Coil Winder (Automatic) - Bobinadeira Automatizada

Saudações Leitor/Leitora

Apresentação

Uma bobinadeira é um equipamento empregado na área de eletroeletrônica (também em outras áreas, como a têxtil), mecânico ou eletromecânico, com ou sem controle automatizado, que permite enrolar um determinado número de espiras de fio em um carretel ou fôrma, produzindo uma bobina. Por sua vez, bobinas são dispositivos elétricos, comumente empregados em transformadores, geradores, motores, solenóides, relés, choques de RF (Rádio Frequência), reatores, eletroímãs e indutores de forma geral.

Assim, este Instructables procura descrever todas as etapas empreendidas no desenvolvimento deste projeto que, para o autor, demandou várias horas de prazerosos e profícuos trabalho e aprendizado.

Em caso de qualquer dúvida, crítica, sugestão, ou mesmo elogio, não hesite em postar seu comentário.

Espero que inspire, motive e oriente. Boa leitura!

Step 1: Visão Geral Do Projeto

A proposta deste projeto foi desenvolver uma pequena bobinadeira automatizada, de uso não profissional, empregando materiais recuperados de equipamentos sem uso (sucatas), bem como ser confeccionada de forma artesanal.

Assim, além da construção mecânica, a automatização implementada consiste em se especificar à bobinadeira o número de espiras desejado para que ela efetue, sem a intervenção humana, as operações necessárias para enrolar uma bobina com a quantidade de espiras fornecida. Para o controle destas operações foi utilizado um microcontrolador, cujo projeto do hardware e desenvolvimento do software de controle (firmware) serão detalhados nas etapas ao longo deste Instructables.

O projeto, detalhado no Diagrama em Blocos da primeira imagem, consiste na integração de 3 componentes:

a) Mecânica (ver desenho da segunda imagem), subdividida em:

a.1) Mecanismo Tracionador de Fio - responsável pelo enrolamento do fio no carretel, sob determinada velocidade; e

a.2) Mecanismo Espaçador de Fio - responsável pela distribuição linear e uniforme do fio ao longo do carretel;

b) Eletroeletrônica, subdividida em:

b.1) Microcomputador, com o microcontrolador AT89S52 - responsável pelo controle geral da bobinadeira;

b.2) Displays - responsáveis pela indicação do número de espiras programado e pela indicação da contagem decrescente de cada volta executada pelo carretel (uma volta corresponde a uma espira);

b.3) Fonte de alimentação e interfaces com sensor óptico e motor;

b.4) Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador de Fio - responsável pelo automotismo no movimento de vai-e-vem do mecanismo espaçador;

b.5) PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso) - responsável pelo controle de velocidade do motor espaçador; e

c) Software de Controle ou Firmware- é o programa executado pelo microcontrolador AT89S52, responsável pelo gerenciamento/controle da bobinadeira.

As terceira e quarta imagens apresenta a versão final da bobinadeira.

Step 2: Parte 1 - Construção Do Mecanismo Tracionador De Fio

O Mecanismo Tracionador de Fio tem a função de girar o carretel e, consequentemente, de enrolar as espiras necessárias à bobina a ser confeccionada. O Mecanismo contém as seguintes estruturas (ver primeira imagem):

(i) em um motor DC (Direct Current - corrente direta ou corrente contínua) de 12 V (ver segunda imagem) foi acoplada em seu eixo uma pequena polia de alumínio (não visível) que, por meio de uma correia, transmite velocidade e torque para uma polia maior moldada em plástico (ver terceira imagem).

Para determinar a velocidade de rotação deste conjunto, foi acoplada ao eixo da polia maior uma lingueta plástica para acionar um sensor óptico (ver quarta imagem). Um frequencímetro foi empregado para efetuar a leitura dos pulsos gerados pelo sensor óptico no intervalo de 1 segundo, registrando 6,838 Hz (ver quinta imagem). Esta frequência corresponde à aproximadamente 410 rmp (rotações por minuto), ou seja, a bobinadeira é capaz de enrolar aproximadamente 410 espiras por minuto.

