luberth

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
ETEC “JORGE STREET”
TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM MECATRÔNICA
PLOTTER
Confecção de circuitos impressos
Amanda Titoneli
Fernando Augusto
João Vitor Araujo Lucena
Jonathas Freire Borges
Orientadores:
Prof. Carlos Alberto
Prof. Ivo Meireles
São Caetano do Sul - SP
2013
PLOTTER
Confecção de circuitos impressos
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como requisito parcial para
obtenção do Diploma Técnico em
Mecatrônica.
São Caetano do Sul - SP
2013
PLOTTER
Confecção de circuitos impressos
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como requisito parcial para
obtenção do Diploma Técnico em
Mecatrônica.
Data: __________________
Resultado: ______________
BANCA EXAMINADORA
Prof.: _______________________________________
____________________
Assinatura __________________________________
Prof.: _______________________________________
____________________
Assinatura __________________________________
Prof.: _______________________________________
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Assinatura __________________________________
Prof.: _______________________________________
Assinatura __________________________________
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À todos os professores, familiares e amigos que tiveram
paciência conosco, seja ensinando ou nos auxiliando a construir
este projeto.
E principalmente a nós, integrantes do grupo, que tivemos de
deixar de fazer nossas próprias vontades para poder dar cem
por cento de interesse e dedicação ao trabalho.
AGRADECIMENTOS
Aos nossos orientadores Carlos Alberto e Ivo Meireles pelo incentivo, simpatia
e auxílio às atividades e discussões sobre o andamento e normalização deste
Trabalho de Conclusão de Curso.
A Rodrigo Geraldi, parente do aluno João Vitor Lucena, que deu dicas
preciosas e nos auxiliou em processos da construção e montagem do plotter,
vendendo peças como rolamentos, fusos e motores com preços muito abaixo do
mercado que foram imprescindíveis para a conclusão deste projeto
A todos os demais professores pelo carinho, dedicação e entusiasmo
demonstrado ao longo das aulas lecionadas.
Aos nossos colegas de classe pelos bons momentos vividos e pela troca de
informações e conhecimentos numa demonstração rara de amizade que pudemos
criar durante o curso.
Às nossas famílias, pela paciência da nossa ausência e compreensão da
importância deste trabalho.
E a Deus, independente da religião dos integrantes do grupo, a ele que em
todos os momentos foi o mais pronunciado e que nos deu a oportunidade de estar
aqui hoje.
Se A é o sucesso, então A é igual a X
mais Y mais Z. O trabalho é igual a X; Y é
o lazer; e Z é manter a boca fechada.
Albert Einstein
RESUMO
O tema principal deste projeto consiste em um Plotter capaz de desenhar em
placas de circuito para utilização em outros projetos que envolvam eletrônica.
Devido à grande utilização de placas de circuito em diversas áreas, e ao demorado
processo de confecção destas, surgiu a ideia de se construir um plotter que
facilitasse esse processo, imprimindo as trilhas de circuito no fenolite (material
coberto de cobre, de que é feito as placas de circuito) bastando então apenas
remover o cobre restante.
Para a elaboração deste projeto foi construída uma estrutura mecânica
composta de três motores de passo, controlados por um circuito eletrônico
conectado a um computador através da porta paralela deste. Estes motores de
passo possuem a função de posicionar uma caneta através de dois eixos, de acordo
com a posição informada pelo computador. O desenho da placa é gerado por um
programa, e posteriormente este desenho é transcrito para uma linguagem chamada
"G Code". No computador foi instalado um software que interpreta um arquivo em "G
Code" e através deste transfere dados até o circuito dos motores, e este por sua vez
comanda os motores, desenhando assim a placa.
Este projeto resulta em um protótipo preciso e confiável o suficiente para a
tarefa a ele designada desde o inicio: imprimir trilhas em placas de circuito,
facilitando a confecção das mesmas.
Palavras-chave: Plotter CNC. Impressão em fenolite. Eletrônica. Circuitos.
