Esta é a segunda parte de uma série de 3 artigos sobre 5 Passos para NÃO ERRAR na escolha do motor de passo da sua CNC
Caso você ainda não tenha visto a primeira parte, é só clicar aqui!
Recomendo fortemente que você inicie a leitura pela primeira parte, pois lá esclarecemos pontos importantes sobre uma visão mais geral do processo de seleção do motor de passo para um sistema.
Este artigo começa com a organização dos dados para os cálculos que vamos apresentar na terceira parte do artigo e também no e-book. Caso você queira saber mais sobre o e-book clique aqui.
Vamos então organizar os dados das respostas das 4 perguntas chave respondidas anteriormente em uma tabela e aproveitar para acrescentar outros dados fundamentais para complementam o que eu chamo dados de entrada para uma boa seleção de motores de passo.
Uma prática que eu uso e recomendo é criar diagramas que representem o sistema. Isso ajuda muito no nosso próprio entendimento sobre o que estamos projetando e também na comunicação com as outras pessoas que participam disso conosco. Além, é claro, de ajudar a ilustrar os dados de entrada.
Na imagem abaixo podemos ver um diagrama simplificado do sistema. Mas não se engane com a palavra simplificado, quando unimos o diagrama com a tabela de dados de entrada, temos na mão uma ferramenta poderosa que ajuda salvar tempo, melhorar a comunicação e evita que partes importantes do projeto sejam negligenciadas.
| Massa total da mesa | m = 40 [kg] |
| Coeficiente de atrito da guia linear | ? = 0,003 |
| Eficiência do fuso de esferas | ? = 0,9 |
| Coeficiente de atrito interno da pré carga da castanha | ?0 = 0,3 |
| Diâmetro do fuso de esferas | DB = 25 [mm] |
| Comprimento total do fuso de esferas | LB = 1400 [mm] |
| Material do fuso de esferas | Aço (densidade ? = 7,9 x 103 [kg/m3] |
| Passo do fuso de esferas | PB = 10 [mm] |
| Resolução desejada (feed per pulse) | ?l = 0,03 [mm/passo] |
| Avanço | l = 180 [mm] |
| Tempo de posicionamento | t0 = dentro de 0,8 [s] |
| Angulo de inclinação do fuso | ? = 0 [º] |
Com esta tabela já pronta é possível iniciar os cálculos necessários para encontrar os valores de referência para o projeto.
Após uma grande reflexão sobre qual a importância do cálculo e da teoria dentro do compromisso que eu assumi com você, de dividir as sacadas e experiências que eu tive quando passei por esse processo, percebi que deveria abordar com mais detalhes o que aconteceu na prática.
Como engenheiro, acredito fortemente que um bom produto começa com uma boa ideia e um projeto, mas acredito também que nenhum plano sobrevive ao campo de batalhas e que tudo deve ser ajustado com o avanço dos trabalhos. Harmonizar essas duas idéias que parecem conflitantes pode parecer estranho, mas o que temos na verdade são idéias complementares e podem ajudar a expandir a nossa mente além da teoria e das fórmulas matemáticas.
Se você está dedicando algum tempo para ler esta série de artigos e assistir ao vídeos, é porque você quer saber o que é importante saber antes de tomar uma decisão quando for comprar um motor de passo ou até uma CNC. E o diferencial é o como você pensa, isso mesmo, a forma como pensamos sobre determinado assunto é o que vai nos levar para decisões melhores ou piores.
Então vamos esclarecer o pensamento fazendo algumas perguntas pra nós mesmos. Foram estas 4 simples perguntas que me ajudaram a abrir a cabeça e dar um passo além do cálculo e da teoria.
1. O que o motor de passo entrega para o eixo da máquina?
Por mais simples e óbvia que esta resposta possa parecer para alguns, posso afirmar com tranquilidade que ela é a chave para esclarecer o processo e tem o poder de te levar para o caminho correto.
A resposta é Torque e Velocidade! Simples, né? Mas não se engane!
O poder desta resposta está na palavra velocidade, uma grande parte das pessoas que converso sobre projetos, máquinas e motores, apesar de terem conhecimento técnico para responder essa pergunta são induzidas a negligenciar a palavra velocidade e selecionar o motor apenas pelo torque que ele oferece, e ainda pior pelo Holding Torque que é uma informação quase irrelevante para a performance dinâmica do motor de passo.
