 60 Hz
através da chave comutadora tetrapolar CG.
Para o acionamento dos eixos cartesianos deste equipamento foi usado a tecnologia Panasonic(4)
de servo acionamento ca de baixo custo. Neste desenvolvimento foi empregado servo acionamento
de 750 W para o eixo X e de 400 W para os eixos Y e Z. Além da excelente característica torque
versus velocidade dos servos motores ca os parâmetros de controle de cada eixo são ajustados de
forma automática por um programa desenvolvido pelo próprio fabricante. Este processo de ajuste é
realizado da seguinte forma: primeiro o servo drive é conectado a um computador via porta serial, a
seguir no programa é informado o tipo de acoplamento do respectivo eixo e acionado a função de
auto parametrização, em seguida inicia-se no respectivo eixo um movimento oscilante lento de
pequeno curso e progressivamente a velocidade deste movimento aumenta até o valor nominal do
servo motor, finalmente o servo motor é desacionado e os ganhos da malha de controle são
apresentados e salvos no servo drive.
Para o acionamento do eixo árvore foi usado um drive ca, 3,7 kW – 0,1/400 Hz, de alto
desempenho da Delta Eletronics(5) associado à um motor de indução trifásico especial, 3,5 kW –
18.000 rpm – 300 Hz, do fabricante HSD.
Um circuito elétrico lógico de intertravamento, Figura 5, foi também construído com a função
de verificar o bom funcionamento dos eixos da máquina CNC. Caso os servos drives ou o drive do
eixo árvore ou o operador detecte um problema (sobrecarga, sub tensão, sobre tensão, aquecimento
excessivo, etc...), este circuito inibe a máquina CNC e aciona o freio eletromagnético FZ do eixo z,
evitando com isso uma possível inutilização do bloco de poliuretano. Este circuito também tem a
função de enviar ao controlador da máquina CNC os sinais de home dos eixos cartesianos durante o
referenciamento e o sinal de limite quando é ultrapassado o volume de trabalho do equipamento.
2.3. Programação
O programa CAD/CAM, Shape 3D®, é usado para executar o design da prancha de surf e
posteriormente a geração dos comandos CNC para a tarefa de usinagem do bloco.
O trabalho inicial do shaper consiste em especificar as dimensões e curvaturas da prancha de
surf. Isso pode ser realizado pela digitação dos valores desejados nas caixas de diálogo e/ou
arrastando os pontos de manipulação na área gráfica conforme mostra a Figura 7a.
A seguir este profissional visualiza, Figuras 7b e 7c, respectivamente as curvas limites e o
sólido da prancha de surf projetada. Com base nestas imagens o shaper poderá aperfeiçoar o design
da prancha de surf retornando para a tela da Figura 7a ou definir os parâmetros da usinagem para
gerar a trajetória da ferramenta, Figura 7d.
Na seqüência, é gerado o arquivo de usinagem da prancha de surf contendo os comandos CNC
em linguagem G e finalmente transferido, como arquivo de entrada, para o programa DeskCNC®.
O programa DeskCNC® reúne as funções de IHM e interpretador CNC, Figura 8. O software foi
desenvolvido inicialmente para aplicações “hobistas”. Várias melhorias introduzidas no software
nos últimos anos despertaram o interesse da indústria para aplicações mais profissionais. O software
roda em ambiente MS Windows® 98/Me/2k/XP sobre um PC padrão.
Os comandos de programação em linguagem G são interpretados, traduzidos em formato
proprietário e enviados a placa externa via comunicação serial RS232. Essa placa externa possui um
microcontrolador dedicado que gera de forma precisa os trens de pulsos para os servo drives e
comandos para saídas auxiliares.
Com o arquivo do programa CNC em mãos, o shaper inicializa o hardware CNC e em seguida
executa o programa DeskCNC®. Realiza-se o ciclo de referência da máquina, carrega-se o programa
CNC que é rapidamente simulado na área gráfica. Esta visualização das trajetórias de corte fornece
ao shaper mais uma facilidade de verificação e validação da saída do Shape 3D® .
(a) (b)
(c) (d)
Figura 7. Telas do programa Shape 3D®. Em (a), as vistas e dimensões; em (b), as curvas limites;
em (c), o sólido e em (d), a trajetória da ferramenta do lado superior da prancha de surf
3. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL
Para validar a fresadora CNC bem como o seu conceito foi usinado com uma ferramenta
cilíndrica de ponta esférica de 31 mm de diâmetro um bloco de 1752,6 mm de comprimento
conforme mostra a Figura 9.
Somente para a usinagem da longarina central de madeira foi aplicado uma velocidade menor de
avanço, 10 m/min. Nas demais regiões do bloco, usinagem do poliuretano expandido, foi possível
aplicar a velocidade máxima de avanço do equipamento, isto é: 20,8 m/min. O tempo total de
usinagem neste caso, lado superior mais lado inferior do bloco, foi de 11 minutos.