A polia maior foi confeccionada com a reciclagem de plásticos picotados de embalagens do tipo HDPE (PolyEthylene High-Density ou, em português, PEAD - PoliEtileno de Alta Densidade) (ver sexta imagem) e conformado em uma forma redonda feita de madeira. Com o auxílio de um formão, com o motor DC acionado, foi efetuado um canal na lateral desta polia para o encaixe da correia. Pode-se consultar o seguinte instructables para reciclagem de HDPE: https://www.instructables.com/id/How-To-Recycle-HDPE-Plastic-The-Easy-Way/;

(ii) um pedaço de 18 cm de uma barra roscada de 6 mm de bitola foi fixado, por porcas, no centro da polia maior, constituindo-se no eixo no qual o carretel irá girar. Para manter este eixo na posição horizontal, também foi moldado, em HDPE, um bloco retangular para acomodar dois rolamentos (ver sétima imagem) que, após cortado (ver oitava imagem), lixado (ver nona imagem) e furado, resultou no suporte dos rolamentos e do eixo horizontal (ver décima e décima primeira imagens). Um terceiro bloco foi moldado para fixar o suporte dos rolamentos na haste metálica que sustenta todo o conjunto (ver décima segunda imagem). Para manter fixo o carretel no eixo, foram confeccionadas, em HDPE, duas cunhas sob a forma de pirâmides quadrangulares (ver décima terceira e décima quarta imagens). Concluindo esta segunda estrutura, foi confeccionado um manípulo (ver décima quinta imagem) para pressionar a cunha contra o carretel. O manípulo, que tem embutida uma porca garra com rosca de 6 mm, é rosqueada na ponta livre da barra roscada.

(iii) para a contagem do número de voltas realizadas pelo carretel, foi fixada, por porcas, na barra roscada, entre o suporte do rolamento e a cunha, uma haste (agulha) alumínio que gira solidariamente ao eixo e que irá acionar um sensor óptico, fixado no suporte metálico vertical (ver décimas sexta e sétimas imagens). A cada passagem desta haste no interior do sensor óptico, um pulso é gerado para a contagem do número de voltas pelo microcontrolador.

(iv) por fim, foram confeccionados, em madeira, dois carretéis alimentadores para conter o(s) fio(s) que serão tracionados pelo carretel (ver décimas oitava e nonas imagens) para produzir a bobina desejada. Desta maneira, um carretel pode conter o fio destinado ao primário e o outro o fio para o secundário de um transformador.

Step 3: Parte 2 - Construção Do Mecanismo Espaçador De Fio

O Mecanismo Espaçador de Fio tem a função de garantir que as espiras sejam enroladas de forma justapostas e uniformes ao longo do carretel. Para tal, deve haver um sincronismo entre o mecanismo tracionador e o mecanismo espaçador de fio, pois, sem ele, as espiras ficarão encavaladas (ocasionada quando a velocidade de tracionamento é maior que velocidade de espaçamento) ou ficarão esparsas (decorrente da velocidade de tracionamento ser menor que a velocidade de espaçamento).

Na construção deste Mecanismo, as seguintes estruturas foram desenvolvidas, conforme se observa no desenho da primeira imagem:

(i) o carro transportador, que se desloca horizontalmente nos dois sentidos (esquerda-direita e vice-versa) é responsável pela justaposição do enrolamento no carretel e tem como eixo uma barra roscada (ver segunda imagem). A rosca deste eixo foi confeccionada com o auxílio de cossinete M3, a partir de uma vareta metálica retirada de uma grelha de churrasqueira elétrica. Para deslocar o carro, foi produzida uma porca com um pequeno tarugo de nylon e foram fixados dois rolamentos em cada ponta do eixo (ver terceira imagem). Em um perfil de alumínio na forma de "U", foi efetuada uma abertura para acomodar a porca de nylon. Assim, ao girar o eixo, a porca deslocará solidariamente este perfil. Adicionalmente, foram confeccionados mais dois perfis em "L" e dobradas duas varetas metálicas para servirem como suporte para três polias rolamentadas e um espaçador de borracha, empregado para confinar o fio que está sendo tracionado. A quarta imagem apresenta estas estruturas semi-montadas, a quinta imagem ela toda montada e a sexta a estrutura completa instalada na bobinadeira. A sétima imagem mostra o fio que está sendo enrolado confinado no interior do anel de borracha de passagem, bem como ele passando pela roldana fixada na lateral da bobinadeira. O suporte desta roldana foi adaptado a partir do aproveitamento de uma cabeça de leitura de um driver HD (Hard Disk - disco rígido);

