Revista Mecatronica Atual - Edicao 002

SEÇÃO DO DO LEITOR LEITOR SEÇÃO Assinatura

Meu nome é Laurinês Siqueira Costa, tenho 20 anos e sou formada em Técnico em Processamento de Dados. Atualmente estou cursando o Curso Técnico em Mecatrônica, o que me levou a comprar a revista MECATRÔNICA ATUAL. Trabalho em uma indústria indústr ia de autopeças, na área de Manutenção Industrial, e os artigos encontrados nessa revista foram de grande valia, não só para o curso que estou fazendo, como também no esclarecimento de algumas dúvidas existentes. No entanto, gostaria de saber se existe a possibilidade de assinar esta revista e, se assim for, quais os procedimentos que devo seguir para tal. Desde já agradeço pela atenção. Laurinês Siqueira Costa Departamento de Manutenção

SEÇÃO D O Formação em Mecatrônica

Sou técnico com formação em Eletrônica e Eletrotécnica e trabalho atualmente na área de Grupos Geradores, e sou aluno do Curso de Tecnologia Industrial (com ênfase em Automação Industrial) do CEFET-SP (antiga Escola Técnica Federal de São Paulo). Já comprei o número 1 da revista e gostei muito, muito, penso que será uma leitura muito útil na minha formação profissional. Meu principal objetivo hoje é atuar no ramo de Automação e esse tipo de literatura vem complementar os conhecimentos adquiridos na Faculdade e ajudar nossa formação acadêmica e profissional. Obrigado Obrigado e parabéns pela iniciativa.Um grande abraço a todos! Julio Cesar M. Hammerle.

Prezados Editores: Sou Engenheiro Industrial Mecânico, trabalho com Instrutor do SENAI CET de Caçador, SC, e também faço parte da Comissão de Estudos para a implantação do Curso de Engenharia Mecatrônica da UnC (Universidade do Contestado) desta cidade, curso esse que terá seu primeiro vestibular em fevereiro de 2002, no qual farei parte do quadro de professores. Fiquei sabendo da Revista editada por vossa Editora através de um aluno que adquiriu um exemplar. Minha pergunta é: Como fazer uma assinatura dessa revista? Se atendido, agradeço! Everaldo Cesar de Castro

Curso o segundo ano a no de Técnico em Eletrônica em uma escola de TaubatéTaubatéUNITAU. Aqui também tem Mecatrônica, mas como a primeira turma começou em 2000 preferi optar pela garantia da Eletrônica, queestá na escola há mais de 30 anos, apesar degostar muito mais de automação. automação. Esta revista veio para completar meus conhecimentos de eletrônica e apresentar-me conceitos de mecânica, hardware esoftware, que até então devido à Escola ensinar em moldes muito acadêmicos, não visando preparar um profissional comconhecimentos comconhecimentos muito mais abrangentes, eu não conhecia. Espero que continuem nessecaminho: bons conteúdos teóricos, boas ilustrações e dicas para estimular novos projetos. Acredito muito que vocês, da Editora Saber, estão dando uma enorme contribuição para o futuro do desenvolvimento senvolvimento tecnológico no Brasil. Carlos Alberto da Silva Prezados Julio e Carlos, Um dos principais objetivos de nossas revistas é auxiliar na formação dos futuros profissionais na área de Mecatrônica. Os Os nossos artigos ar tigos são escritos por técnicos, engenheiros e professores experientes, alguns dos quais atuando diretamente na Indústria e que, portanto, conhecem o dia-a-dia do chão de fábrica. Isso faz com que essas informações sejam de grande valia para todos aqueles que trabalham ou que ainda vão trabalhar com a Mecatrônica, principalmente dentro de um contexto industrial. Ficamos muito satisfeitos em saber que estamos alcançando nosso objetivo. 4

Prezados Laurinês e Everaldo, Everaldo, Infelizmente, não é possível ainda fazer a assinatura das revistas Mecatrônica Atual e Mecatrônica Fácil, pois é necessário que transcorram algumas edições para que a revista se fixe no mercado. Porém, tão logo isso seja se ja feito, será divulgado no nosso site (http:// (http:// www.mecatronicaatual.com.br)) e www.mecatronicaatual.com.br também na própria publicação.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

SEÇÃO DO LEITOR Mecatrônica Atual em todo o Brasil

Mecatrônica Fácil

É excelente a revista Mecatrônica Atual, gostaria de saber como fazer para assinar a revista, e se o suplemento Mecatrônica Fácil vai acompanhar a revista todos os meses mese s ou terá que ser adquirido adquir ido em separado. Agradeço. Antônio Carlos Gonçalves Vieira Vieira  Caro Antônio, Quando a “Mecatrônica Fácil” foi concebida, a idéia era que fosse um suplemento da revista “Mecatrônica Atual”. Porém, esta mostrou-se logo ser muito mais do que um suplemento, passando a ser uma revista. A dife- rença essencial entre as duas revistas é que a Mecatrônica Fácil destina- se àqueles que desejam adquirir os seus primeiros conhecimentos de Mecatrônica através de matérias de abordagem básica e projetos práticos. Entretanto, Entretanto, essas matérias servem ser vem também para aqueles que desejam rever alguns conceitos básicos que, por algum motivo, não tenham ficado devidamente sedimentados. O mesmo se aplica aos projetos práticos. Mui- tos leitores, que já trabalham com a Mecatrônica, estão explorando o cará- ter “lúdico” da matéria através da realização dos projetos práticos publica- dos, sejam construídos por ele mesmo, ou por seu filhos ou alunos. Por outro lado, a revista “Mecatrônica Atual” destina-se àqueles que já trabalham com a Mecatrônica. A partir desta edição passaremos a trazer mais artigos pertinentes ao contexto industrial, que é onde a Mecatrônica se faz mais presente, procurando apresentar dicas e soluções para aqueles que estão, direta ou indiretamente envolvidos com a Automação Indus- trial. Assim como a outra revista, isso não significa que aqueles que estão começando, não devam aproveitar esta oportunidade oportunida de de ver aplicações prá- ticas da Mecatrônica no dia-a-dia da Indústria. Portanto, as duas revistas têm condições de contribuir para todos os interessados, uma vez que o objetivo das duas é trazer informações informações sob abordagens diferentes.

Gostaria de obter informações de quando a revista Mecatrônica Atual será lançada em todo território nacional.Eu moro em Petrolina - PE, localizada no vale do São Francisco. Em nossa região está havendo um grande progresso em se tratando de automação de projetos de irrigação, mas os profissionais que saem das CEFET´s não conhecem CLPs, inversores, ou seja, instrumentação em geral. Vejo que a Editora Saber está nos beneficiando com boas informações na revista Saber Eletrônica, ficaria melhor ainda se a revista Mecatrônica Atual aparecesse por aqui. Atenciosamente,  Gilson Alencar Costa Prezado Gilson, As revistas Mecatrônica Atual e Mecatrônica Fácil são distribuídas em todo o Brasil. Caso você não as en- contre, pedimos que entre em conta- to conosco através do e-mail: a.leitor. e-mail: a.leitor. [email protected] informando os endereços das bancas que você não encontrou para que possamos verificar juntamente com a Dis- tribuidora o que ocorreu.

Erramos

Agradecemos a todos os leitores que nos chamaram a atenção para alguns erros cometidos na edição anterior. Pedimos aos leitores que anotem as correções. 1. Caix Caixas as de de redu reduçã ção o página 16 – Onde se lê: “... conduzem os transistores Q1 e Q3...” na verdade é: “... conduzem os transistores Q1 e Q4...” e onde se lê: “... conduzem os transistores transistores Q2 e Q4...” na verdade é: “... conduzem os transistores Q2 e Q3...”. 2. Os segre segredos dos da porta paralela paralela página 36 – Onde se lê: “...podemos “...podemos sugerir o circuito com o 74H451...” na verdade é: “...podemos sugerir o circuito com o 74LS451...” 74LS451...” e onde se lê: “...faz “...faz uso de um Latch Octal tipo Octal tipo D do D do tipo 74HC573...” na verdade é: “...faz uso de um Latch Octal tipo D do tipo 74LS573...” página 37 – Na figura 17, faltaram os circuitos (e), (f) e (g), que mostramos ao lado: MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

5

SEÇÃO DO LEITOR Mecatrônica Atual em todo o Brasil

Mecatrônica Fácil

É excelente a revista Mecatrônica Atual, gostaria de saber como fazer para assinar a revista, e se o suplemento Mecatrônica Fácil vai acompanhar a revista todos os meses mese s ou terá que ser adquirido adquir ido em separado. Agradeço. Antônio Carlos Gonçalves Vieira Vieira  Caro Antônio, Quando a “Mecatrônica Fácil” foi concebida, a idéia era que fosse um suplemento da revista “Mecatrônica Atual”. Porém, esta mostrou-se logo ser muito mais do que um suplemento, passando a ser uma revista. A dife- rença essencial entre as duas revistas é que a Mecatrônica Fácil destina- se àqueles que desejam adquirir os seus primeiros conhecimentos de Mecatrônica através de matérias de abordagem básica e projetos práticos. Entretanto, Entretanto, essas matérias servem ser vem também para aqueles que desejam rever alguns conceitos básicos que, por algum motivo, não tenham ficado devidamente sedimentados. O mesmo se aplica aos projetos práticos. Mui- tos leitores, que já trabalham com a Mecatrônica, estão explorando o cará- ter “lúdico” da matéria através da realização dos projetos práticos publica- dos, sejam construídos por ele mesmo, ou por seu filhos ou alunos. Por outro lado, a revista “Mecatrônica Atual” destina-se àqueles que já trabalham com a Mecatrônica. A partir desta edição passaremos a trazer mais artigos pertinentes ao contexto industrial, que é onde a Mecatrônica se faz mais presente, procurando apresentar dicas e soluções para aqueles que estão, direta ou indiretamente envolvidos com a Automação Indus- trial. Assim como a outra revista, isso não significa que aqueles que estão começando, não devam aproveitar esta oportunidade oportunida de de ver aplicações prá- ticas da Mecatrônica no dia-a-dia da Indústria. Portanto, as duas revistas têm condições de contribuir para todos os interessados, uma vez que o objetivo das duas é trazer informações informações sob abordagens diferentes.

Gostaria de obter informações de quando a revista Mecatrônica Atual será lançada em todo território nacional.Eu moro em Petrolina - PE, localizada no vale do São Francisco. Em nossa região está havendo um grande progresso em se tratando de automação de projetos de irrigação, mas os profissionais que saem das CEFET´s não conhecem CLPs, inversores, ou seja, instrumentação em geral. Vejo que a Editora Saber está nos beneficiando com boas informações na revista Saber Eletrônica, ficaria melhor ainda se a revista Mecatrônica Atual aparecesse por aqui. Atenciosamente,  Gilson Alencar Costa Prezado Gilson, As revistas Mecatrônica Atual e Mecatrônica Fácil são distribuídas em todo o Brasil. Caso você não as en- contre, pedimos que entre em conta- to conosco através do e-mail: a.leitor. e-mail: a.leitor. [email protected] informando os endereços das bancas que você não encontrou para que possamos verificar juntamente com a Dis- tribuidora o que ocorreu.