ABSTRACT
The main theme of this project consists of a plotter able to draw on circuit
boards for use in other projects involving electronics. Due to the wide use of circuit
boards in several areas , and the lengthy process of making these , the idea of
building a plotter that facilitates this process by printing circuit tracks in phenolite
(material covered copper, which is made circuit boards) then just simply remove the
remaining copper .
To prepare this project was built a mechanical structure composed of three
stepper motors , controlled by an electronic circuit connected to a computer via the
parallel port this . These stepper motors have the function of pen position by two,
according to the position given by the computer. The design of the board is
generated by a program, and then this drawing is transcribed into a language called
"G Code." Was installed on the computer software that interprets a file on "G Code"
and transfers data through this loop until the engine , and this in turn drives the
engines , so the drawing board .
This design results in a prototype accurate and reliable enough for the task
assigned to it from the beginning: print tracks on circuit boards , facilitating the
making of them.
Key words: CNC Plotter. Printing phenolite. Electronics. Circuits.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Planilha de custos
22
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Plotter do Luiz
15
Figura 2 – Plotter do Luberth
15
Figura 3 – Estrutura mecânica
18
Figura 4 – Peças de movimentação
19
Figura 5 – Caneta acoplada ao solenoide
20
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS
08
LISTA DE FIGURAS
09
1. INTRODUÇÃO
12
2. OBJETIVOS E ESTUDO
13
2.1. Objetivo geral
13
2.2. Objetivos específicos
13
2.3. Delimitação do estudo
13
2.4. Relevância do estudo
13
2.5. Organização do trabalho
14
3. REVISÃO DA LITERATURA
15
4. PLOTTER
16
4.1. História
17
4.2. Como funciona
17
5. NOSSO PROJETO
18
5.1. Estrutura
18
5.2. Movimento
19
5.3. Funcionamento
19
5.4. Eletrônica
20
5.5. Software
21
6. ORÇAMENTO
22
7. CONCLUSÃO
23
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
24
APÊNDICE A – Cronograma
25
APÊNDICE B – FMEA de Processo
26
12
1. INTRODUÇÃO
O nosso projeto é direcionado para o profissional que necessita fabricar
placas com circuitos impressos em pequena escala, pois o processo que se usa
atualmente (foto transferência) demanda muitos cuidados e tempo, sendo que o
resultado final não possui uma qualidade comparável ao de um plotter.
O plotter será aplicado com o objetivo de melhorar o custo beneficio de outros
projetos
que
envolvam
circuitos
eletrônicos,
já
que
cada
vez
mais
o
comerciante/usuário precisa de ganho de tempo e de dinheiro para realizar suas
tarefas.
Então o plotter fará circuitos eletrônicos impressos, cuja função é melhorar a
qualidade da placa em si, com as trilhas e ilhas bem traçadas, para depois estas
placas serem utilizadas em outros projetos.
13
2. OBJETIVOS E ESTUDO
2.1. Objetivo geral
O objetivo geral do nosso projeto é construir um equipamento capaz de
confeccionar placas de circuitos impressos, também como propor uma melhoria no
custo benefício de outros projetos que necessitem de placas eletrônicas. Ou seja, se
algum projeto/máquina possui parte eletrônicas (placas, circuitos, etc) será
necessário elaborar o layout das placas. O plotter é utilizado no momento em que se
quer transferir o layout do computador, feito em softwares como Eagle e Proteus,
para as placas de fenolite ou fibra que são revestidas por uma camada de cobre.
2.2. Objetivos específicos
Pretendemos alcançar com este projeto uma maior facilidade e rapidez na
construção de placas para o profissional. Mas não somente isso, pois a plotter pode
imprimir qualquer tipo de desenho em qualquer superfície plana que caiba dentro da
área de desenho.
A estrutura mecânica, bem como a eletrônica envolvida no projeto resultaram
em um protótipo de alta confiança na confecção das placas.