A informação Holding Torque em tradução livre pode significar Torque com o Eixo Travado ou Torque de Rotor Travado, e em termos práticos quer dizer o seguinte: Se o motor está parado em uma posição e devidamente energizado, então para girar o eixo para o próximo passo é preciso aplicar no mínimo esta quantidade de torque.
Como eu disse anteriormente, esse parâmetro não é muito bom para tomar uma decisão para aplicações dinâmicas como as máquinas CNC, eixos lineares, braços robóticos, etc.
2. Como o motor de passo entrega Torque e Velocidade para o eixo da máquina CNC?
O motor de passo tem uma característica própria na forma de entregar Torque e Velocidade para o Sistema. E entender bem essa característica é fundamental para evitar erros na hora de escolher o motor. Vamos usar uma ferramenta gratuita para nos ajudar nesse entendimento, inclusive essa foi a ferramenta que mais me ajudou, apesar da simplicidade. A ferramenta é: A Curva Torque x Velocidade disponibilizada pelos fornecedores de motores de passo. Veja um exemplo típico a seguir:
No caso de motores nós podemos medir a velocidade de giro em RPM [rotações por minuto], e este é exatamente o caso da curva da figura abaixo.
Quando olhamos para esse gráfico ou para a tabela as coisas começam a ficar mais claras. E percebemos logo de cara que quanto mais velocidade o motor tiver que entregar, menos torque disponível ele tem para usar e vice-versa.
Um ponto a destacar é que o torque máximo que a curva do motor nos mostra é muito inferior ao Holding Torque que é o parâmetro mais falado nesse mercado. Esse fato reforça que usar apenas este dado não é suficiente para uma boa decisão.
Agora que as coisas estão ficando mais simples já é possível entender algumas coisas como:
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Se o motor vai movimentar um chassis / pórtico sobre guias lineares prismáticas de esferas (baixo atrito) e nele estão presos apenas itens leves como spindle, tocha de plasma ou canhão de laser, então usar velocidades maiores é tranquilo porque o sistema precisa de torque baixo.
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Mas, se o motor estiver movimentando uma fresa que está removendo material de uma chapa de alumínio, então usar controlar a velocidade é mandatório para que o motor forneça torque suficiente para a remoção desse material.
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Agora, se o motor vai movimentar a mesa da máquina carregada com uma chapas de metal, então o motor vai precisar de muito torque e por esse motivo a velocidade terá que ser reduzida.
Se você sabe usar as informações do gráfico, o que é muito simples, você protege o seu investimento e a sua paciência em um mercado confuso como o nosso.
Para aplicações de sistemas dinâmicos que exigem altos torques, altas velocidades e precisão de posicionamento, simultaneamente existem outras soluções, como por exemplo, os servos motores.
3. Este motor vai entregar a quantidade de torque necessária na velocidade que eu preciso?
Neste ponto é fácil perceber o valor que um bom projeto pode agregar. Imagine que você tivesse agora em suas mãos os números que representam uma boa estimativa de torque e de velocidade que um motor tem que entregar para que a sua máquina se movimente perfeitamente nas seguintes situações:
- Quando estiver com máxima velocidade e mínima carga ( situação típica de G0 )
- Com a máxima carga e máxima velocidade ( situação crítica, ex.: usinagem de metais com velocidades maiores )
- A média das duas anteriores
Se isso fosse verdade, bastaria um simples cruzamento desses dados com o gráfico Torque x Velocidade para escolher o motor. Simples assim!
A chave para começar a extrair esse dados está no começo deste artigo. Lembra da tabela de dados de entrada? Pois é, se alimentarmos algumas fórmulas matemáticas com os dados daquela tabela, podemos estimar muito bem esses números.
Com todas essas ferramentas, tomar uma decisão se torna algo tranquilo, seguro e eficaz. Diminuindo os riscos para níveis aceitáveis quando o assunto for investir na construção ou na compra de uma CNC.
Posso afirmar que se nenhuma dessas etapas forem queimadas, na fase de testes o trabalho será apenas nos refinamentos e ajustes do sistema. Para que isto aconteça, é só manter o que foi visto até aqui em mente.
4. Se o motor conseguir entregar o Torque e a Velocidade que eu preciso, será que a estrutura da minha máquina vai ter a rigidez suficiente para suportar o esforço sem sair da posição?