Erramos

Agradecemos a todos os leitores que nos chamaram a atenção para alguns erros cometidos na edição anterior. Pedimos aos leitores que anotem as correções. 1. Caix Caixas as de de redu reduçã ção o página 16 – Onde se lê: “... conduzem os transistores Q1 e Q3...” na verdade é: “... conduzem os transistores Q1 e Q4...” e onde se lê: “... conduzem os transistores transistores Q2 e Q4...” na verdade é: “... conduzem os transistores Q2 e Q3...”. 2. Os segre segredos dos da porta paralela paralela página 36 – Onde se lê: “...podemos “...podemos sugerir o circuito com o 74H451...” na verdade é: “...podemos sugerir o circuito com o 74LS451...” 74LS451...” e onde se lê: “...faz “...faz uso de um Latch Octal tipo Octal tipo D do D do tipo 74HC573...” na verdade é: “...faz uso de um Latch Octal tipo D do tipo 74LS573...” página 37 – Na figura 17, faltaram os circuitos (e), (f) e (g), que mostramos ao lado: MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

5

SEÇÃO DO LEITOR Esclarecimentos

Números Atrasados

Os segredos da porta paralela

1. O uso uso de resist resistore oress pequenos aumenta a capacidade de corrente, mas a tensão sobre ele é menor. Se bem que esta es ta solução seja adotada na excitação de LEDs e acopladores, não podemos dizer que é a melhor. 2. Os CIs CIs 74L 74LS5 S540 40 e 74LS541 são ambos buffers . A diferença é que o LS540 é inversor e o LS541 não inversor. O uso é o mesmo.

Olá, meu nome é Henrique do Amaral Marti, sou Técnico em Eletrônica e trabalho em uma empresa de telefonia.Comprei a primeira edição da revista MECATRÔNICA MECATRÔNICA ATUAL ATUAL e gostei muito, principalmente prin cipalmente das repor tagens sobre a porta por ta paralela e a programaçãousando PASCAL, foi de muito proveito para mim, até já montei um projeto usando os conhecimentos que adquiri com a revista.Fiquei revista.Fiquei esperando a segunda edição para que pudesse conhecer mais coisas a respeito da mecatrônica e do uso de computadores para o controle de placas eletrônicas desenvolvidas senvolvidas por mim, mas acontece que na cidade em que moro (São Roque, a 50 km da Grande São Paulo) as pessoas não são muito interessadas em publicações técnicas, principalmente das áreas de Eletrônica e Mecatrônica e até agora o jornaleiro não comprou a segunda edição. Eu já conversei com ele, mas ele não pareceu muito interessado em resolver o meu problema.  Será que não haveria uma forma para que eu pudesse comprar as revistas diretamente de vocês? Se houver, por favor me informem. Obrigado. Henrique do Amaral Marti Caro Henrique, Estamos muito contentes por receber um retorno tão positivo por par te de vocês, leitores. Agradecemos muito pelo incentivo e continuaremos nos empenhando em produzir materiais interessantes e, acima de tudo, úteis. Como ainda não estamos disponibilizando a assinatura da revista, a única forma delas serem adquiridas na Editora é depois que elas são recolhidas das bancas. È possível possível adquirir os números atrasados através do site: http:// www.mecatronicaatual.com.br ou pelo telefone: 11 69124700.

Pesquisa

Sugestões dos Leitores

Agradecemos Agradecemos a todos os que nos ajudaram respondendo a pesquisa contida na última edição. As informações recebidas foram muito valiosas para melhorarmos a qualidade dos artigos contidos contido s nas revistas, procurando adequálos às necessidades dos leitores. Pedimos que continuem nos ajudando, respondendo à pesquisa contida nesta edição para que possamos melhorar ainda mais as próximas edições. No primeiro número, oferecemos a resposta aos 10 pripr imeiros a enviar (considerando o carimbo do correio), uma caixa de redução para ser utilizada em projetos de Mecatrônica. Os contemplados foram:

Prezados Editores: Sou leitor assíduo da publicação Saber Eletrônica (Tecnologia - Informática - Automação), e gostei muito dessa nova revista Mecatrônica Atual e Mecatrônica Fácil, pois hoje em dia, para nós que trabalhamos na área, é de grande grande valia aperfeiçoar aperfeiçoar nossos conheciconhecimentos. Espero ver artigos de Instrumentação Industrial (Pressão, Temperatura, Vazão, pH, Viscosidade, Densidade e PID). Rogério Carvalho de Castro (Téc. em Instrumentação).

Anderson Abner de S. Souza – Parnamirim – RN André Hetterich Metzler – Florianópolis – SC Carlos A. Q. Pereira – São Paulo – SP J. Arthur N. F – Salvador – BA José Antônio Moraes – Tijucas – SC Luciano Batista dos Santos – São João de Meriti Marcos Alberto Bueno – Louveira – SP Paulo Vitor Vitor Pedroso – Cachoeira do Sul – RS Rafael Gomes Nogueira – Belo Horizonte – MG Reginaldo Fernando dos Reis – Poços de Caldas – MG 6

Prezado Rogério, Inicialmente, gostaríamos gostaríamos de agradecer a todos os leitores que nos enviam sugestões para a melhoria das nossas publicações. É muito importante recebermos este retorno e todas as sugestões críticas e comentários podem ser enviados para o e-mail: a.leitor.mecatronicaatual@editorasaber a.leitor.m [email protected] .com.br.. A partir desta edição, traremos matérias mais voltadas à Automação Industrial de modo que algumas das suas sugestões certamente serão contempladas nas próximas edições. MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

ELETRÔNICA

Alexandre Capelli Há dois anos, aproximadamente, publicamos na Revista Saber Eletrônica uma série (composta por três artigos) sobre inversores de freqüência. Na época, as Revistas Mecatrônica Fácil e Mecatrônica Atual estavam em uma fase “embrionária”, fazendo com que todos os artigos de robótica e automação caminhassem para uma única obra, isto é, a própria “Saber”. Como agora temos não apenas uma, mas sim duas revistas de mecatrônica, decidimos rever os artigos voltados a essas áreas, e que fizeram sucesso devido ao seu alto nível técnico e aplicação em campo. A idéia é publicá-los novamente, visto que agora já temos um público “alvo” bem definido para mecatrônica. Seriamos injustos, entretanto, se não fizessemos um “up-grade” desses artigos, acrescentando as últimas tendências de mercado. Sem dúvida, dessa forma, os artigos agregarão valor ao nosso antigo e fiel leitor que, por ventura, já tenha lido a primeira versão.

ACIONAMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS Um dos equipamentos mais clássicos da Eletrônica Industrial é o “acionamento”. Imaginem uma fábrica de papel, por exemplo. O produto deve ser “bobinado” pelas várias etapas do seu processo fabril e, para isso, as bobinas devem manter o papel esticado. Notem pela figura 1, 1, que a rotação e o sincronismo entre os dois motores elétricos devem ser extremamente precisos, pois caso um motor A “gire” mais rápido que um B, o papel ficará com folga (criando uma ‘barriga’). Por outro lado, se o motor B tender a “girar” mais rápido que o A, o papel poderá se esticar a ponto de quebrar. O acionamento, nesse caso, é utilizado para controlar a velocidade de rotação e torque do motor, de modo a manter a correta correta tensão mecânica do papel. Normalmente, utiliza-se um acionamento para cada motor. Assim como vimos o exemplo em uma “máquina de fazer papel”, os

ELETRÔNICA

Figura 1 - Motores A e B, sincronizados.

acionamentos são utilizados nos mais diversos equipamentos, tais como guindastes, elevadores, máquinasferramenta, etc... Há duas famílias de acionamentos: acionamentos de corrente contínua (também chamados conversores CC), e acionamentos de corrente alternada (também chamados de inversores de freqüência). O primeiro deles já se tornou obsoleto, sendo utilizado atualmente apenas em situações bem específicas. Mesmo assim, teremos de estudá-lo um pouco para que possamos compreender melhor os inversores de freqüência (assunto deste artigo).

ACIONAMENTO CC O motor CC tem como principal qualidade seu alto torque, e prova disso é que no metrô de São Paulo, bem como nos ônibus elétricos, o motor é CC. Esse tipo de motor é largamente utilizado em tração elétrica, situação em que necessitamos de alto torque (principalmente na partida). Como tudo na vida, também temos desvantagens em corrente contínua. O motor CC, devido à construção do seu rotor, e à comutação do coletor (faiscamento), não pode atingir uma velocidade muito alta . Outra desvantagem é a necessidade de constante manutenção (troca de escovas, limpeza, balanceamento, etc...). Atualmente, os custos de manutenção e o alto preço do motor CC limita8

ram a sua utilização em situações que exigem um torque muito alto. A fórmula que mostra o comportamento de um motor CC é apresentada a seguir, onde: E = tensão de alimentação (armadura); K = constante de material; φ = densidade do fluxo magnético; e η = velocidade de rotação (rpm).

E=Κ.φ.η Resumindo, em um motor CC a velocidade de rotação é proporcional à sua tensão de alimentação, e o torque é proporcional à corrente que circula pela armadura (enrolamento do rotor). Também o fluxo magnético influencia a rotação, só que de modo inverso

(quanto maior o fluxo, menor a rotação, e vice- versa). A figura 2 mostra o esquema geral de um acionamento CC. Notem que o acionamento é formado por 4 blocos básicos: regulador de velocidade; regulador de corrente; gerador de pulsos de disparo; e ponte retificadora. O primeiro bloco é formado por uma malha de amplificadores operacionais, cuja função é enviar ao próximo módulo uma tensão proporcional à diferença entre a tensão de controle (velocidade desejada) e a tensão real (velocidade real do motor). Isso quer dizer que, para comandarmos uma velocidade para o motor, basta “in jetarmos” uma tensão DC na entrada do primeiro módulo. A rotação do motor será proporcional a essa tensão de controle. Em máquinas operatrizes, por exemplo, essa tensão é enviada pelo comando numérico, e seu valor está entre 0 a 10 V.Para garantir que essa rotação não se altere quando o motor estiver com carga, um pequeno gerador de tensão “DC” é acoplado mecanicamente ao eixo do motor. A tensão de saída desse gerador fica sujeita às variações de velocidade do motor, visto que o eixo do gerador gira na mesma velocidade do motor.

Quando a rotação tende a cair, a tensão do gerador tende a diminuir e, imediatamente, a tensão de saída do módulo 1 aumenta, comandando um acréscimo de corrente para o segundo

Figura 2 - Acionamento CC.


ELETRÔNICA módulo. Com uma corrente maior, o torque do motor aumenta, e sua velocidade volta ao valor desejado. Quando a carga do motor é retirada, o processo é o inverso, isto é, a tensão do gerador aumenta, a tensão proporcional do módulo 1 diminui, e a corrente do módulo 2 também diminui, reduzindo o torque e impedindo o acréscimo de velocidade. Nada disso funcionaria sem um “elo” de ligação entre as duas primeiras “malhas” de controle e a ponte retificadora. Essa é justamente a função do terceiro bloco. Esse bloco é um gerador de pulsos de disparo. Através da tensão proporcional do módulo 2 (que é também resultado da proporção do módulo 1), esse módulo desloca os pulsos de disparo da ponte retificadora, aumentando ou diminuindo a potência do motor. O funcionamento detalhado desse bloco não será explorado neste artigo, porém é interessante para o leitor aprender sobre o circuito integrado mais utilizado para essa função, e que se trata do TCA 785. Na Saber Eletrônica número 322, o artigo “Controle de fase com o integrado TCA 785” demonstra com muitos detalhes como esse dispositivo opera. No quarto e último bloco trata-se apenas de uma ponte retificadora trifásica (formada geralmente por SCR’s), que é ligada ao motor através de um sensor de corrente (S). Esse sensor propicia uma tensão de referência ao módulo 2 (regulador de corrente) proporcional à corrente consumida pelo motor.