2.3. Delimitação do estudo
A delimitação do trabalho é, em geral, uma seção negativa. A limitação do
projeto é que na plotter só poderão ser realizados desenhos (impressões) em
superfícies planas não muito finas (seja qual for o material a utilizado), pois a fixação
da mesma poderá entortar por causa da pressão da caneta.
O bloco do eixo X poderá receber um suporte para fixação de uma mini retífica,
porém o projeto não é preparado para isso, a plotter possui um solenoide fixado no
bloco que realiza o movimento de subida e descida da caneta.
2.4. Relevância do estudo
No terceiro módulo do curso tivemos a disciplina de Planejamento de TCC
(PTCC) com o professor Carlos Alberto, nas aulas surgiu uma pergunta: O que
poderíamos fazer como TCC? Logicamente várias ideias surgiram em nossas
14
cabeças, um motor à ar, pulseiras eletromagnéticas que impedem o sinal do
telefone, um cigarro eletrônico e uma plotter. Contudo um dos integrantes que
abandonou o curso no final do 3º módulo, Marcos Batista, trabalhava a um tempo na
área de eletrônica, e sua empresa fabricava placas que necessitam de perfeição e
paciência. Ele nos perguntou se por um acaso não gostaríamos de fazer a mesa
coordenada, mas que ela pudesse ser feita para facilitar esta parte de precisão
neste trabalho. Abordamos a ideia e encontramos outras pessoas, que como ele,
precisavam da mesma função. Com pesquisas na internet, descobrimos sites de
pessoas que fizeram seus próprios plotters e que eram bem utilizadas e de acordo
com a ideia que tivemos inicialmente sobre a mesa coordenada. Seguimos com a
pesquisa e descobrimos que todas as peçam podem ser encontradas com facilidade
e que o custo dessas peças não ficaria caro para os integrantes do grupo como
seria, por exemplo, o motor movido a ar.
Toda a pesquisa foi feita e quando se início o último módulo do curso esse
aluno desistiu e ficamos fazendo o projeto sem um integrante que possuía
conhecimento de toda a parte eletrônica e de programação do projeto.
2.5. Organização do trabalho
Cada capítulo dentro deste trabalho tem como objetivo explicar e demonstrar o
funcionamento e a construção do projeto – plotter. Os primeiros capítulos visam
explicar como foi feita a pesquisa e a monografia (parte escrita), relacionando os
objetivos e estudos envolvidos. O quarto capítulo (PLOTTER) é divido em dois sub
capítulos explicativos sobre a história e o funcionamento de todas as plotters.
15
3. REVISÃO DA LITERATURA
A revisão da literatura refere-se à fundamentação teórica adotada para tratar o
problema de pesquisa.
O estudo do projeto foi baseado em plotters caseiras já existentes que foram
feitas por pessoas que necessitavam de um trabalho com boa qualidade e sem
muito gasto de tempo. O projeto mais conhecido nesta área é a “Plotter do Luiz” que
foi feita somente com sucatas encontradas em impressoras antigas e sem uso, o
Luiz (inventor) não possuía conhecimento algum sobre o assunto e só construiu sua
plotter com o auxílio de outras pessoas que respondiam suas perguntas em fóruns
sobre mecânica e eletrônica.
Outro projeto bastante conhecido por possuir uma programação e uma estrutura
bem elaborada é a “Plotter do Luberth”, mas seu trabalho foi mais acessível pois ele
já possuía conhecimentos sobre plotters.
Figura 1 – Plotter do Luiz
Figura 2 – Plotter do Luberth
As duas plotters utilizam sistema de correias e polias para a transmissão do
movimento, porém este tipo de transmissão possui diversos problemas que fez com
que o grupo tomasse a decisão de utilizar barras roscadas/fusos.
A transmissão feita por fusos dá ao projeto uma maior precisão e não está
sujeita a folgas como seria no caso de correias, onde deveríamos tencioná-las para
manter sua precisão.
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4. PLOTTER
Um plotter ou lutther é uma impressora destinada a imprimir desenhos em
grandes dimensões, com elevada qualidade e rigor, como por exemplo mapas
cartográficos, projetos de engenharia e grafismo.