A intenção dessa pergunta é apenas fazer um alerta. Existe muita desinformação quando o assunto é máquinas CNC caseiras do tipo DIY (faça você mesmo).
É muito comum ver testes de máquinas caseiras no YouTube mostrando movimentos rápidos com motores pequenos, estruturas leves e sistemas de movimentação de baixo custo. A minha dica é: Observe com calma! Já vi diversos vídeos, inclusive internacionais com máquinas que parecem que vão sair andando.
Para cada tipo de máquina há diferentes soluções. Vamos dar alguns exemplos e também algumas dicas:
1. Impressoras 3D, gravadoras à laser e corte à plasma.
A característica dessas máquinas é operar com:
- baixo torque (normalmente usa motores com Holding Torque de até 25 kgf.cm)
- velocidades médias ou baixas
- velocidades mais altas apenas fora de operação (G0)
- operação sem tranco (acelerações suaves)
Então esse tipo de máquina pode se beneficiar do uso de:
- motores menores ( o tamanho do motor depende do tamanho da mesa )
- mecanismos com baixa rigidez ( sistema que usam correias, cremalheiras ou cabos )
- mancais com atrito maior (buchas deslizantes, rodinhas)
- estruturas mais leves ( que tendem a vibrar um pouco mais em velocidades altas e se deslocar com grandes acelerações)
2. Máquinas Router para corte de madeira, acrílico e até chapas finas de alumínio.
A característica dessas máquinas é operar com:
- torque médios (veja motores com Holding Torque mínimo de 30 kgf.cm)
- velocidades médias ou baixas
- velocidades mais altas apenas fora de operação (G0)
- operação sem tranco (acelerações suaves)
- spindle com potência de até 2,2 kW
Então esse tipo de máquina pode se beneficiar do uso de:
- motores médios ( o tamanho do motor depende do tamanho da mesa )
- mecanismos de alta rigidez ( sistema de fusos de esferas, cremalheiras helicoidais )
- mancais com baixo atrito ( guias lineares prismáticas)
- estruturas mais reforçadas ( que vibram pouco em velocidades altas e não sofrem deslocamento com grandes acelerações)
3. Máquinas Router para usinagem em madeiras nobres e metais não ferrosos
A característica dessas máquinas é operar com:
- torques altos (veja motores com Holding Torque mínimo de 85 kgf.cm)
- velocidades médias ou baixas
- velocidades mais altas apenas fora de operação (G0)
- operação sem tranco (acelerações suaves)
- spindle com potência de 3,7 kW ou superior
Então esse tipo de máquina pode se beneficiar do uso de:
- motores maiores ( o tamanho do motor depende do tamanho da mesa e da produtividade )
- mecanismos de alta rigidez ( sistema de fusos de esferas, cremalheiras helicoidais )
- mancais com baixo atrito (guias lineares prismáticas)
- estruturas rígidas ( com pouca ou nenhuma vibração percebida mesmo em velocidades altas e não sofrem deslocamento significativo mesmo com grandes acelerações)
Com a análise de uns poucos exemplos já foi possível perceber a grande variação de máquinas que podem existir, isso é refletido no custo, na performance e na qualidade das mesmas. O importante é ter em mente de maneira clara, qual a sua necessidade. Foi isso que fez diferença pra mim quando comecei a construir a minha própria impressora 3D e também depois quando adquiri uma máquina router no mercado.
Isso justifica a importância de fazer alguns cálculos antes da compra, pois são eles que traduzem a necessidade em dados numéricos que servem de referência para a escolha utilizando o gráfico Torque x Velocidade.
Vamos praticar um pouco com um exemplo de cálculo na terceira e última parte desta série.
Para finalizar quero apontar algo muito importante. Fazer seus próprios cálculos e aprender um pouco sobre como funciona o gráfico Torque x Velocidade é trabalhoso e exige dedicação. Mas só esse trabalho e dedicação poder te dar a liberdade para escolher o melhor fornecedor, o melhor preço, o melhor prazo de entrega, o melhor suporte, enfim.
Como mencionei antes, este mercado é um pouco confuso aqui no Brasil, por exemplo: faltam informações nos catálogos e gráficos oferecidos pela maioria dos fornecedores nacionais. Em particular uma informação fundamental para poder concluir os cálculos de torque. Quer descobrir que informação é essa?
Então acesse a terceira parte aqui.
Um grande abraço,