Conforme foi dito anteriormente, esse tipo de acionamento ficou obsoleto e está sendo substituído pelos inversores de freqüência . INVERSORES DE FREQÜÊNCIA A função do inversor de freqüência é a mesma do conversor CC, isto é, regular a velocidade de um motor elétrico mantendo seu torque (conjugado). A diferença agora é o tipo de motor utilizado. Os inversores de freqüência foram

Figura 3 - Esquema de um inversor de freqüência trifásico.

Figura 4 - Esquema de um inversor (monofásico) de freqüência.

desenvolvidos para trabalhar com motores AC.

O motor AC tem uma série de vantagens sobre o DC: - baixa manutenção - ausência de escovas comutadoras - ausência de faiscamento - baixo ruído elétrico - custo inferior - velocidade de rotação superior. Essas vantagens levaram a indústria a desenvolver um sistema capaz de controlar a potência (velocidade + torque) de um motor AC.

Conforme vemos na fórmula a seguir, a velocidade de rotação de um motor AC depende da freqüência da rede de alime ntação. Quan-


to maior for a freqüência, maior a rotação e vice-versa. N= 120.f / P onde: N= rotação em rpm f= freqüência da rede, em Hz p= número de pólos. Assumindo que o número de pólos de um motor AC seja fixo (determinado na sua construção), ao variarmos a freqüência de alimentação, variamos na mesma proporção, sua velocidade de rotação. O inversor de freqüência, portanto, pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável. Claro que isso é uma aproximação grosseira, porém dá uma idéia pela qual chamamos um acionamento CA, de “inversor de freqüência”. 9

ELETRÔNICA

Figura 5 - Sentido de circulação da corrente de A para B.

Figura 6 - Correntede B para A.

Os circuitos internos de um inversor são bem diferentes de um acionamento CC (conversor CC). A figura 3 ilustra um diagrama simplificado dos principais blocos. A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora (onda completa) trifásica, e dois capacitores de filtro. Esse circuito forma uma fonte DC simétrica, pois há um ponto de terra como referência. Temos então uma tensão contínua + V/2 (positiva) e uma –V/2 (negativa) em relação ao terra, formando o que chamamos de “barramento DC”. O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT’s e que, através de uma lógica de controle (terceira etapa), “liga e desliga” os transistores de modo a alternarem o sentido de corrente que circula pelo motor. Antes de estudarmos como é possível transformar uma tensão DC em AC, através do chaveamento de transistores em um circuito trifásico, vamos fazer uma “prévia”, em um circuito monofásico. Observem a fig. 4 , e notem que a estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao nos10

so modelo monofásico. A primeira etapa é o módulo de retificação e filtragem, que gera uma tensão DC fixa (barramento DC) e que alimenta 4 transistores IGBT’s. Imaginem agora que o circuito da lógica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem : primeiro tempo- transistores T1 e T4 ligados, e T3 e T2 desligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de A para B (fig. 5) ; segundo tempo- transistores T1 e T4 desligados, e T3 e T2 ligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de B para A (fig. 6) . Ao inverter-se o sentido de corrente, a tensão na carga (motor) passa a ser alternada, mesmo estando conectada a uma fonte DC. Caso aumentemos a freqüência de desses transistores, também aumentaremos a velocidade de rotação do motor, e vice-versa. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação), a forma-de-onda de tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada. Raramente encontramos aplicações monofásicas nas indústrias. A maioria dos inversores são trifásicos, portanto, façamos outra analogia de funcionamento tomando como base ainda o inversor trifásico da figura 3 . A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBT’s, de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada), alternada e defasada de 120º uma da outra. Como temos 6 transistores, e devemos ligá-los 3 a 3, temos 8 combinações possíveis, porém apenas 6 serão válidas, conforme veremos a seguir. Na figura 7 representamos os IGBT’s como chaves, pois em um inversor é assim que eles funcionam. Caso o leitor tenha interesse em estudar mais detalhadamente o funcionamento do IGBT, a revista Saber nº 326 publicou um artigo completo sobre o assunto. A lógica de controle proporcionará as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IGBT’s: 1º tempo T1, T2, T3 2º tempo T2, T3, T4 3º tempo T3, T4, T5

4º tempo T4, T5, T6 5º tempo T5, T6, T1 6º tempo T6, T1, T2 As possibilidades T1,T3,T5 e T4, T6, T2 não são válidas, pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial. Não havendo diferença de potencial, não há energia para movimentar o motor, portanto essa é uma condição proibida para o inversor. Vamos analisar uma das condições, e as restantes serão análogas. No 1º tempo temos T 1,T2,e T3 ligados, e os restantes desligados. O barramento DC possui uma referência central (terra), portanto temos +V/ 2, e –V/2 como tensão DC. Para que o motor AC possa funcionar bem, as tensões de linha Vrs, Vst, e Vtr devem estar defasadas de 120º. O fato da forma-de-onda ser quadrada e não senoidal (como a rede) não compromete o bom funcionamento do motor. Para esse primeiro tempo de chaveamento, teremos: Vrs = +V/2 – V/2 = 0 Vst = + V/2 – (- V/2)= + V Vtr = -V/2 – V/2 = - V Notem que, quando falamos em Vrs, por exemplo, significa a diferença de potencial entre R (no caso como T1, está ligado é igual a + V/2)e S ( + V/2 também). Analogamente: Vst = + V/2 – ( -V/2) = + V , e por aí vai ! Caso façamos as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IGBT’s, teremos a seguinte distribuição de tensões nas 3 fases do motor.

Figura 7 - IGBT's como chaves.


ELETRÔNICA

“Traduzindo” essa tabela em um diagrama de tempos, teremos as três formas-de-onda de tensão, conforme mostra a figura 8. Notem que as três fases estão defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede elétrica trifásica. CURVA V/F Como vimos anteriormente, se variarmos a freqüência da tensão de saída no inversor , alteramos na mesma proporção a velocidade de rotação do motor.

Normalmente, a faixa de variação de freqüência dos inversores fica entre 5 e 300 Hz (aproximadamente). A função do inversor de freqüência, entretanto, não é apenas controlar a velocidade de um motor AC. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação, quando o motor estiver com carga. Um exemplo clássico desse problema é a máquina operatriz. Imaginem um inversor controlando a ve-

Figura 8 - Forma-de-ondas da tensão.

locidade de rotação de uma placa (parte da máquina onde a peça a ser usinada é fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, uma carga mecânica é impos ta ao motor, que deve manter a rotação constan te. Caso a rotação se altere, a peça pode apresentar um mau acabamento de usinagem. Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razão V/F constante. Isto é, caso haja mudança de freqüência, ele deve mudar ( na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha, por exemplo: f = 50 Hz V = 300 V V/f = 6 Situação 1: o inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva V/f está parametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300 V. f = 60Hz V = 360 V V/f = 6 Situação 2 : o inversor recebeu uma nova instrução para mudar de 50 Hz para 60 Hz. Agora a tensão passa a ser 360 V, e a razão V/f mantém-se em 6. Acompanhe a curva mostra na figura 9. O valor de V/f pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e dependerá da aplicação. Quando o inversor necessita de um grande torque, porém não atinge velocidade muito alta, atribuímos a ele o maior V/f que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades, e alto torque. Já no caso em que o inversor deva operar com altas rotações e com torques não tão altos, parametrizamos um V/f me-


nor, e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação. Mas, como o inversor poderá mudar a tensão V, se ela é fixa da no barramento DC através da retificação e filtragem da própria rede? O inversor altera a tensão V, oriunda do barramento DC, através da modulação por largura de pulso (PWM). A unidade lógica, além de distribuir os pulsos aos IGBT’s do modo já estudado, também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho). Quando V tem que aumentar ,os pulsos são “alargados” (maior tempo em ON), e quando V tem que diminuir, os pulsos são “estreitados”. Dessa forma, a tensão eficaz entregue ao motor poderá ser controlada. A freqüência de PWM também pode ser parametrizada, e geralmente encontra-se entre 2,5 kHz e 16 kHz. Na medida do possível, devemos deixá-la próxima do limite inferior, pois assim diminuímos as interferências eletromagnéticas geradas pelo sistema (EMI). Observe na figura 10 um con junto de cinco inversores de freqüência para centro de usinagem. O INVERSOR POR DENTRO A figura 11 mostra um diagrama de blocos de um inversor de freqüência típico. Cabe lembrar que cada fabricante utiliza sua própria tecnologia, mas esse modelo abrange uma grande parte dos inversores encontrados no mercado atual. Podemos, portanto, dividi-lo em 4 blocos principais:

Figura 9 - Curva Tensão x Freqüência.

11

ELETRÔNICA 2º bloco – IHM O 2º bloco é o IHM (Interface Homem Máquina). É através desse dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display), e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas). A figura 12 mostra um IHM típico, com suas respectivas funções. Esse módulo também pode ser remoto.

Figura 10 - Inversor de freqüência em um centro de usinagem.

1º bloco – CPU A CPU (Unidade Central de Processamento) de um inversor de freqüência pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador (como o PLC ). Isso depende apenas do fabricante. De qualquer forma, é nesse bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema ) estão armazenadas,

visto que também uma memória está integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT’s. O funcionamento dessa lógica está descrito no artigo passado.

3º bloco – Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada através de dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de rotação de um motor AC no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. Essa tensão se situa entre 0 a 10 Vcc. A velocidade de rotação (rpm) será proporcional ao seu valor, por exemplo : 1 Vcc = 1000 rpm, 2 Vcc = 2000 rpm, etc... Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico (ex: 0 a 10 Vcc sentido horário , e – 10V a 0 anti - horário). Esse é o sistema mais utilizado em máquinas – ferramenta automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC).

Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de um parâmetro de programação, podemos selecionar qual entrada é válida (analógica ou digital). 4º bloco – Etapa de potência A etapa de potência é constituída por um circuito retificador , que alimenta (através de um circuito intermediário chamado “barramento DC”) o circuito de saída inversor (módulo IGBT). Maiores detalhes sobre essa etapa também poderão ser vistos no número já citado (Saber nº 327). INSTALAÇÃO DO INVERSOR Feita essa pequena revisão da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instalá-lo. A figura 13 mostra a configuração básica de instalação de um inversor de freqüência. Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infini-

Figura 11 - D.B. de um Inversor de Freqüência.

12

dade de aplicações diferentes para os inversores. Portanto, o esquema da figura refere-se à versão mais comum.


ELETRÔNICA - O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. - O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5 Ω (norma IEC536), e isso pode ser facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.

- Caso o inversor possua uma interface de comunicação( RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.

Figura 12 - IHM típico.

Sensores e chaves extras, com certeza, serão encontrados em campo, mas a estrutura é a mesma. Os terminais identificados como: R,S,eT (ou L1, L2, e L3), referem-se à entrada trifásica da rede elétrica. Não é comum encontrarmos inversores monofásicos aplicados na indústria. Para diferenciar a entrada da rede para a saída do motor, a saída( normalmente) vem indicada por: W,V,e U. Além da potência, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua própria configuração, portanto, para saber “quem é quem” temos de consultar o

No exemplo da figura 13 , temos um CNC comandando um inversor através da sua entrada analógica (0 a 10 Vcc). Nesse caso, as entradas digitais foram utilizadas para um botão de emergência , e um sensor de velocidade de rotação (encoder).

manual de respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes são as entradas (analógicas ou digitais), e as saídas (geralmente digitais).

- Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica trifásica, com a saída trifásica para o motor.

OS “DEZ MANDAMENTOS” DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

Figura 13 - Instalação de um inversor de freqüência.


- Devemos evitar ao máximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta) cabos de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos, digitais, RS 232, etc...).

