Circuitos de Controle de uma Fresa para Confecção de Placas de

Circuitos de Controle de uma Fresa para Confecção de Placas de
Circuito Impresso
RODRIGUES, Eliane de Campos (1)
LIMA, Stephani Belém de (2)
SILVA, Tony Inácio da (3)
(1) Depto. de eletro-eletrônica, CEFET-MT, Cuiabá – MT, [email protected]
(2) Depto. de eletro-eletrônica, CEFET-MT, Cuiabá - MT, [email protected]
(3) Departamento de Eletro-Eletrônica, CEFET - MT, Cuiabá - MT, [email protected]
Resumo: O projeto se propõe a implementar uma fresa
para placa de circuito impresso, baseada em um braço
com movimentação nos 3 eixos, acionada por meio de
motores de passo; interface de comunicação USB
microcontrolada para a recepção de dados para corrosão
de uma placa. Esses motores são controlados por meio
de interface de controle, que interliga um processador
aos enrolamentos. A interface utilizada é formada por
transistores em configuração darlington. O MCU a ser
utilizado possuirá uma rotina que interpretará os dados
enviados pelo microcontrolador acionando os 3
motores, fazendo com que a fresadora alcance seu
objetivo.
Palavras chave: Motor de Passo, Configuração
Darlington, Fresadora.
1. Introdução
Este projeto se baseia na necessidade de
confecção de placas de circuito impresso em nível
de protótipo, poucas unidades, para pequenos
projetos e pesquisa científica, de forma precisa e
funcional, com aplicação ideal para a realidade do
CEFET-MT.
Após desenvolvimento do projeto de um
equipamento eletroeletrônico existe a necessidade
de se confeccionar protótipo das placas de circuito
impresso para comprovar seu funcionamento, bem
como para demais ajustes. Este projeto visa colocar
à disposição dos discentes e professores do
CEFET-MT, uma fresa de prototipagem rápida de
Placas de Circuito Impresso.
Um equipamento desta natureza no mercado
possui valor em mais de U$ 6.000,00.
Trata-se de um produto com alto valor
agregado, alta tecnologia, modernidade e
praticidade, o que resultará em precisão, rapidez e
baixo custo na confecção de qualquer placa de
circuito impresso face simples e dupla face
metalizada em material fibra de vidro ou fenolite,
disponível para todo o CEFET-MT.
1.1. Placas de Circuito Impresso
A eletrônica passou por diversas fases, e uma
delas foi a adoção da placa de circuito impresso
como suporte a circuito eletro-eletrônicos. As
vantagens de uma montagem numa placa de
circuito impresso são: baixo peso e volume;
simples;
mecanicamente
robusta;
grande
resistência à vibrações; baixo custo, etc.
O circuito impresso refere-se ao circuito
estampado na placa, que substitui a fiação na
interligação de componentes ou circuitos, e é
conhecido como lay-out da placa. Pista ou trilha é
o que realmente corresponde ao fio de ligação,
possui uma espessura de aproximadamente
0,035mm, e deve ser dimensionada de acordo com
uma corrente do circuito. Este dimensionamento é
realizado pelo projetista da placa, e seu desenho é
realizado por softwares específicos, tais como
CircuitMaker, OrCAD, Tango, etc.
Manualmente, uma placa de circuito impresso
passa por alguns passos para sua confecção, que,
salvo pequenas variações, são:
• corte da placa no tamanho específico;
• limpeza da placa;
• furação;
• traçagem do circuito desejado;
• corrosão
• limpeza final
Com exceção dos passos 1 e 6, o projeto
proposto possibilitará a retirada dos demais passos,
realizando o serviço com maior rapidez e precisão.
Em alguns casos, traçar o circuito a ser
utilizado na placa exige, dependendo do método
adotado, xérox do circuito, carbono, papeis
especiais (papel glossy por exemplo), caneta para
retroprogetor, impressora laser, ferro de passar
roupa ou pressa térmica, enfim, diversos
equipamentos e métodos. Mas a origem de um
bom circuito impresso é uma só: softwares de
desenho específicos, como os já citados, mas
repassar este desenho para a placa do circuito, com
precisão e rapidez, é onde estão as maiores
dificuldades técnicas.