(a) (b)
Figura 9. Resultado obtido. Em (a), a foto do lado superior e em (b), a do lado inferior da prancha
Após a usinagem de ambos os lados do bloco, conforme mostra a Figura 9, mediu-se com uma
trena metálica, com resolução de 1 mm, o comprimento central do lado superior da prancha, ou seja,
o comprimento útil da curva interna da longarina de madeira. A diferença encontrada entre o
comprimento programado no software Shape-3D e esta medida foi menor que 1 mm.
A largura da prancha de surf do lado inferior foi medida com uma escala flexível, resolução de
0,5 mm, nas seguintes posições ao longo de seu comprimento: central, nas extremidades e a
304,8 mm das extremidades. Estas cinco medições de largura foram subtraídas dos respectivos
valores de largura provenientes do software Shape-3D resultando um erro máximo em módulo
menor que 0,5 mm.
Na seqüência, um shaper executou de forma rápida e manual o acabamento superficial final da
prancha de surf. Foram removidos, com uma lixa, somente as cristas deixada pelo processo de
usinagem. Cabe salientar que esta etapa manual pode ser eliminada através da definição no
programa Shape-3D de um valor menor de altura de crista desejada ou de um número maior de
linhas de usinagem. Neste caso, o tempo de usinagem e o consumo de energia serão maiores.
A seguir a prancha de surf foi cortada de forma transversal e perpendicular à longarina de
madeira nas posições central e a 304,8 mm das extremidades. Nestas três secções transversais foram
medidos a espessura da longarina central e as espessuras correspondentes as posições simétricas à
longarina central nas distâncias de: 25,4 mm, 50,8 mm e 101,6 mm. Estas 21 medições foram
realizadas através de um paquímetro digital, resolução de 0,01 mm e repetitividade de 0,1 mm, e
posteriormente subtraídas dos respectivos valores de espessura provenientes do software Shape-3D
resultando um erro máximo em módulo menor que 0,4 mm.
Com o objetivo de identificar problemas de simetria longitudinal foram subtraídos os valores de
espessura correspondentes as posições simétricas de cada secção transversal. Nas 9 posições
simétricas avaliadas o erro máximo em módulo foi menor que 0,3 mm.
4. CONCLUSÕES
5. AGRADECIMENTOS
1. LACERDA, H. B.; FILHO, J. B.; SIQUEIRA, I. L. Mesa xy para corte e solda de chapas
metálicas controlada pela porta USB. 3º COBEF, Joinville, 2005.
2. VANDRESEN, M. Fresamento de cavidades auxiliado por computador, na indústria de
moldes para plástico. 1997. 111f. Dissertação (Mestrado em Engenharia), Universidade Federal de
Santa Catarina, Florianópolis, 1997.
3. CARKEN CO. DeskCNC setup & operating manual. Disponível em:
<http://www.deskcnc.com/DeskCNCManual.pdf>. Acesso em: 20 de setembro de 2006.
4. PANASONIC. AC servo motor driver operating manual. Disponível em:
<http://www.industrial.panasonic.com/i_e/25000/minas_s_e.pdf#search=%22AC%20servo%20mot
or%20drive%20operating%20manual%22>. Acesso em: 22 de setembro de 2006.
5. DELTA ELETRONICS. VFD-B user manual. Disponível em: <
http://www.delta.com.tw/product/em/ac_motor/download/manual/VFD-B/5011025712-BE14.pdf>.
Acesso em: 22 de setembro de 2006.
Abstract. The surf boards are produced in a manual way, by professionals known as shapers, or
automatically on CNC shaping machines. The manual process, besides being slow, presents
problems of longitudinal symmetry and of repetitively. In the automated process these problems are
minimized, however the cost for the acquisition of a CNC shaping machine is elevated. Among the
components of this equipment the unit of movement control possesses the most significant cost. In
this context, the present work treats of the development and construction, for a local company, of a
CNC shaping machine for surf boards, commanded by a CNC controller of low cost, PC based, the
DeskCNC®. This work begins with the description of the mechanical structure of the CNC shaping
machine and of the fixation system for the block of expanded polyurethane. To follow are presented:
the technologies used to move the axes and the electric and electronic diagrams of command,
protection, isolation and sign adaptation. In the sequence the potential of the CAD/CAM program
is shown, shape 3D® of French origin, used in this development to execute the design of the surf
board and the generation of the CNC commands in g-language. The generated path of the tool is
sent in a serial way for the CNC controller that, in time, commands the rotation of the axis tree and
the movements of the axes X, Y and Z. Finally, the practical results of performance of the equipment
are presented.