- O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação, ou, caso a potência seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno. - A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de +ou- 10% em sua amplitude. - Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados. - Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o “terra” em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referência “PE” ( proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde ( ou apenas verde ). - Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse caso, causará um aquecimento excessivo ( e possivelmente sua queima ). - Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor. O inversor de freqüência é, infelizmente, um grande gerador de EMI (interferências eletromagnéticas) e, caso não o insta13

ELETRÔNICA larmos de acordo com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina ( ou sistema ) ao seu redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificação CE (Comunidade Européia) exige que a emissão eletromagnética chegue a níveis baixíssimos (norma IEC 22G – WG4 (CV) 21). PARAMETRIZAÇÃO Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso “informar” a ele em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem inversores com tal nível de sofisticação, que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900! Obviamente, neste artigo, veremos apenas os principais e não utilizaremos particularidades de nenhum fabricante, pois um mesmo parâmetro, com certeza, muda de endereço de fabricante para fabricante. A partir de agora, portanto, nosso inversor imaginário será da marca “Saber”. O inversor de freqüência Saber tem as mesmas funções dos demais fabricantes ( Siemens, Yaskawa, ABB, etc... ), porém, temos a liberdade de nomearmos segundo a nossa conveniência, a ordem dos parâmetros. Isso não deverá dificultar o trabalho com inversores reais, pois basta associarmos com os indicados pelo manual do fabricante específico. Parâmetro 001: Tensão nominal do motor. Esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, lembrando que não necessariamente como P 001, e serve para informarmos ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. Suponha que o motor tenha tensão nominal 380 VCA. Como vamos introduzir essa informação (parâmetro) no inversor? Tomando como base a figura 12 (IHM) vamos observar a seqüência de “teclas”. O display deverá estar 0.0 (pois só podemos parametrizar o inversor com o motor parado). 14

1º passo Acionamos a tecla P e as setas   para acharmos o parâmetro. Ex: P , e  até achar o parâmetro respectivo. No nosso caso, é logo o 1º OOO1 2º passo Agora aciona-se Pnovamente, e o valor mostrado no display será o valor do parâmetro, e não mais a ordem em que ele está. Ex: O 2 2 O 3º passo Como no exemplo a tensão desse parâmetro está em 220 VCA, e nosso motor funciona com 380 VCA, acionamos P , e  até chegar nos 380. O38O 4º passo Basta acionar P novamente, e o novo parâmetro estará programado. Cerca de 90% dos inversores comerciais funcionam com essa lógica! Todos os demais parâmetros são programados de forma análoga. Parâmetro 002: Freqüência máxima de saída . Esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor. Parâmetro 003: Freqüência mínima de saída. Esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor. Parâmetro 004: Freqüência de JOG. A tecla JOG é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu regime normal. Por exemplo : encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente. Parâmetro 005: Tempo de partida (“rampa de subida”). Esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue à velocidade programada, estando ele parado. O leitor pode pensar : “Quanto mais rápido melhor”. Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas ( Ex: placas

de tornos com peças grandes, guindastes, etc...), uma partida muito rápida poderá “desarmar” disjuntores de proteção do sistema. Isso ocorre, pois o pico de corrente, necessário para vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, esse parâmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor (fig 14). Parâmetro 006: Tempo de parada (rampa de descida). O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada e, como a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada (fig 15).

Parâmetro 007 – Tipo de frenagem Parâmetro = 1 Parada por rampa Parâmetro = 0 Parada por CC No inversor “Saber”, o parâmetro 007 pode assumir dois estados: “1” ou “0”. Caso esteja em 1, a parada do motor obedecerá a rampa programada no P 006. Caso esteja em 0, o motor terá sua parada através da “injeção” de corrente contínua em seus enrolamentos. Em um motor AC, quando submetemos seus enrolamentos a uma tensão CC, o rotor pára imediatamente (“estanca”), como se uma trava mecânica atuásse em seu eixo. Portanto, o projetista de máquinas deve pensar muito bem se é assim mesmo que ele deseja que a parada ocorra. Normalmente esse recurso é utilizado para cargas mecânicas pequenas (leves), e que necessitam de resposta rápida (Ex: eixos das máquinas - ferramenta). Parâmetro 008: Liberação de alteração de parâmetros: Parâmetro = 1 os parâmetros podem ser lidos e alterados. Parâmetro = 0 os parâmetros podem ser apenas lidos. Esse parâmetro é uma proteção contra “curiosos”. Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da máquina, utiliza-se um parâmetro específico como proteção.


ELETRÔNICA Parâmetro 009: Tipo de entrada

Parâmetro = 1 a entrada significativa é analógica (0 – 10 Vcc). Parâmetro = 0 a entrada significativa é digital.

Para parametrizar um inversor real, basta consultar o manual do fabricante, e fazer uma analogia com esse artigo. Temos certeza que as pequenas diferenças não serão obstáculos para o leitor. DIMENSIONAMENTO

Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso esteja em 1 , a velocidade será proporcional à tensão analógica de entrada. A entrada digital será ignorada. Caso o parâmetro esteja em 0, a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analógico não mais influenciará.

Parâmetro 010: Freqüência de PWM Parâmetro = 1 Freq. PWM = 2 kHz Parâmetro = 2 Freq. PWM = 4 kHz Parâmetro = 3 Freq. PWM = 8 kHz Parâmetro = 4 Freq. PWM = 16 kHz Esse parâmetro determina a freqüência de PWM do inversor. Notem que para P 010 = 1 temos 2 kHz, e os demais dobram de valor até 16 kHz (freqüência máxima).

Para evitarmos perdas no motor, e interferências eletromagnéticas (EMI), quanto menor essa freqüência, melhor. O único inconveniente de parametrizarmos o PWM com freqüências baixas (2 ou 4 kHz) é a geração de ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais “barulhenta”. Portanto, devemos fazer uma “análise crítica” das condições gerais do ambiente de trabalho, antes de optarmos pelo melhor PWM. Como dissemos anteriormente, existe uma infinidade de parâmetros nos inversores. Neste artigo, mostramos apenas os 10 principais, que já serão suficientes para o leitor “colocar para rodar” qualquer máquina. Lembrem-se que o inversor de freqüência da marca Saber é fictício. A ordem dos parâmetros foi “inventada” para viabilizar a didática, porém, é bem parecida com a maioria dos inversores comerciais.

Como posso saber: qual é o modelo, tipo, e potência do meu inversor para a minha aplicação? Bem, vamos responder a essa pergunta em três etapas:

Figura 14 - Rampa de partida do inversor.

Potência do inversor: Para calcularmos a potência do inversor, temos de saber qual motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente, a potência dos motores é dad a em CV ou HP. Basta fazermos a conversão para watts, e o resto é fácil. Vamos dar um exemplo prático: Rede elétrica = 380 VCA Motor = 1 HP Aplicação = exaustor industrial Cálculos: 1 HP = 746 W ( e 1 CV = 736 W ). Portanto, como a rede elétrica é de 380 VCA, e os inversores (normalmente) possuem um fator de potência = 0,8 (Cos ϕ = 0,80), teremos: CI = Corrente do inversor CI =

Pot em watt . Tensão rede x Cosϕ

CI = 746 W 380. 0,8

= 2,45 ampères

Tensão de entrada = 380 VCA Corrente nominal = 2,5 A (“arredondando 2,45 para cima”). Tipo de inversor: A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação e torque el evado para rotação baixa ou zero ( ex: guindaste, pontes rolantes , elevadores , etc...).

Como no nosso caso trata-se de um exaustor, um escalar é suficiente.


Figura 15 - Rampa de descida do inversor.

Modelo e fabricante : Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, ou procurarmos um que atenda (no nosso exemplo ) as seguintes características mínimas : - Tensão de entrada : 380 VCA - Corrente nominal : 2,5 A - Tipo : escalar. Todas as demais funções são opcionais. Quanto ao fabricante, o preço deve determinar a escolha. Apenas como referência ao leitor, os mais encontrados na indústria são: Siemens, Weg, Yaskawa, e GE (Fanuc).

CONCLUSÃO No próximo número estudaremos os inversores de freqüência vetoriais. Mais precisos, eles estão dominando a tecnologia de movimento. Além disso, também a nalisaremos os demais dispositivos de controle e processos de automação em máquinas, ferramentas e robôs industriais. l 15

PNEUMÁTICA

O A VANÇO DA PNEUMÁTICA A TRA VÉS DA AV ATRA TRAVÉS

“DUPLA PRESSÃO” José Carlos Amadeo

Centro Universitário Salesiano de São Paulo

O presente artigo tem como objetivo levar os projetistas de equipamentos pneumáticos a terem um raciocínio diferente, no que diz respeito à elaboração de sistemas e/ou equipamentos para Automação, que utilizem o ar comprimido como fonte principal de energia.

O interesse deste tema está diretamente relacionado à redução do consumo de energia elétrica e, conseqüentemente, redução dos custos, ao aumento da produtividade e ao aumento da vida útil dos equipamentos pneumáticos. Redução dos custos operacionais: A redução de energia elétrica, esta diretamente relacionada na utiliza-

16 16

ção da “Dupla Pressão”, porque irá proporcionar, nos circuitos pneumáticos, pressões diferenciadas , na qual os compressores não precisam “trabalhar” mais para suprir uma pressão maior, permanecendo , conforme o consumo dos equipamentos pneumáticos instalados, um bom tempo desligado, ou mesmo operando em “ vazio ” , consumindo menos energia.


PNEUMÁTICA Aumento da produtividade: A produção será aumentada porque os equipamentos pneumáticos serão capazes de produzir mais peças/produtos em tempos menores, devido ao aumento da velocidade (no avanço) dos cilindros pneumáticos. Aumento da vida útil dos equipamentos pneumáticos: Está diretamente relacionado à baixa pressão, utilizada nos equipamentos pneumáticos , diminuindo os atritos internos e consequentemente os desgastes de seus componentes .

(82,3 psig), mantida constante, reduziremos em 20 % a pressão utilizando a válvula redutora de pressão. Se reduzirmos a pressão em aplicações que não exigem forças de operação, teremos como resultado uma economia razoável, como veremos mais adiante. Cada vez que “exigimos” do compressor pressões maiores do que o necessário, teremos como resultado um gasto maior de energia elétrica, obrigando o compressor a operar em regime continuamente ligado, mantendo aquela pressão superdimensionada e desnecessária, em regime de operação constante.

POR QUE UTILIZAR VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO?

