Conceção de uma interface homem - máquina para uma máquina CNC

Abstract

As próteses e ortóteses emergiram da área de terapia física. Enquanto prótese é um dispositivo aplicado externamente, usado para substituir total ou parcialmente um segmento de membro, a ortótese é um dispositivo usado para modificar as características estruturais e funcionais dos sistemas neuromuscular e esquelético. Uma das ortóteses existentes na área são os capacetes para tratamento de plagiocefalia posicional. Para a realização destes capacetes é necessária a tiragem do molde do crânio do paciente e produzir uma réplica, ou seja, um molde positivo do membro. Para isso, a empresa Padrão ortopédico utiliza uma série de etapas recorrendo a uma máquina CNC fabricada na própria empresa para maquinagem do molde. A máquina CNC da Padrão Ortopédico padece de dois eixos principais, Z e X, sendo Z o eixo da ferramenta de corte (horizontal) e o X o eixo de movimento vertical. O bloco de poliuretano de baixa densidade é colocado num prato segundo o eixo rotativo A da CNC e o controlo da máquina seria promovido através do software "Grbl Controller" inserido num computador portátil ligado ao controlador Arduino da máquina. Para o design da interface gráfica, o software previamente utilizado serviu como base para definir as funções necessárias a implementar como, "Envio de código e Maquinagem", "Manipulação Manual dos eixos", "Alteração das definições e parâmetros da Máquina" e "Comunicação Homem-Máquina". Estas funções foram programadas na linguagem "Python3", com a utilização das bibliotecas "Tkinter "e Pysenal. O programa foi, por fim, implementado num RaspberryPi4 (modelo b) como respetivo ecrã tátil de sete polegadas. Para calibração da máquina foram ainda calculados os steps/mm de cada eixo, ajustados, através da nova interface, na CNC e realizados vários produtos de teste da fiabilidade do Sistema Interface-Máquina. Foi ainda, incorporado um fim de curso no eixo Z para garantir o holm-17g no movimento horizontal da máquina. Por fim, foi criado um livro de utilização da máquina que contempla as dimensões principais da mesma, os parâmetros ajustáveis e como proceder a uma maquinagem, passo a passo.

Prostheses and orthoses emerged from the area of physical therapy. While prosthesis is an externally applied device, used to replace part or all of a limb segment, orthosis is a device used to modify the structural and functional characteristics of the neuromuscular and skeletal systems. One of the existing orthoses in the area are helmets for the treatment of plagiocephaly. To make these helmets, it is necessary to remove the mold from the patient's skull and produce a replica, i.e., a positive mold of the limb. For this, the company Padrão Ortopédico uses a series of steps using a CNC machine manufactured in the company itself for machining the mold. The CNC machine of Padrâo Ortopédico has two main axes, Z and X, with Z being the cutting tool axis (horizontal) and X being the vertical movement axis. The low density polyurethane block is placed on a rotary plate along the secondary axis A of the CNC and "control" of the machine is promoted through the "Grbl Controller" software inserted in a portable computer connected to the machine's Arduino. For the design of the graphical interface, the previously used software served as a basis for defining the necessary functions to be implemented, such as "Sending code and machining", "Manual manipulation of the axes", "Changing the settings and parameters of the Machine" and "Communication Machine man". These functions were programmed in the Python3 language, using the 7kinter "and Pyserial libraries. The program was finally implemented on a Raspberry Pi4 (model b) as its seven-inch touchscreen In order to calibrate the machine, the steps / mm of each axis were also calculated, adjusted, through the new interface, at the CNC and several products were tested for the reliability of the Interface — Machine System. A limit switch on the Z axis was also incorporated to ensure homing in the horizontal movement of the machine. Finally, a machine's manual was created that includes the main dimensions of the machine, the adjustable parameters and how to proceed with machining, step by step.