A parte do processo mais inconveniente, na
maioria dos casos, é a corrosão, um processo
químico, demorado, perigoso, com grandes
chances de adulterar a espessura da trilha,
comprometendo o calculo da corrente do circuito,
entre outros problemas. Além destas dificuldades,
existe um problema de armazenamento da solução
de Cloreto Férrico (FeC1), mais conhecido como
Percloreto de Ferro, pois é corrosivo, pode causar
manchas em roupas e aos objetos utilizados em sua
manipulação, e seu poder de corrosão diminui com
o uso.
Este processo manual de manufatura da placa
de circuito impresso dificulta em muito a
confecção de placas mais elaboradas, tais com as
de dupla face, ou mesmo face simples, porém de
dimensões maiores.
•
•
•
•
•
•
protótipos de PCIs face-dupla;
motor de 42 mil RPM;
permite acoplar uma câmera opcional
de reconhecimento fiducial;
comunicação RS-232 padrão ou USB;
programa LPKF CircuitCAM Lite;
Preço - €6,990, na Alenhama [1].
1.3. Projeto Proposto
Este projeto se propõem a implementar uma
fresa para placas de circuito impresso, baseada em
um braço com movimentação em três eixos,
acionado por meio de motores de passo; interface
de comunicação USB microcontrolada, para
recepção de dados para corrosão da placa de um
microcomputador, e software a ser implementado
para controle e comunicação de dados com o
microcontrolador.
Este tipo de equipamento já foi desenvolvido
em diversos ambientes universitários, e como
exemplo, cita-se o Projeto da USP, como mostra a
Figura 1.
1.2. Prototipagem Rápida
A prototipagem rápida possibilita confecção de
placas de circuito impresso a partir de desenhos
gerados em softwares voltados para esta finalidade.
Através do desenho do lay-out da placa é gerado
um pacote de arquivos GERBER, que são
importados por um software CAM, e assim pode
ser é transmitido diretamente para a máquina CNC
- fresa. A máquina confecciona toda a placa, sem a
necessidade da produção de fotolitos. Abaixo
segue os passos para a confecção dos protótipos:
• Análise e geração de arquivos
GERBER e CAM;
• Furação Automática: as máquinas
comerciais possuem velocidade média
1 furo/segundo;
• Fresa das Trilhas: este processo
depende das trilhas, disposição e
tamanho da placa.
Uma máquina de última geração produzida
especialmente para esta finalidade, tem as
seguintes características:
• Modelo: Prototipadora ProtoMat® S42;
da LPKF Laser & Electronics;
Figura 1 – Fotos da mini Fresa CNC construída pelos
alunos de Engenharia Mecatrônica da USP, no ano de
2002 [2].
Para se obter sucesso na construção dessa
fresadora teve-se a necessidade de montar
circuitos, tais como:
• Configuração Darlington;
• Gravador do PIC 16F876A;
2. Fundamentação Teórica
2.1. Configuração Darlington
Esta configuração é capaz de proporcionar alta
impedância de entrada e alto ganho de corrente. Os
coletores dos dois transistores ficam interligados, e
o emissor do primeiro é conectado a base do
segundo. O ganho total do Darlington é produto
dos transistores individuais [3].
beta D = beta1 * beta2
A Figura 2 ilustra a configuração Darlington.
Figura 4 – Estrutura interna de um motor de passo [5].
Figura 2 - Configuração Darlington.
2.3. Gravador de Microcontrolador
2.2. Motor de passo
O motor de passo é um dispositivo mecânico
eletromagnético que pode ser controlado
digitalmente através de um hardware específico e
software.
Para essa operação neste projeto são fatores
importantes o torque, a precisão e a velocidade
com que o motor opera.
Ele possui seis fios onde 02 são interligados,
chamados de comum, esse são considerados o
positivo do motor e os quatro demais indicam a
rotação do mesmo, determinada a partir da
seqüência única que deve ser observada em cada
motor.
Existem características importantes para se
conseguir controlar o motor, além das descritas
anteriormente que servem para sua operação, são
elas a tensão de alimentação e a corrente que cada
bobina suporta. A Figura 3 e 4 ilustram a estrutura
interna de um motor de passo.