Primeiramente destinados a impressão de desenhos vetoriais, atualmente
encontram-se em avançado estado de evolução, permitindo impressão de imagens
em grande formato com qualidade fotográfica, chegando a 3560 dpi de resolução.
Conhecidos como plotters de impressão, não dão saída como as impressoras
desktop convencionais, utilizando programas específicos que aceitam arquivos
convencionais de imagem como TIF, JPG, DWG, EPS e outros. Essas impressoras
podem usar diversos suportes como papel comum, fotográfico, película, Vegetal,
auto adesivos, lonas e tecidos especiais. Com o passar dos anos aumentaram de
tamanho e de qualidade. Existindo várias marcas para o mesmo fim, ou seja,
impressão. O que difere um de outro são a velocidade, existindo impressoras com
capacidade de impressão de até 110 m² hora e as cabeças de impressão tais como
XAAR, Konica Minolta, Spectra, HP. Também aumentaram de tamanho com
capacidade de até 5 metros de largura de boca de impressão. Esse tipo de máquina
facilita e muito a vida de empresas de comunicação visual atingindo alto grau de
qualidade e facilidade de logística devido a capacidade de impressão. No mundo
atual é necessário velocidade e as máquinas de grande formato (não possuem
recorte conjugado)são as que mais facilitam o trabalho. Mas além dos de grande
formato existem no mercado os plotters de impressão com recorte conjugado como
a Roland SC-500. Essas máquinas após a impressão recortam o adesivo ficando
pronto o material em minutos o que antes tinha de ser feito com equipamentos
separados.
Outra variação é o plotter de recorte, na qual uma lâmina recorta adesivos de
acordo com o que foi desenhado previamente no computador, através de
um programa vetorial. É indicado para recorte de vinil no mercado de sinalização,
comunicação visual, serigráfico, indústria têxtil, indústria de vidros e no de brindes
promocionais. Vários materiais podem ser utilizados tais como o vinil adesivo, vinil
adesivo refletivo, filmes rubi ou âmbar, flock térmico, sand blast entre outros.
O plotter de recorte também pode ser usado para recortar placas de pvc, acrílico
entre outros materiais muito usados em comunicação visual.
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4.1. História
Os plotters sugiram com a necessidade de Engenheiros, Arquitetos, Cientistas e
Técnicos tinham de obter impressões confiáveis e precisas, das quais poderiam se
"extrair" medidas ou distâncias, por exemplo, com uso de escalímetros
Os primeiros plotters utilizavam canetas, ou penas, como eram mais conhecidas.
Nos anos 70, os plotters a pena eram a única forma de obter uma impressão de alta
resolução e precisão. Nesta época a resolução das impressoras gráficas variavam
de 72 a 100 dpi. Mas os primeiros plotters a pena da HP conseguiam resoluções de
1000 dpi.
4.2. Como funciona
Existem dois tipos principais de plotters para impressão: plotter de mesa e
plotters de bateria. Plotters de mesa usam um sistema onde o papel (matéria a ser
impresso) é fixo e a caneta é movida para cima e para baixo, esquerda e direita para
desenhar as marcas necessárias. O outros tipo, plotter de bateria, possui um tambor
giratório que permite ter diferentes cores no desenho.
Plotters trabalham em conjunto com softwares CAD no computador, para a saída
mecânica necessária para o deslocamento da caneta, em comparação com outros
tipos de impressoras, tais como de jato de tinta e impressoras a laser.
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5. NOSSO PROJETO
A pesquisa feita pelos integrantes do grupo durante o primeiro semestre de 2013
resultou em um projeto de um plotter – impressora CNC – que realizará a confecção
de placas de circuitos impressos sendo elas de fenolite ou fibra de vidro que podem
ser utilizadas em outros projetos eletrônicos.