O CUSTO DA GERAÇÃO DO AR COMPRIMIDO

Sendo o ar comprimido um gás compressível, este dificilmente estará disponível nos pontos de consumo a uma pressão constante e/ou necessária para o comando dos componentes pneumáticos. A operação indispensável das válvulas reguladoras de pressão é aplicada entre a fonte geradora de ar comprimido e os diversos pontos de consumo. Sua principal função é, além de reduzir a pressão primária (também conhecida como “pressão a montante”), manter a pressão secundária (“pressão a jusante”) constante. Condições estas necessárias para o controle de equipamentos pneumáticos, tais como: ferramentas pneumáticas, cilindros lineares e/ou rotativos, motores pneumáticos, válvulas de controle, injetoras / prensas de impacto, sistemas de pinturas, robótica entre outras aplicações... Se analisarmos todas as aplicações de uso do ar comprimido, iremos notar que os reguladores de pressão são componentes indispensáveis e os mais notados na distribuição geral de uma rede de ar comprimido. COMO UTILIZAR OS REGULADORES DE PRESSÃO, OBJETIVANDO A REDUÇÃO DE CUSTOS NA REDE DE AR COMPRIMIDO E NOS PONTOS DE CONSUMO? Para uma maior eficiência na distribuição de uma rede de ar, será necessário que as pressões nos pontos de consumo sejam inferiores a 20 % da pressão geradas pelo(s) compressor(es) de ar. Isto significa que, ao projetarmos qualquer equipamento pneumático, não devemos levar em consideração a pressão disponível na rede (a que sai dos compressores), mas sim a pressão disponível e necessária no ponto de consumo, como medida de redução de custos e segurança operacional. EXEMPLO PRÁTICO Se dispusermos, na rede de ar comprimido, de uma pressão de 7 Bar (ou 102,9 psig), qual será a pressão ideal de operação no seu ponto de consumo? Caso o equipamento que desejamos empregar, por exemplo uma furadeira, tenha no seu manual de fabricante a pressão operacional especificada de 5,6 Bar MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

Poucos são os usuários que têm uma noção de quanto custa o ar comprimido. A maioria o considera como uma fonte de energia barata. Daí o engano desses usuários. Vamos analisar os valores a seguir, extraídos dos principais fabricantes de componentes pneumáticos, e também dos próprios fabricantes de compressores de ar comprimido. O custo do ar comprimido é de aproximadamente US$ 0,30 para cada 1000 SCFM (pés cúbicos por minuto) ou 28 metros cúbicos por minuto de ar comprimido consumido (valor em dólar para termos um referencial mais seguro). O exemplo a seguir irá nos demonstrar a real economia de um sistema de Automação Pneumática operando com o princípio da “Dupla Pressão”. Lembramos que este exemplo está baseado na utilização de um atuador pneumático de ação dupla, que emprega ar para avançar e ar para retornar, e quando não forem exigidas forças para a execução das tarefas no seu retorno. EXEMPLO PRÁTICO II Neste exemplo, a função principal do atuador pneumático é avançar uma ferramenta para executar uma operação de prensagem. A pressão projetada para que este sistema execute sua função de prensagem é 65 psig (ou 4,5 Bar), realizando o trabalho de “força no avanço”. O retorno desta ferramenta será sem carga (força = 0), ou seja, apenas retornando a ferramenta à sua posição inicial. Neste caso perguntamos: por que utilizarmos a mesma pressão empregada no avanço (de 65 psig) para retornar a ferramenta, se o atuador pneumático não irá executar nenhuma força? Procedimento: Introduzir uma Válvula Reguladora de Pressão e regular a pressão de retorno para uma pressão inferior, por exemplo, igual a 25 psig (1,7 Bar). Aqui começam nossos argumentos para a redução de custos, vejamos nosso exemplo prático: Qual será a diferença de custo (por ano) entre operar o sistema com um único regulador de pressão (65psig) em um circuito pneumático e com dois reguladores de pressão, sendo um com 65 psig e o outro com 25 psig? 17

PNEUMÁTICA Sistema operacional PARA CONVERTER POLEGADAS CÚBICAS EM PÉS CÚBICOS Multiplicar pelo fator 0,0005787 ou dividir pelo fator 1.728 Exemplo: 353,43 polegadas cúbicas x 0,0005787 = 0,204 pés cúbicos ou 353,43 pol3 / 1.728 = 0,204 pés cúbicos.

7 (horas/dia) X 6 (dias/semana) X 50 ( semanas/ano) X 60 (minutos) = 126.000 minutos/ano. Cálculo do volume de ar comprimido consumido pelo atuador pneumático durante o avanço Fórmula = (π x (D 2 /4)) x S (curso) Volume (consumo de ar no avanço) = ( π x (52 /4)) x 18 = 353,43 pol3 /min ou 0,204 pés cúbicos por minuto.

Antes, queremos lembrar que neste projeto estaremos “investindo” na aquisição de mais um componente, o segundo regulador de pressão, cujo valor será “pago” em pouco tempo, pela economia de energia conseguida. Vamos lá, mãos a obra! Pegue uma calculadora para não se perder nos cálculos... DADOS DO PROJETO Pressão de alimentação da rede de ar comprimido = 100 psig (6,8 Bar) (D) = Diâmetro interno do cilindro pneumático = 5" (127 mm) (Dh) = (Diâmetro da haste) = 2" (51 mm) (S) = Curso do cilindro pneumático = 18 “ (457 mm) (Ta) =Tempo de avanço = 2 segundos (Tr) = Tempo de recuo = 1 segundo (Ht) =Horas de trabalho = 7 horas/dia (d) = Dias = 6 dias/semana (s) = Semanas = 50 semanas/ano Custo do ar comprimido = US$ 0,30 / 1000 SCFM consumido. CÁLCULOS O ciclo que este atuador pneumático irá executar será: Ta + Tr = 3 segundos ou 20 ciclos/minuto

Cálculo do volume de ar comprimido consumido pelo atuador pneumático durante o recuo (π x (D2 - Dh2)/4) X S = π ((52 - 22)/4) x 18 = 297 pol3 / min = 0,171pcm O próximo passo é calcular o fator de compressão do ar comprimido, ou seja, o quanto o ar está comprimido em relação à pressão atmosférica. Para isso, tomamos o valor da pressão de saída, somamos o valor da pressão atmosférica (14,7 psig) e dividimos o resultado pela pressão atmosférica. Utilizando os valores temos, no avanço: Fc = Fator de compressão do ar comprimido = (65 + 14,7) / 14,7 = 5,42 e no retorno, a pressão de 25 psig: Fc = (25 + 14,7) / 14,7 = 2,7 Agora, com os valores obtidos é possível calcularmos os custos deste equipamento operando sem e com a utilização da “Dupla Pressão”. Inicialmente, faremos o cálculo do sistema operando com a mesma pressão, ou seja, 65 psig.

Tabela 1 - Pórticos de uma válvula 5/2.

18


PNEUMÁTICA Para isso, calcularemos o consumo anual de ar comprimido e multiplicaremos este valor pelo custo do ar (US$ 0,30 para cada 1.000 pcm produzidos). Custo no avanço A quantidade de ar consumida é: Volume consumido por minuto x Fator de compressão x Ciclo do cilindro x Sistema operacional 0,204 (pcm) x 5,42 (F c) x 20 (ciclos) x 126.000 (minutos por ano): = 2.786.313,6 pcm x US$ 0,30 (preço do ar comprimido) = US$ 835.894,08 dividido por 1000 pcm = US$ 835,89

= US$ 835,89. A diferença ocorre no retorno, pois o cilindro volta com a pressão de 25 psig. Fazendo os cálculo do custo teremos: 0,171 x 2,7 x 20 x 126.000 = 1.163,48 pcm x US$ 0,30 = US$ 349.045,20 dividido por 1000 pcm = US$ 349,04 Total por ano = US$ 1.184,00 CONCLUSÃO Comparado este último resultado com os US$ 1.536,56 gastos utilizando a mesma pressão no avanço e no recuo, a economia por ano utilizando o sistema de “Dupla Pressão” será de:

Custo no retorno US$ 1.536,56 - US$ 1.184.93 = US$ 351,63 0,171 (pcm) x 5,42 (Fc) x 20 (ciclos) x 126.000 (minutos /ano) = 2.335.586,4 pcm x US$ 0,30 = US$ 700.675,92 - dividido por 1000 pcm = US$ 700,67 Total por ano : US$ 835,89 (no avanço ) + US$ 700,67 (no retorno) = US$ 1.536,56 Se operarmos o mesmo sistema com a “Dupla Pressão”, ou seja, com pressões diferenciadas, teremos o seguinte: o custo de avanço permanece o mesmo, porque necessito utilizar a pressão de 65 psig para realizar a “força” especificada no projeto:

Figura 1 - Exemplo de um circuito pneumático utilizando duas pressões de comando.


Observação: Para realizar este circuito pneumático, será necessário utilizar válvulas de comando que permitem esta aplicação. Nem todos os produtos pneumáticos disponíveis no mercado estão projetados para a aplicação da dupla pressão. EXEMPLO DE UM CIRCUITO PNEUMÁTICO UTILIZANDO DUAS PRESSÕES DE COMANDO Para uma melhor interpretação do circuito pneumático mostrado na figura 1, descrevemos a seguir a função e o significado de cada pórtico de uma válvula 5/2 vias (cinco vias – duas posições – simples solenóide de ação direta) representada na figura 2, levando em consideração a observação mencionada acima. Os números (código americano) ou letras (código europeu) utilizados, estão de conformidade com o Sistema Internacional. Note a configuração das setas, contrárias à uma Simbologia Normal. A entrada nº 1 ficou como escape único, as saídas nº 3 e 5 ficaram com entradas de ar, e as saídas nº 2 e 4 permaneceram como fontes alimentadoras de ar para o Atuador Pneumático. Note também que na saída 1 da figura 1 é utilizado apenas um silenciador de escape. l

Figura 2 - Válvula solenóide de 5/2 vias - retorno por mola.

19

MANIPULADORES

Fernando A. Pazos

1ª Parte

Coordenador do Laboratório de Robótica Instituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro

DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS Na indústria moderna e também em laboratórios de ensino e pesquisa, cada vez mais estão sendo utilizados diversos tipos de robôs nos processos de manufatura, de “ensamblamento” de dispositivos, de embalagem, de seleção de materiais ou de controle da qualidade. Mas, o quê se entende exatamente por um robô ? Existem muitas definições diferentes, dependendo do ponto de vista e, em geral, da área na qual se trabalha com os robôs. Uma acepção supostamente “oficial” do termo robô foi estabelecida pela Associação das Indústrias de Robótica (RIA): “Um robô industrial é um manipulador reprogramável e multifuncional, pro jetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas”. Essa definição, do ponto de vista de uma concepção ampla do termo robô, corresponde apenas a uma classe específica, precisamente a dos robôs manipuladores. Contudo, ela pode ser ampliada. Primeiramente, para entender o significado de “robô” deve-se começar por definir alguns conceitos básicos, partindo do conceito de máquina. O que se entende exatamente quando se fala em máquina? Muitas definições podem ser dadas também. Aqui esse conceito será focalizado do ponto de vista da utilidade, e para isso será

20

definida máquina como “qualquer dispositivo capaz de transformar energia em trabalho útil ”. Que energia? Qualquer uma, sem distinção da fonte, podendo ser energia elétrica, térmica, nuclear, solar, química, magnética e até energia proveniente da força humana. O que se entende por trabalho útil? O conceito de trabalho do ponto de vista físico é a aplicação dessa energia, por exemplo, numa força que se desloca por uma determinada distância. Veja a figura 1. Observe-se que obedecendo e atendendo essa definição, muitas coisas podem ser entendidas como máquinas, desde objetos simples de uso quotidiano até complexos dispositivos eletrônicos e/ou mecânicos. Por exemplo, uma alavanca, um plano inclinado, uma polia, uma engrenagem,


MANIPULADORES

Figura 1: Transformação de energia em trabalho útil.