(ii) para se obter o deslocamento conjunto descrito no item anterior, evitando que ele gire solidariamente ao eixo, foi cortado um perfil metálico em "L" e parafusado de modo a faceá-lo com o carro transportador (ver oitava imagem). Assim, ao se girar o eixo, o carro efetua o movimento translacional em lugar do movimento rotacional. Este perfil também é utilizado para suportar duas chaves fim-de-curso, uma à esquerda (FCE) e outra à direita (FCD), que têm como finalidades delimitar a extensão do movimento do carro transportador, correspondente à largura do carretel (ver nona imagem). Para posicionar e fixar estas chaves limitadoras, foram confeccionados dois suportes verticais a partir de uma barra quadrada de alumínio. Nestes suportes, em uma das pontas, foi feito um canal para encaixá-los no perfil em "L" e foram feitas roscas para os parafusos que fixam os suportes neste perfil (ver décima imagem).

(iii) para se estabelecer o movimento do eixo, foi utilizado um micromotor DC de 12 V, com uma caixa de redução acoplada ao eixo que produz uma velocidade máxima de 200 rmp (ver décima primeira imagem). Para fixar este motor, foi confeccionado um suporte em HDPE e fixado, por dois parafusos, de forma que o eixo do motor esteja alinhado com o eixo do carro transportador. Nos terminais do motor foram soldados, em paralelo, um capacitor de 0.1 uF e um pequeno núcleo toroidal (Common Mode Chokes) (ver décima segunda imagem) para atuar como supressor de ruídos de chaveamento que podem afetar os circuitos eletrônicos. O acoplamento entre o eixo do motor e a barra roscada foi improvisado com um pequeno tubo plástico, com "presilhas universais" (arames !!!! - prometo melhorar!), prendendo-os (ver décima terceira imagem). A título de esclarecimento, outros mecanismos com outros motores, com e sem redução, foram construídos, testados e abandonados por não se obter um bom espaçamento das espiras ao longo do carretel.

Step 4: Parte 3 - Descrição Da Parte Eletroeletrônica

A parte eletroeletrônica,responsável pelo controle da bobinadeira, compreende 5 módulos, em razão do projeto ter sido desenvolvido em etapas contíguas na seguinte sequência:

• microcomputador;
• displays de 7 segmentos;
• fonte de alimentação, interface com sensor óptico, motor tracionador e sinal de RESTART;
• PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso); e
• Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador de Fio.

(i) para o projeto do microcomputador (ver esquemático da primeira imagem) foi utilizado um microcontrolador de 8 bits, o Atmel AT89S52, compatível com o outrora onipresente INTEL 8051. Nesta aplicação, a porta P0 é empregada para o acionamento dos 7 segmentos dos 3 displays. Como as saídas desta porta são dreno aberto, foi adicionada uma rede resistiva elevadora (pull-up). Ainda, para o acionamento individual de cada display, são empregados da porta P2, os bits P2.5, P2.6 e P2.7. Os capacitores C2 e C3, mais o cristal (XTAL) de 12 MHz, constituem o circuito de clock. O capacitor C1, o resistor R1, a chave de RESET e os jumpers J1 e J2 formam o circuito de RESET ao energizar ou RESET manual. Nos pinos P1.0 a P1.4 são conectadas as 5 chaves de contato momentâneo que constituem o teclado. Os três pinos restantes desta porta (P1.5, P1.6 e P1.7), junto com a entrada de RESET (ligando-se os jumpers J3 e J4), são empregados para programação da memória flash do AT89S52 (esta programação será detalhada na etapa de desenvolvimento do software). Dois pinos da porta P3, o P3.0 e o P3.7, são empregados para o acionamento do motor tracionador e leitura do sensor óptico, respectivamente. Por fim, o resistor R2 define que o firmware deve ser lido da memória interna (pino EA = 1) e C4 é um capacitor de desacoplamento.