O referido gravador é um circuito que ao ser
conectado a um microcontrolador (por uma porta
serial, paralela ou USB) organiza e converte sinais
digitais de um computador fazendo com que as
informações,
codificadas
em
números
hexadecimais e passadas na forma de impulsos
elétricos. E assim, sejam armazenadas no
microcontrolador. A Figura 5 ilustra o circuito
utilizado.
Através desse feito, o microcontrolador fará
com que o motor de passo gire em qualquer um
dos sentidos desejados e o motor girando fará com
que a fresadora alcance seu objetivo traçando as
trihas na placa desejada.
Figura 5 – Ciruito do gravador de MCU utilizado [6].
2.4. Turbo CNC
Figura 3 – Estrutura interna de um motor de passo [4].
O turbo CNC é um programa dentre vários
usados para controlar máquinas. Para controlar a
máquina, é necessário que se use um programa no
computador que vai mandar os comandos para a
placa que controla os motores de passo da fresa,
por esse motivo pelo fato do turbo CNC ser um
programa leve e com possibilidade de manuseio
em qualquer máquina seja ela obsoleta ou não
substituiu-se o gravador de microcontrolador por
ele.
O turbo CNC interpreta linguagem G que dita
as ações que a máquina deve executar, entretanto
não é necessário dominar toda linguagem G para
controlá-lo.
Abaixo o desenho do esquema do circuito da
configuração darlington e do motor de passo no
trax maker.
3. Materiais e Métodos
3.1. Configuração Darlington
Esta configuração foi utilizada para acionar o
motor de passo, conforme é mostrado na Figura 6 e
07.
Figura08–configuração darlington com os
três motores
3.2. Motor de passo
Figura 6 – Montagem do circuito com configuração
Darlington para acionamento do Motor de passo.
O motor de passo utilizado foi retirado de um
impressora em desuso, e servirá para testes. Está
ilustrado na Figura 6.
3.3. Gravador de Microcontrolador
Para montagem do gravador foram utilizados os
seguintes componentes, conforme Figura 5.
• Protoboard;
• Transistores;
• Resistores;
• Lead’s;
• Capacitores;
• CI 74LS04;
• Microcontrolador.
As experiências foram realizadas nos
laboratórios 11 e 09, utilizando as bancadas e os
aparelhos de fonte de tensão.
Figura 07- Montagem do motor de passo com a
configuração darlington.
3.4. Interface de Comunicação
É uma placa que recebe os comandos do
computador (turbo CNC) e que manda para os
motores de passos da máquina para que este realize
o movimento desejado. A Figura 7 ilustra o
circuito parcial da interface a ser implementada.
20/12/2007.
[2] http://www.vabsco.com/bardhp/, acessado em
20/12/2007.
[3] http://www.demic.fee.unicamp.br/~elnatan/
ee640/20a%20Aula.pdf,
acessado
em
27/02/2008.
[4] http://almhpg.com/apo_arquivos/ampop/
ampop.htm, acessado em 25/02/2008.
[5] http://www.feiradeciencias.com.br, acessado
em 20/05/2008.
[6] http://www.pablin.com.ar/electron/circuito/
mc/ppp2/index.htm, acesso em 28/02/2008.
[7] http://www.hobbys.com.br/fresacnc.htm
acessado em 31 de julho às 16:20.
[8] http://pt.wikipedia.org/wiki/Interface_paralela
acessado em 01/08/2008 às 9:10.
Figura 7 – Interface de comunicação.
4. Resultados e Discussões
Os resultados obtidos até o momento foram
satisfatórios, pois os objetivos estão sendo
alcançados com sucesso, tais como:
• Rotação do motor de passo e controle
de sua posição.
• Funcionamento do gravador do
microcontrolador.
5. Conclusões
O desenvolvimento da fresa está sendo
realizada com sucesso a fim de atender à
instituição de ensino, fazendo com a mesma se
beneficie da comodidade proporcionada pela
máquina através de um baixo custo e de uma
conseqüente rapidez ofertada pela referida
máquina.
6. Agradecimentos
Agradecemos a FAPEMAT – Fundação de
Amparo à Pesquisa do Estado de Mato Grosso, e
ao CEFET-MT – Centro Federal de Educação
Tecnológica pelo aporte financeiro a este trabalho.
7. Referências Bibliográficas
[1] http://www.anacom.com.br/central/noticias/
noticia/?n=00000000068 , acessado em