um alicate, são máquinas simples. Um motor, um computador, uma lavadora de roupas, são máquinas mais complexas. É possível estabelecer inclusive diferentes classificações das máquinas focalizando diversos pontos de vista, discriminando-as segundo o tipo de energia empregada para gerar esse trabalho, o que as dividiria em máquinas elétricas, térmicas, manuais, etc. A classificação que será utilizada aqui está baseada na origem da fonte de energia, isto é, se a fonte de energia for proveniente da força humana ou externa à ação do operador. Assim, serão divididas as máquinas em automáti- cas e não automáticas ou manuais . Por máquina automática entende-se toda aquela cuja energia provém de uma fonte externa, tipo energia elétrica, térmica, etc., constituindo os casos das máquinas elétricas, de combustão, a vapor, entre outras fontes possíveis. Por máquina não automática ou manual entende-se toda aquela que precisa da energia permanente do operador para efetuar o trabalho. Dentre as máquinas automáticas é possível fazer também diversas classificações, segundo o tipo de energia, características construtivas, peso ou tamanho. Mas aqui será apresentada a seguinte classificação: serão divididas as máquinas automáticas em programáveis e não programáveis. Por máquina automática não programável entende-se toda aquela que, ao receber a energia da fonte, efetua sempre o mesmo trabalho, enquanto que por máquina automática programável entende-se aquela cujo trabalho depende em certa medida de instruções previamente dadas pelo operador, seja qual for o meio pelo qual foram introduzidas essas instruções na máquina e o formato delas. Essas instruções serão chamadas genericamente pelo nome de programa . Imagine-se uma máquina que possui uma série de chaves ou switches e que, ao receber energia, o trabalho que efetua depende da posição desses switches . Estamos na presença de uma máquina automática


programável. É claro que uma máquina controlada por um computador (ou algum outro tipo de processador eletrônico digital) cuja tarefa dependerá também do programa que execute o processador, ainda é uma máquina automática programável. Mas uma máquina automática com um controle de tempo, efetuado através de um temporizador que o usuário pode ajustar determinando o seu período de funcionamento, não é uma máquina automática programável, uma vez que o ajuste de tempo não pode ser considerado um programa. A tarefa é sempre a mesma, mudando apenas a sua duração. São exemplos dessas máquinas automáticas não programáveis a lavadora de roupas e a televisão. Igualmente não podem ser consideradas máquinas automáticas programáveis aquelas que possuem um controle de intensidade, que o usuário pode regular. Neste caso, a tarefa é sempre a mesma e não depende de programa nenhum, somente muda a intensidade dela. Exemplos disso são os condicionadores de ar que possuem um termostato, as lâmpadas com reguladores de intensidade de luz, etc. Neste ponto, já existem condições de definir o termo robô, pelo menos no que concerne ao interesse deste artigo. Será definido robô justamente como uma máquina automática programável.

Também podem se classificar de diversas maneiras os diferentes tipos de robôs, o que será feito do ponto de vista das suas diferentes utilidades. A primeira classe a considerar é a dos robôs manipuladores , já definidos anteriormente. São exemplos de robôs manipuladores os braços mecânicos, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto para outro do espaço ou acompanhando uma trajetória dentro de um volume de trabalho. Serão distinguidos também os robôs explorado- res , ou robôs que têm como objetivo explorar um determinado ambiente, o qual pode não ser necessariamente uma superfície plana, e sim um determinado espaço ou inclusive um objeto fixo, revelando através de sensores as características físicas dele. Um claro exemplo dessa classe é o robô enviado a Marte para monitoramento da superfície do planeta. A terceira classe a considerar aqui será a das má- quinas-ferramenta , ou robôs que têm por objetivo processar uma determinada matéria prima, aumentando o valor agregado. São exemplos disso os robôs de solda, nos quais devem ser programados os movimentos da ponta de solda para acompanhar os contornos das peças a soldar; as furadeiras de controle numérico, onde no programa figuram as coordenadas e diâmetros dos furos a serem realizados; os tornos de controle numérico, entre muitas outras máquinas de uso comum na indústria metalúrgica.

21

MANIPULADORES O tipo mais conhecido de robô manipulador é o famoso braço mecânico. Ele consiste numa série de corpos rígidos interligados por juntas que permitem um movimento relativo entre esses corpos, assemelhando-se assim sua forma geral à de um braço humano, às vezes quase com as mesmas possibilidades de movimento. Todo robô manipulador possui em algum ponto da sua estrutura física um dispositivo chamado de efetuador , o qual tem como função operar sobre o objeto a ser manipulado. Ele pode ser uma ferramenta, como uma ponta de solda, por exemplo, destinada a soldar uma superfície; pode ser algum dispositivo especial, como uma câmera de vídeo; mas em geral trata-se de algum tipo de garra capaz de segurar uma peça com o intuito de deslocá-la pelo seu espaço de trabalho. Em particular, os braços mecânicos costumam ter uma garra como efetuador, embora a maioria dos braços industriais permitam trocar esse dispositivo efetuador com facilidade. Figura 2: Classificação das máquinas.

Finalmente, serão entendidos os outros tipos de robôs que não entram nas definições anteriores como de uso geral . Um exemplo disso é um controlador de temperatura programável, que tem por objetivo manter a temperatura de um ambiente ou sistema em um determinado nível, ou percorrendo uma determinada excursão térmica, segundo um programa previamente indicado ao controlador. Observe-se que, segundo a definição especificada aqui, este controlador de temperatura é considerado um robô, mesmo que não possa efetuar movimento algum. Acompanhe a ilustração da figura 2. ROBÔS MANIPULADORES Um dos tipos de robôs mais utilizados, tanto na indústria quanto nos laboratórios de pesquisa, são os robôs manipuladores . Da definição dada podem ser extraídas diversas conclusões sobre as características dos robôs manipuladores. Uma delas é que, como qualquer robô, a tarefa a realizar deve estar previamente programada e seu acionar dependerá desse programa de controle. Essa característica é invariável para todo robô, portanto também para os manipuladores. Uma outra conclusão é que os manipuladores têm como principal objetivo deslocar materiais, que podem ser peças diversas, ferramentas que irão trabalhar sobre uma peça, ou sistemas de visão que deverão monitorar o andamento de um processo determinado, entre outras possibilidades.

22

ESTRUTURA DOS ROBÔS MANIPULADORES Os robôs industriais são projetados com o intuito de realizar um trabalho produtivo. O trabalho é executado quando o robô movimenta sua estrutura a fim de deslocar o objeto a ser manipulado. A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças aplicadas sobre eles e que, em geral, são feitos de um material resistente como aço, que se denominam elos (diversas bibliografias utilizam sua denominação em inglês: links ). Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicação, estando unidos por juntas que lhes permitem ter um movimento relativo entre eles. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento. Conforma-se assim uma cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas. Em geral, os manipuladores estão montados sobre uma base fixa, à qual está unido o primeiro elo através da primeira junta. Esta base pode estar montada sobre uma superfície também fixa, ou num veículo (automatizado ou não), que lhe permita um deslocamento pelo local de trabalho. O ponto extremo do último elo é conhecido com o nome de punho, e é onde costuma estar fixado o efetuador; no caso particular dos braços mecânicos ele se assemelha à mão no extremo do antebraço. As possibilidades de movimento de um elo com respeito ao anterior estão determinadas pelo tipo de junta que os une. Este movimento pode ser de rotação, onde o elo pode girar um determinado ângulo com respeito ao anterior; nesse caso a junta chama-


MANIPULADORES

Figura 3: Juntas prismática e de revolução.

se de revolução , seja qual for a orientação deste ângulo. O movimento também pode ser de deslocamento linear, onde um elo se afasta ou aproxima do anterior uma determinada distância, caso em que a junta é chamada de prismática , seja qual for também a direção deste movimento linear relativo. Um mesmo manipulador não precisa ter todas as juntas do mesmo tipo, podendo ser algumas de revolução e outras prismáticas, segundo a conveniência da configuração projetada. Nos braços mecânicos as juntas costumam ser de revolução, justamente por visarem uma proximidade com o braço humano. Na figura 3 são mostrados vários tipos de juntas. As juntas, então, determinam os movimentos possíveis do manipulador, e juntamente com as características físicas dos elos como suas formas e tamanhos, determinam a anatomia do manipulador. A anatomia do robô deve considerar suas aplicações específicas. Por exemplo, um manipulador destinado a colocar componentes eletrônicos numa placa de circuito impresso deve ser substancialmente diferente de um outro destinado a deslocar carros de um ponto da linha de produção a outro. COORDENADAS GENERALIZADAS As variáveis características das juntas são aquelas grandezas físicas que permitem representar este


movimento relativo de um elo com respeito ao anterior. No caso das juntas de revolução, serão os ângulos de rotação entre um elo e o anterior; no caso das juntas prismáticas, a distância entre um elo (ou um ponto determinado dele) e a junta que o une com o elo anterior. Observe-se que o estado dessas variáveis é suficiente para determinar a posição do efetuador, pois, se for conhecida a posição de cada uma das juntas a partir da primeira (a que une a base com o primeiro elo) e os comprimentos dos elos, é possível conhecer a posição do efetuador. Essas variáveis são conhecidas pelo nome de coordenadas generalizadas . Em geral elas são representadas por meio de um vetor de tantas componentes quantas juntas tem o manipulador, independentemente de que algumas dessas componentes representem ângulos, e outras distâncias. Na figura 4 é mostrado um robô manipulador de duas juntas de revolução. As coordenadas generalizadas serão dadas pelo vetor [q1 q2], cujas componentes representam os ângulos dessas juntas. Conhecendo o valor desse vetor, bem como os comprimentos dos elos, os quais foram denominados no desenho como L1 e L2, é possível determinar a posição do efetuador (ou, mais precisamente, do extremo do último elo), expressa em função de um par de eixos cartesianos ortogonais ( x;y ) com a origem solidária com a primeira junta.

23

MANIPULADORES

Figura 4: Manipulador com duas juntas de revolução no mesmo plano.

GRAUS DE LIBERDADE O número total de juntas do manipulador é conhecido com o nome de graus de liberdade (ou DOF, segundo as iniciais em inglês). Um manipulador típico possui 6 graus de liberdade, sendo três para o posicionamento do efetuador dentro do espaço de trabalho, e três para obter uma orientação do efetuador adequada para segurar o objeto. Com menos de 6 graus de liberdade, o manipulador poderia não atingir uma posição arbitrária com uma orientação arbitrária dentro do espaço de trabalho. Para certas aplicações como, por exemplo, manipular objetos num espaço que não se encontra livre de obstáculos, poderiam ser necessários mais de 6 graus de liberdade. A dificuldade de controlar o movimento aumenta com o número de elos do braço. Na figura 5 apresenta-se uma representação dos três graus de liberdade de um braço mecânico, referentes às três primeiras juntas, necessárias para o posicionamento do efetuador. Neste exemplo particular, observa-se que as duas primeiras juntas são de revolução e a terceira é prismática, permitindo ao último elo se afastar ou aproximar do segundo. As últimas três juntas recebem usualmente o nome de punho. Como foi mencionado, elas têm por objetivo orientar o efetuador numa direção arbitrária, conveniente para a tarefa a ser realizada. Por exemplo, uma garra deve estar orientada convenientemente com respeito à peça de trabalho, a fim de poder agarrá-la. Essas juntas são sempre de revolução, pois o objeti-

24

vo é a orientação do efetuador e não seu posicionamento. As coordenadas generalizadas, ou variáveis que caracterizam o movimento dessas três juntas, são ângulos que recebem o nome genérico de “pitch ”, “yaw ”, e “roll ”, respectivamente. A junta de “roll ” representa a rotação do efetuador com respeito ao eixo transversal do último elo, ou eixo que coincide com a orientação dele. Na de “ yaw ”, o eixo de rotação está em uma perpendicular ao último elo, e envolveria o giro do efetuador à direita e à esquerda. Na junta de “ pitch ” o eixo de rotação é perpendicular ao anterior, e envolveria o giro do efetuador para cima e para baixo. Esta junta é chamada às vezes de inclinação do efetuador. Observe-se que nestas três juntas os eixos de rotação são sempre perpendiculares, permitindo uma orientação do efetuador em qualquer ângulo de rotação, de inclinação à esquerda ou direita, e de inclinação para cima e para baixo. É claro que os limites de movimento de cada uma dessas três juntas limitarão as orientações possíveis do efetuador. Na figura 6 são representadas essas três juntas. No extremo do punho é fixado o efetuador, ou dispositivo destinado a trabalhar sobre o objeto a ser manipulado. Em geral, os punhos nos braços mecânicos e em outros tipos de manipuladores permitem a remoção e troca do dispositivo efetuador com facilidade, adequando o robô para diferentes tarefas que exijam diferentes tipos de efetuadores. ESPAÇO DE TRABALHO O espaço de trabalho do manipulador é o termo que se refere ao espaço dentro do qual ele pode movimentar o efetuador. Ele é definido como o volume

Figura 5: Braço mecânico de 3 DOF. Duas juntas de revolução e uma prismática.