(ii) o módulo dos displays(ver esquemático da segunda imagem) é utilizado para apresentar a programação e contagem do número de espiras, possibilitando um intervalo de valores de 000 a 999. O display D1 corresponde à casa das centenas, D2 das dezenas e D3 das unidades. Tanto a operação multiplexada (um display ativo de cada vez) quanto a decodificação para o código 7 segmentos são realizadas por software. Os displays são do tipo anodo comum, sendo estes pinos acionados pelos transistores Q1 a Q3. Um nível lógico "0" na base leva o transistor à condução, fazendo com que o código aplicado nas entradas do IC1 (buffer ULN2803) seja apresentado no display correspondente (um bit "1" ativa o segmento e "0" o apaga). O ponto decimal não foi implementado neste projeto.

(iii) o módulo da fonte de alimentação (ver esquemático da terceira imagem) fornece as tensões de +5 V (para os circuitos lógicos) e +12 V (para motores e relés), a partir da tensão AC de 9 V obtida no secundário (não apresentado no esquemático). Os diodos D2 a D5 formam um ponte retificadora completa, com os capacitores C1 e C2 como filtros. Na saída do regulador linear 7812 (IC1) tem-se os + 12 V e, na saída do regulador 7805 (IC2), os + 5 V. Os capacitores C3, C4 e C5 são filtros. Nesta placa também está a interface com o sensor óptico, com os resistores R2 e R3 empregados nas polarizações do LED e do fototransistor, respectivamente. O módulo também é responsável pelo acionamento do relé KMotor. Os dois contatos NA (Normalmente Aberto) do relé são utilizados para acionamento do motor tracionador e para a chave RESTART (destinada à Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador). O relé é acionado pelo transistor Q2, com R1 polarizando sua base e com D1 atuando como diodo roda livre (freewheeling diode).

(iv) o módulo PWM (ver esquemático da quarta imagem) é responsável pelo controle de velocidade do motor espaçador. Como deve haver sincronismo entre a velocidade do motor tracionador e a velocidade do mecanismo espaçador para se obter uma distribuição uniforme dos enrolamento no carretel, faz-se necessário este ajuste de velocidade. O circuito é implementado com um 555, atuando como multivibrador astável, cuja largura do pulso é definida pela constante de tempo da rede RC (potenciômetro R2 e capacitor C1) ligada entre os pinos 3 (Out), 2 (Trig) e 6 (Trsh). Os diodos D1 e D2 controlam a carga/descarga do C1. O sinal PWM, presente no pino 7 (Disch), é aplicado ao terminal da porta do transistor de potência MOSFET (Q1). O dreno deste transistor, juntamente com a tensão de +12 V são ligados na Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador, responsável pela polarização do motor espaçador. Por fim, R1 é um resistor elevador e C2 e C3 são capacitores de desacoplamento.