5.1. Estrutura
Todo o projeto foi feito em alumínio para maior comodidade no transporte e
agilidade na montagem. Com espessura de 15mm, as chapas dão à estrutura
bastante firmeza, sem trepidação, que poderia causar o desalinhamento dos eixos,
resultando em uma impressão sem precisão.
Figura 3 – Estrutura mecânica
Com duas chapas em “U” para a fixação das laterais e três peças de
movimentação, podemos assimilar a plotter a uma mesa coordenada X Y, sendo o
eixo Z a caneta acoplada a um solenoide por meio de um suporte.
As chapas foram fixadas através de parafusos Allen e as peças de
movimentação possuem rolamentos lineares e buchas para o deslocamento.
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5.2. Movimento
O movimento das peças é feito através de fusos de 16mm de diâmetro
juntamente com buchas fixadas dentro dos furos. Para a sustentação das peças de
movimentos é utilizado eixos lineares retificados (Aço 1045) de 12mm de diâmetro
com rolamentos lineares SKF dentro dos furos.
Figura 4 – Peças de movimentação
Utilizamos serviços terceirizados para a confecção dos furos e das buchas para
as peças de movimentação devido a alta precisão necessária para o bom
funcionamento do plotter..
Para movimentar os fusos foi utilizado três motores de passo MINIBEA 23KM
C051 e foram acoplados através de pedaços de mangueiras e abraçadeiras aos
fusos que tiveram suas pontas usinadas no torno mecânico da escola.
5.3. Funcionamento
O plotter possui eixos de movimentação X Y e um solenoide que auxilia a caneta
no seu movimento de subida e descida. Estes eixos delimitam a área desenho
(300x245mm) e a caneta ficará a uma altura de poucos milímetros da placa, quando
for preciso traçar as trilhas o solenoide será ativado e a caneta descerá, a partir
desse momento os motores receberam o sinal do computador através de uma
conexão paralela (DB25) e o desenho será realizado. No momento em que a caneta
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é levantada, o solenoide é desativado (zero volts) e a caneta subirá com o auxilio de
uma mola presa no solenoide.
Figura 5 – Caneta acoplada ao solenoide
Como é visto na figura 5, todo o esquema do solenoide (solenoide, suporte e
caneta) foi fixado no bloco X através de fita dupla-face de alta fixação, sendo
possível a sua remoção para colocar em outra parte do bloco e assim realizar uma
tarefa que necessite maior área de desenho.
5.4. Eletrônica
Cada motor de passo possui uma interface de potência para amplificar o sinal
enviado do computador, esse sinal é enviado através de uma conexão paralela,
utilizando o cabo DB25. Foi utilizado este tipo de conexão pois é necessário no
mínimo:
 Oito saídas para as interfaces de potência;
 Uma saída para o comando do solenoide;
 Uma saída para cada sensor fim de curso;
Como precisamos dessas saídas para o funcionamento da plotter não seria
possível utilizar uma conexão serial (DB9), pois elas possuem somente nove pinos.
Os sensores fins de curso são necessários para delimitar a área de desenho e
para, no caso de um erro de programação os blocos colidirem com a estrutura, os
sensores serão ativados e desligarão os motores, paralisando toda a plotter.
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Os cabos dos motores de passo, dos sensores fim de curso e das placas
eletrônicas foram fixados na estrutura do projeto através de abraçadeiras de nylon,
facilitando sua locomoção e dando uma visão mais limpa do plotter.
5.5. Software
O software e a programação usada no projeto do Plotter serve para enviar as
coordenadas (“G Code”) para os motores de passo, e assim realizar a confecção
dos circuitos impressos.
O layout do circuito desejado deve ser feitos através de programas apropriados
para tal tarefa (Eagle ou Proteus), após o layout ser feito o mesmo deverá ser salvo
em formato BMP (Bitmap), DXF (Drawing Exchange Format) ou PLT (Plotter) para
outro software poder transformar a imagem em “G Code”, que é um sistema de
coordenas (O software trabalha com um sistema de vetores X, Y e Z).
O mesmo programa que cria o “G Code” pode também enviar os sinais para a
placa lógica e para os motores de passo, realizando o desenho.