MANIPULADORES

Figura 6: Representação das três juntas do punho do manipulador.

total conformado pelo percurso do extremo do último elo (o punho), quando o manipulador efetua todas as trajetórias possíveis. Em geral, não é considerada a presença do efetuador para definir este volume de trabalho, pois se fosse assim este volume ficaria determinado pelo seu tamanho, o qual depende do dispositivo terminal utilizado. Por exemplo, este volume variaria dependendo do efetuador ser uma garra ou uma ponta de solda comprida. Note-se que este volume dependerá da anatomia do robô, do tamanho dos elos, assim como dos limites dos movimentos das juntas (nas juntas de revolu-

ção, por exemplo, existirá um ângulo máximo de giro, determinado por limites mecânicos). A posição do punho do manipulador pode ser representada no espaço de trabalho ou no espaço das juntas. A “posição no espaço de trabalho” é determinada pela posição do punho segundo um sistema de três eixos cartesianos ortogonais, cuja origem em geral é solidária com a base do robô. Portanto, a posição do punho é representada no espaço de trabalho como um vetor de três componentes [x y z]. A “posição no espaço das juntas” é representada pelo vetor de coordenadas generalizadas, ou vetor cujas componentes significam a posição de cada junta (ângulo,

Figura 7: Diferentes espaços de trabalho em manipuladores de diferentes anatomias.


25

MANIPULADORES

Figura 8 - Manipuladores de configurações cartesianas (a), cilíndrica (b), esférica (c) e de revolução (d).

se for de revolução ou distância, se for prismática), relativas a uma posição inicial arbitrária. Como foi especificado anteriormente, o conhecimento dos valores das coordenadas generalizadas é suficiente para determinar a posição do punho dentro do espaço de trabalho. A influência da configuração física sobre o volume de trabalho é ilustrada na figura 7. Observese que, dependendo da configuração, este volume pode ser um semi-esfera parcial, um cilindro, ou um prisma. Nos robôs reais, os limites mecânicos no movimento das juntas produzem um espaço de trabalho com contornos complexos, como é ilustrado na figura 8, acima. ANATOMIA DOS MANIPULADORES Existem diferentes configurações físicas ou diferentes anatomias, nos robôs manipuladores. Cada uma delas encontrará utilidade em alguma aplicação específica. Essas configurações estão determinadas pelos movimentos relativos das três primeiras juntas, aquelas destinadas ao posicionamento do efetuador. Efetivamente, elas podem ser prismáticas, de revolu-

26

ção, ou uma combinação de ambas. Para cada combinação possível haverá uma configuração física ou anatomia, diferente. Observe-se que a configuração física independe do tamanho dos elos, pois eles determinarão em todo caso o tamanho do espaço de trabalho, mas não sua forma. As configurações físicas, então, estão caracterizadas pelas coordenadas de movimento das três primeiras juntas, ou pelas três primeiras coordenadas generalizadas, que são as variáveis que representam o movimento delas. Na maioria dos robôs manipuladores industriais, independentemente do tamanho e formas dos seus elos, dispõe-se de quatro configurações básicas: Coordenadas cartesianas; Coordenadas cilíndricas; Coordenadas esféricas ou polares; e Coordenadas de revolução. ACIONAMENTO DO MANIPULADOR O movimento em cada junta é realizado por atuadores. Os principais utilizados são motores elétricos, pistões hidráulicos e pistões pneumáticos, os


MANIPULADORES quais podem dar às juntas um movimento linear ou de rotação. Os atuadores são conectados mecanicamente às juntas por meio de diferentes mecanismos de transmissão de potência mecânica, tais como engrenagens, polias, correntes e parafusos de acionamento destinados a dar ao movimento a desejada direção, força e velocidade. No caso dos braços mecânicos, o mais comum é empregar motores elétricos, que podem ser de corrente contínua, com ímã permanente ou de passo. Na hipótese de alguma das juntas ser prismática, em geral o movimento linear é conseguido através de um parafuso de acionamento, que transforma o movimento de rotação do motor num deslocamento linear. O acionamento elétrico propicia ao robô uma maior precisão, além de requerer espaços reduzidos para sua montagem, podendo se colocar os atuadores na própria estrutura física do manipulador. O acionamento hidráulico é geralmente associado a manipuladores de maior porte, pois eles propiciam ao robô maior velocidade e força. Em contrapartida, ele se soma ao espaço útil requerido pelo robô, o que o aumenta consideravelmente, além de sofrer de outros inconvenientes tal como a possibilidade de vazar óleo. Os robôs com acionamento hidráulico podem ter juntas prismáticas, movimentadas por meio de pistões, ou de revolução, através de motores hidráulicos. O acionamento pneumático é empregado em robôs manipuladores de pequeno porte e com poucos graus de liberdade, geralmente não mais de dois. Por não terem os pistões pneumáticos uma grande precisão, devido à compressibilidade do ar, esses robôs assim acionados são utilizados em operações de “pega e põe” (conhecidos como pick & place ), onde os elos se deslocam bruscamente entre dois extremos possíveis, dados pelos limites mecânicos dos pistões no modo de bang-bang , sem possibilidade de controle sobre a trajetória intermédia do efetuador. Como já foi visto anteriormente, o controlador cuida, através do programa de controle, para que o manipulador realize a tarefa programada com a maior precisão possível dentro das especificações técnicas. Em caso do robô ser movimentado por motores de passo, ele pode ser controlado em malha aberta, por possuirem esses dispositivos precisão na rotação. Mas se for acionado por motores de corrente contínua, é necessário fechar a malha através de sensores, porque o controlador precisa conhecer a resposta do manipulador a fim de imprimir nos motores os sinais de excitação necessários para executar a trajetória com precisão. Os sensores utilizados são sensores de posição, um para cada junta. Os mais comuns são os encoders óticos incrementais, onde o controlador vai contando os pulsos entregues pelo sensor ótico


para conhecer a posição da junta. Às vezes são empregados potenciômetros rotativos também, onde o sinal analógico entregue é proporcional ao ângulo de rotação da junta. Na hipótese da junta ser prismática, uma engrenagem pode converter o movimento linear para uma rotação e assim entregar a informação para um encoder . Também podem ser usados sistemas de visão digitais, pois analisando a imagem fornecida, o controlador pode conhecer a posição de todas as juntas do braço. Dependendo da tarefa, o efetuador é capaz de exercer uma determinada força sobre uma superfície sobre a qual desliza, por exemplo para efetuar uma solda, ou um corte, entre outras aplicações possíveis. Nesse caso, o controlador não mais controlará apenas a trajetória do efetuador, mas também a força que este exerce sobre a superfície, a fim de não quebrá-la ou não deteriorar a ferramenta utilizada. Para isso é necessária a utilização de sensores de força no punho do manipulador, e em geral são usados strain gauges . Em alguns casos os programas de controle precisam conhecer as velocidades das juntas também, não apenas as posições, e isto depende da lei de controle a ser implementada. Porém, não é comum utilizar tacômetros nos manipuladores por causa do alto nível de ruído desses dispositivos. Em geral, o controlador deriva a posição com respeito ao tempo para estimar a velocidade. O manipulador deve ser controlado por algum tipo de controlador programável. No caso dos braços mecânicos, o mais comum é trabalhar com computadores digitais. O programa de controle é responsável por conseguir que a operação feita pelo manipulador acompanhe, da maneira mais fiel possível, a posição de referência. Esta posição pode ser inserida externamente através de um mouse , um joystick , ou pelo teclado, ou pode estar já programada dentro do software de controle. Interfaces, placas de potência e conversores A/ D e D/A completam a estrutura do sistema de controle e da planta apropriada para um funcionamento adequado.l

NO PRÓXIMO NÚMERO: -

Controle de manipuladores Precisão e repetitibilidade Efetuadores O robô manipulador Armdroid

27

PROJETO

CONTROLE DE MESA XY utilizando motor de passo Sebastião G. dos Santos Filho

Professor Associado do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP

O controle automático de mesas XY tem aplicação direta na identificação de padrões de objetos por metrologia óptica, na medição elétrica automática de componentes na indústria de microeletrônica, na obtenção do conteúdo de material particulado em superfícies de CDs visando controle de qualidade, em aparatos ópticos para medidas de rugosidades superficiais, dentre outras possíveis. Neste artigo, vamos abordar o controle automático de deslocamentos horizontais micrométricos em uma mesa XY utilizando motores de passo visando a detecção de material particulado ao longo de superfícies. Uma mesa XY com controle de passo micrométrico é composta de partes micromecânicas contendo carros acionados por parafusos com “roscas finas”, motores de passo, circuitos eletrônicos de controle, circuitos de interface para microcomputador e software de gerenciamento. Portanto, é um exemplo claro de sistema mecatrônico, pois envolve acionamentos micromecânicos controlados por motores de passo. A seguir, vamos descrever os diversos blocos que compõem a mesa XY. O MOTOR DE PASSO O motor de passo é um dispositivo empregado na conversão de pulsos elétricos em movimentos rotativos discretos de um elemento chamado rotor. Os motores de passo podem apresentar duas ou quatro bobinas (fases) internas que, ao se28

rem energizadas adequadamente, permitem fazer o controle dos movimentos angulares discretos do rotor. A figura 1A ilustra o funcionamento de um motor de passo composto de duas bobinas enroladas em dois blocos estatores. O rotor é formado por uma série de magnetos permanentes norte e sul, alternadamente dispostos sobre sua superfície e separados de uma distância D conforme indicado na representação plana da figura 1B. Os dois blocos estatores são magnetizados quando as bobinas são energizadas, ora com polaridade positiva, ora com polaridade negativa. Neste caso, o motor de passo é dito bipolar porque são necessárias as duas polaridades. A figura 1B é uma representação plana na forma de leiaute da figura 1A e ilustra esquematicamente o caso em que as bobinas são ambas polarizadas positivamente com +V, o que

corresponde aos fluxos magnéticos φ nos sentidos indicados. Observe que os estatores ficam magnetizados com pólos norte e sul. Considerando que a largura de cada magneto do rotor é L = D, observe na figura 1B que os dois blocos estatores apresentam “dentes” que estão deslocados entre si de L/2. O número de pares de magnetos norte-sul permanentes do rotor é feito rigorosamente igual ao número de pares de “dentes” norte-sul do de cada estator. Para que haja o movimento passo-a-passo do rotor, seja no sentido horário, seja no sentido anti-horário, é necessário variar a posição das chaves 1 e 2 em intervalos de tempo definidos. A figura 2 mostra uma representação esquemática do motor de passo da figura 1 onde estão indicadas as bobinas 1 e 2, as chaves para comutação de polaridade e a convenção de cores para o assim chamado motor de passo “universal”. Apesar da convenção de cores, diversos fabricantes de motores utilizam convenção própria com cores distintas e, por isso, é sempre necessário uma cuidadosa consulta ao manual. A tabela 1 mostra a seqüência de polarizações que devem ser aplicadas às chaves 1 e 2 da figura 2 de forma que haja movimento passo-a-passo no sentido horário (seqüência 1, 2, 3, 4, 1, 2 ...) ou no sentido anti-horário (seqüência 4, 3, 2, 1, 4, 3 ....). Observe que a tabela 1 é formada por 4 passos que se repe-


PROJETO

Figura 1 – Representação de motor de passo com duas fases e dois estatores: (A) Vista tridimensional interna; (B) Vista na forma de leiaute plano para uma dada polaridade do estator e posição do rotor.