(v) a Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador (ver esquemático da quinta imagem) é um circuito baseado em lógica com relés e chaves fim-de-curso e tem a finalidade de controlar a ativação e a polarização do motor espaçador, com vistas parar ou deslocar o carro transportador para a esquerda e direita e vice-versa. As chaves Fim-de-Curso da Esquerda (FCE) e da Direita (FCD) limitam a extensão deste deslocamento de acordo com a largura do carretel. Certamente, o leitor questionará do porquê esta lógica não foi implementada pelo microcontrolador? Ocorre que na concepção inicial, a ideia era construir uma bobinadeira semi-automática, na qual o número de espiras seria contado por meio de uma calculadora modificada, como o apresentado em: https://www.instructables.com/id/Versatile-and-Low-... Tal solução não prosperou, pois a calculadora não respondia à velocidade de giro do carretel. Ademais, uma outra versão deste circuito já havia sido desenvolvido para o controle semi-automático de uma furadeira de PCI e busquei confirmar se ele também poderia ser útil neste projeto. Assim, para um possível upgrade da bobinadeira, este controle dedicado será incorporado ao sistema microcontrolado, substituindo-se também as chaves por sensores ópticos, o motor DC por um motor de passo e eliminando-se o PWM. Nesta lógica, excluído o KMotor, foram utilizados 7 relés de 12 V e que possuem dois conjuntos de contatos NA-NF (Normalmente Aberto - Normalmente Fechado). Iniciando a análise pela saída da Lógica, observa-se que os contatos dos relés KCW e KCCW formam uma ponte H, com o motor espaçador conectado no seu centro. Uma ponte H, permite 3 operações: parar o motor; girá-lo no sentido horário (CW - ClockWise); e sentido anti-horário (CCW - Counter ClockWise). Os contatos KS e KR controlam a alimentação da ponte H, que é fornecida pelo módulo PWM (terminais VME1 e VME2). Os relés acionadores deste contatos, o KS e o KR, determinam a parada (Stop) e o recomeço (Restart) do motor espaçador. A parada ocorre quando a bobinadeira é ligada e o carro transportador é deslocado em direção à chave FCD. Ao alcançar a FCD, o relé KS é ativado e o contato KS retira a alimentação do motor, parando-o. Este deslocamento inicial do carro transportador é o equivalente a encontrar o ponto zero de uma máquina de Controle Numérico Computadorizado (CNC) e, neste projeto, é utilizado para preparação inicial da bobinadeira (como passar o fio pela roldana, anel de passagem e polias até o carretel). Quando a tecla Enter for acionada pela segunda vez no teclado, o microcontrolador acionará o relé KMotor que liga o motor tracionador e, simultaneamente, fecha o contato RESTART. Este contato ativa o relé KR e, por intermédio do seu contato KR, faz com que o mecanismo espaçador seja deslocado para a esquerda. O relé KD é empregado para deslocar o carro para a direita e os relés KE e KEX para a esquerda. Para facilitar o entendimento da conexão desta lógica com os demais circuitos, deve-se analisar o esquemático da sexta imagem.

Step 5: Parte 4 - Desenvolvimento Dos Circuitos Em PCI E Confecção Do Gabinete

Para o desenvolvimento das Placas de Circuito Impresso (PCIs) foi empregado o software Eagle (disponível em http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/), cujos esquemáticos e leiautes (boards) estão disponíveis nos arquivos com as extensões sch e brd, respectivamente.

Para a confecção das PCIs foi utilizado o processo de transferência térmica, como descrito em: https://www.instructables.com/id/PCB-making-guide/,..., diferindo no uso de uma plastificadora (utilizou-se uma da marca Menno, modelo PL23) em substituição ao ferro de passar roupas.

Atentar que todas as PCIs são em face simples, podendo haver, assim, a necessidade de jumper(s) em alguma(s) placa(s). Também, como não foi utilizado a ferramenta do Autorouter do Eagle, todo processo de roteamento foi feito manualmente com a placa voltada para a face das trilhas. Assim, ao imprimir o board na impressora a laser, não se deve utilizar a opção Mirror.

A primeira imagem apresenta a montagem final da placa do microcomputador com o microcontrolador AT89S52. O pedaço de fio preto, com um pino fêmea na ponta, foi um recurso técnico (vulgo gambiarra) para conectar o terra do programador USBasp (detalhado na etapa de desenvolvimento do software).

A segunda imagem é a placa dos displays. A falta de estética no posicionamento dos resistores, como observado, decorre da opção de evitar jumpers no roteamento manual.

A terceira imagem é a placa da fonte e interface com sensor óptico e acionamento do motor tracionador e sinal de RESTART. Foram colocados dois pequenos dissipadores de calor nos reguladores 7812 e 7805.