Vários softwares foram testados, dentre eles podemos citar o Mach3 CNC,
Turbo CNC, EMC2 (operam em sistemas operacionais diferentes). Porém os que
mais nos adaptamos possuem licença para serem utilizados; estamos a procura de
softwares free-ware, caso contrário usaremos os anteriores.
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6. ORÇAMENTO
O custo do projeto foi relativamente alto em relação aos demais projetos do
curso de Mecatrônica (4º CN – 2º Sem 2013). Para mantermos a organização do
orçamento e custos de todas as peças foi elaborada uma Planilha de custos, onde
constam todos os gastos do projeto.
Tabela 1 – Planilha de custos
O custo do projeto foi de R$700 aproximadamente, dividindo o custo entre os
integrantes resultou em R$175 aproximadamente cada. Não foi incluso na planilha
todos os componentes, como o computador, já que ele foi emprestado pela aluna
Amanda Titoneli.
A configuração do computado aceita os softwares necessários (Windows XP) e
usaremos ele pelo motivo de possuir a porta paralela (DB25).
23
7. CONCLUSÃO
O objetivo de fazer um plotter para confeccionar placas de circuitos impressos
foi alcançado. Com este projeto a fabricação de placas para pequenos projetos será
bem mais viável e fácil, como um melhor custo beneficio já que demanda menos
tempo e a qualidade final da placa será superior do que feita manualmente.
Apesar das dificuldades encontradas com a construção e montagem do projeto
foi possível concluir a estrutura inteira da plotter no prazo estipulado. Para a
finalização do projeto completo falta somente uma placa de controle, que receberá o
sinal do computador e enviará para as interfaces dos motores, temos a certeza que
concluiremos essa etapa antes da apresentação do projeto na EXCUTE, em
Dezembro, pois a placa já está sendo confeccionada e após isto será testada
juntamente com todo o projeto.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GOZZI, Giuseppe G. M. Eletrônica: máquinas e instalações elétricas / Giuseppe
Giovanni Massimo Gozzi, Tera Miho Shiozaki Parede (autores); Edson Horta
(coautor) - São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011. (Coleção Técnica Interativa.
Série Eletrônica, v.3).
CRESSONI, Luiz. Plotter feito em casa. Disponível em: http://www.quartzo.net/
eletronica/projetos/conteudo/plotter/. Acesso em: Várias datas ao longo do projeto.
LUBERTH. Home Build Hobby Plotter. Disponível em: http://www.luberth.com/
plotter/ditwasplotter.htm. Acesso em: Várias datas ao longo do projeto.
Controle de motor de passo através da porta paralela. ROGERCOM. Disponível em:
http://www.rogercom.com/pparalela/IntroMotorPasso.htm. Acesso em: Várias datas
ao longo do projeto.
Construindo seu plotter controlado via porta paralela. Disponível em:
http://www.protoplotter.com.br/Tutorial.pdf. Acesso em: Várias datas ao longo do
projeto.
Maxplot. Disponível em: http://www.maxplot.com.br/site/?p=141. Acesso em: Várias
datas ao longo do projeto.
Plotter do Luiz (Plotagem, corrosão e montagem de uma PCI). YOUTUBE.
Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=urdGK0MIo0U. Acesso em: Várias
datas ao longo do projeto.
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APÊNDICE A – Cronograma
1ª Sem
2ª Sem
3ª Sem
4ª Sem
MAIO
Estudo elevado do projeto
Desenvolvimento da Prémonografia
JUNHO
Pesquisa de preços e componentes
AGOSTO
Desenvolvimento do projeto em AutoCAD e SketchUp
SETEMBRO
Compra das peças da estrutura
OUTUBRO
Usinagem das peças da
estrutura e montagem
Desenvolvimento da parte
escrita e apresentação do
TCC
Pesquisa de softwares e da
parte eletrônica
Banca avaliadora
NOVEMBRO
26
APÊNDICE B – FMEA