A quarta imagem (nada boa) é a placa do PWM. Observa-se um pequeno dissipador no MOSFET (que pode ser dispensado, pois o motor espaçador não o sobrecarrega).

A quinta imagem já é a montagem da parte eletrônica em um gabinete de madeira MDF. Observa-se o transformador fixado no fundo, a placa da fonte no "primeiro andar" e a placa da Lógica de Controle do Mecanismo Espaçador sendo instalada no "segundo andar" deste gabinete.

A sexta imagem apresenta a instalação da placa do microcomputador e do PWM.

A sétima imagem apresenta a instalação da placa dos displays no lado interno do painel de alumínio. Observa-se, também, a instalação das cinco chaves de contato momentâneo que compõem o teclado; a chave de RESET do microcontrolador; o potenciômetro do PWM; e a chave liga/desliga (ON/OFF).

A oitava imagem é a vista frontal do painel, com a indicação da função dos controles disponíveis, feita de forma provisória com caneta para PCI.

A nona imagem é o fundo do gabinete, mostrando o chicote de fios, o suporte do fusível e o cabo a ser ligado à rede elétrica.

Step 6: Parte 5 - Desenvolvimento Do Software (Firmware)

O software de controle, ou firmware, foi desenvolvido na linguagem assembly do microcontrolador. A opção por programar neste nível de linguagem, em detrimento de uma linguagem de alto nível, como C, foi adotada como desafio para o autor.

Ferramentas de Software/Hardware para Desenvolvimento do Firmware da Bobinadeira

Como ferramentas, foram utilizados os seguintes recursos: (i) para editoração, montagem, simulação e geração do código em formato HEX (da Intel), foi utilizado o Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE - Integrated Development Environment) MCU 8051, disponível em: http://www.moravia-microsystems.com/mcu-8051-ide/;... e (ii) para programação da memória flash microcontrolador AT89S52, que possui a interface ISP (In-System Programming - Programação no Sistema), foi utilizada uma placa denominada Programador USBasp (ver primeira foto), cujos arquivos do esquemático (sch) e leiaute (brd) também estão disponíveis. Este Programador comunica-se com o computador que roda o IDE por meio da interface USB (faz-se necessário um cabo MD9 USB AM/BM, mostrado na primeira imagem). Para a comunicação com o hardware alvo (target hardware) deve-se "espetá-lo" nos pinos MOSI, MISO, SCK e RESET do AT89S52. O driver do programador, o firmware para o ATMega 8, o software de operação (denominado de ProgISP V1.72) e exemplos de placas desenvolvidas por diversos projetistas estão disponíveis em: http://www.fischl.de/usbasp/. As orientações, em inglês, para a utilização do programa ProgISP estão disponíveis em: http://tomscircuits.blogspot.com.br/2012/04/usbisp...

Programas da Bobinadeira

Os programas de controle da bobinadeira estão disponíveis em três arquivos, sendo (i) "Bobinadeira.a51" - programa fonte escrito na linguagem assembly do 8051, editado no IDE MCU 8051; (ii) "Bobinadeira.lst" - listagem de documentação, contendo o programa fonte com os endereços e códigos hexadecimais produzidos pelo montador (assembler) do IDE; e (iii) "Bobinadeira.hex" - arquivo do firmware que deve ser carregado pelo ProgISP e ser transferido para a memória flash do AT89S52.

Dúvidas sobre o Programa Fonte

Como observa-se no arquivo "bobinadeira.lst", o programa desenvolvido está comentado na tentativa de ser auto-explicativo. Caso o leitor tenha alguma dúvida, sinta-se encorajado para encaminhá-la no espaço para comentário.

Step 7: O Primeiro Resultado Da Bobinadeira - Pistola De Solda (solder Gun)

Um primeiro projeto desenvolvido com a bobinadeira foi uma pistola de solda, cujas etapas estão descritas em: https://www.instructables.com/id/Solder-Gun-Pistola-De-Solda-De-Aquecimento-R%C3%A1pido/