Figura 2 – Representação de um motor de passo bipolar com duas fases e dois estatores, sendo chaveado entre +V e –V.

tem e, portanto, trata-se se uma seqüência de chaveamento em quatro etapas. Esta seqüência de chaveamento pode ser implementada de maneira fácil, aplicando-se diretamente nas bobinas duas ondas quadradas deslocadas entre si de um quarto de ciclo, conforme é mostrado na figura 3. As formas de onda mostradas na figura 3 são pulsos de controle que podem ser obtidos a partir de circui-

tos eletrônicos de chaveamento. De forma geral, podemos dizer que os motores de passo utilizados em con junto com circuitos digitais, microcontroladores e transistores apresentam controle preciso e repetitivo de posição e velocidade ao longo de sua vida útil. Os passos angulares possíveis dependem da construção física de cada motor, sendo comuns valores de 7,5º; 15º e


Tabela 1 – Seqüencia de chaveamento das bobinas L 1 e L2 da figura 2 em quatro etapas utilizando polarizações +V e –V.

18º que, por sua vez, correspondem a 48, 24 e 20 passos por revolução completa, respectivamente. Por outro lado, também é possível controlar o motor numa seqüência de 8 etapas a partir de metades de passo, isto é, tomando um motor com passo angular de 7,5º pode-se obter-se 3,75º. Para tanto, além de 29

PROJETO

Figura 3 – Formas de onda quadradas deslocadas de 1/4 de ciclo, implementando a seqüencia de quatro etapas mostrada na tabela 1.

comutar as chaves entre +V e –V, a posição aterrado ou “off” (desligado) na figura 2 passa a ser também uma opção de chaveamento. A tabela 2 ilustra a seqüencia de chaveamento onde foi incluída a posição “off”. Nesta situação de operação a meio passo, o torque do motor decai de cerca de 30% quando se tem apenas uma bobina energizada de cada vez, comparado ao caso em que ambas as bobinas estão energizadas.

Tabela 2 – Seqüencia de chaveamento das bobinas L1 e L2 da figura 2 em oito etapas (oito meios-passo) utilizando polarizações +V, –V e “off”.

30

A figura 4 ilustra esquematicamente um motor de passo com quatro fases ou quatro bobinas (L 1, L2, L3 e L4), sendo que cada duas bobinas estão enroladas em um único estator (L1 e L2 no estator 1; e L3 e L4 no estator 2). A grande vantagem desse tipo de configuração é que o fluxo magnético φ em cada estator pode ser revertido, trocando apenas a energização de uma bobina para outra (por exemplo, de L 1 para L2) uti-

lizando-se, para tanto, uma única fonte de alimentação +V. Neste caso, o motor de passo passa a ser chamado também de unipolar, enquanto que o motor de passo do circuito da figura 2 é, conforme já mencionado, do tipo bipolar (são necessárias duas fontes +V e –V). No circuito da figura 4 os transistores Q 1, Q2, Q3 e Q4 funcionam como chaves eletrônicas. Elas estarão ligadas ou fechadas (estado “ON”) quando aplicarmos nas entradas E 1, E 2, E 3 e E 4 uma tensão +V e estarão desligadas ou abertas quando as entradas estiverem aterradas (estado “OFF”). As tabelas 3A e 3B apresentam respectivamente uma seqüência de 4 passos (ambos os estatores ficam sempre magnetizados) e uma outra seqüência de 8 meios passos (um estator magnetizado por vez). Vale o que já foi dito anteriormente para o circuito da figura 2, isto é, quando operando em meio passo, apesar do passo angular cair pela metade, o desempenho em termos de torque do motor cai de cerca de 30%. O motor de passo a ser escolhido para uma dada aplicação micromecânica deve ter torque suficiente para vencer a inércia do rotor

Figura 4 – Representação de motor de passo unipolar de 4 fases e dois estatores, acionado pelas chaves eletrônicas (transistores) Q 1, Q2, Q3 e Q4.


PROJETO

Tabela 3 - Seqüencia de chaveamento das chaves eletrônicas Q 1, Q2 Q3 e Q4 da figura 4: (A) em quatro etapas onde ambos os estatores ficam sempre magnetizados; (B) em oito etapas onde os estatores são magnetizados alternadamente.

e da carga mecânica que a ele estiver conectada. A equação básica para o torque (T) é dada por: (1) Onde T é o torque em milinewton.metro, F é a força em milinewton e R é o raio em metros. Veja que a equação 1 acima pode ser interpretada como um braço de raio R conectado em uma extremidade a um eixo de motor e na outra a uma massa M que serve de carga a ser erguida. Por outro lado, o torque necessário para acelerar uma determinada carga inercial é dado por:

(2) Onde J é o momento de inércia em gramas vezes metro quadrado e α é a aceleração angular em radianos por segundo ao quadrado. Para motores de passo, α pode ser convertido de radianos por segundo ao quadrado para passos por segundo ao quadrado, conforme segue:


(3)

Onde ∆v é a variação de velocidade em passos/s no intervalo de tempo ∆t em segundos. Se a velocidade do motor parte de zero e vai até “v” e tomarmos ∆t = 2passos/ v, ficamos com a expressão aproximada também apresentada na equação 3. Os fabricantes de motores de passo fornecem normalmente uma curva característica de torque em função da velocidade em passos por segundo, nas situações estática (início do movimento sem êrro: start without error ) e dinâmica (motor em regime numa velocidade “v”: running ). A figura 5 apresenta o formato típico de uma curva de Torque em função da velocidade para o motor de passo K82702, da Philips [1]. Observe, por exemplo, na curva estática que, para atingir uma velocidade de 150 passos por por segundo a partir do repouso, as forças de fricção devem ser tais que o torque associado não supere 18 mNm. Por outro lado, quando em regime, na velocidade de 150 passos por segundo, o torque do motor pode atingir até 24 mNm. É importante destacar que a equação 3 deve ser empregada em conjunto com a curva dinâmica. Significa, por exemplo, que para atingir a velocidade de 150 passos por segundo, o torque obtido através da equação 3 não pode superar o valor de 24 mNm. A figura 6 ilustra as expressões do momento de inércia de um rotor maciço cilíndrico de massa MR e raio R bem como de um bloco de massa ML sustentado por uma polia de raio R conectada ao eixo do motor. É importante destacar que o valor de J na equação 2 será simplesmente calculado pela expressão apresentada na figura 6A, se não houver nenhuma outra “carga” mecânica conectada ao eixo do motor. Já a figura 7 mostra o caso de uma carga de massa M L sendo movimentada na direção horizontal através de um parafuso. Nesse caso, a inércia total J do conjunto é dada por: (4) 31

PROJETO Onde ρP é a densidade do parafuso ( = 78,3.10 4 gm3 para o ferro), D é o diâmetro do parafuso (m), L é o passo da rosca do parafuso (m), M L é a massa da carga (g), M R é a massa do rotor e R é o raio do rotor. MICROMECÂNICA DA MESA XY

Figura 5 – Curva característica de Torque em função da velocidade (passos/s) para o motor de passo K82702 da Philips.

Figura 6 – Momentos de inércia: (A) Rotor maciço cilíndrico de massa M R e raio R; (B) um Bloco de massa M L sustentado por uma polia de raio R conectada ao eixo do motor.

Figura 7 – Carga de massa M L sendo movimentada na direção horizontal através de um parafuso.

32

No presente artigo, a mesa XY foi especificada para ter dimensões de 15 cm x 15 cm de forma a poder acomodar sobre sua superfície lâminas de silício de 10 cm de diâmetro ou CDs (compact disc ) de 12 cm de diâmetro. A excursão total nas direções X e Y foi expecificada como sendo de 6 cm x 6 cm e passos de deslocamento em X e Y de 0,01 mm. A mesa XY a ser controlada pelos motores de passo foi montada a partir de dois transladores comerciais [2], um para a direção X e outro para direção Y. O translador consiste de um bloco fixo sobre o qual desliza um outro bloco acionado por um parafuso de rosca fina com passo de fração de milímetro, conforme mostrado na figura 8. O acionamento do translador é feito conectanto-se o motor de passo no parafuso mostrado nessa figura. Dois transladores idênticos foram aparafusados um sobre o outro, isto é, o bloco fixo de um deles foi aparafusado no bloco móvel do outro. A figura 9 apresenta a montagem final do conjunto, onde pode-se observar cada motor de passo acionando cada translador, sendo que todo o conjunto foi fixado por parafuso sobre uma base rígida de ferro. Para conseguir um passo de 0,01 mm nas direções X e Y da mesa, escolhemos um motor de passo com passo angular de 7,5º acoplado a um parafuso com rosca de 0,01 polegadas. O valor do torque necessário foi estimado através da equação 3 para uma velocidade final de regime de 20 passos por segundo. A inércia J empregada no cálculo do torque (equação 3) foi estimada com base na equação 4. O motor de passo escolhido que atendia as caracte-


PROJETO

Figura 8 – Translador empregado na construção da mesa XY.

rísticas de torque desejado foi o ASTROSYN MINEBEA 28BBH101-54 [3,4] que possui 4 fases (bobinas) mais dois estatores, passo angular de 7,5º e trabalha com tensão +5V mais corrente de 1,4 A por fase.

CIRCUITOS ELETRÔNICOS DE CONTROLE E INTERFACE PARA MICROCOMPUTADOR Os circuitos eletrônicos de controle de motores de passo podem ser implementados utilizando-se elemen-

tos discretos e portas lógicas de forma a obter os sinais retangulares cujas descrições já foram apresentadas nas tabelas 1, 2 e 3. Esses sinais retangulares poderiam estar diretamente atrelados a um sinal de relógio de freqüência variável, o que permitiria controlar a velocidade de rotação do motor de passo. No entanto, não é necessário tamanha mão de obra, pois já existem circuitos integrados dedicados que se encarregam de fornecer todos os sinais de controle para motores de passo, tanto unipolares quanto bipolares, tendo como referência um dado sinal de relógio. Esse é o caso, por exemplo, do circuito integrado SAA1027, da Philips. A figura 10 ilustra uma aplicação típica do CI SAA1027 para motor de passo unipolar de 4 fases (4 bobinas) e dois estatores. Internamente, o SAA1027 é composto de diversos blocos conforme indicado na figura 10. Os blocos de entrada HNIL/CML permitem alto isolamento (imunização) contra ruídos, o bloco CTRL2 é um contador

Figura 9 – Montagem final da mesa XY controlada por dois motores de passo.


33

PROJETO

Figura 10 – Aplicação típica do circuito integrado SAA1027 no controle de motor de passo unipolar de 4 fases e dois estatores.

bidirecional sincronizado de quatro estados, o bloco X/Y é um conversor de código. Quanto às entradas, o pino 15 (C) é a entrada de sinal de relógio (clock), o pino 2 (R) desabilita o sinal de relógio quando um nível

baixo (nível lógico zero) é aplicado e o pino 3 (M) permite definir o sentido de rotação, que será horário quando em nível alto (nível lógico 1) e antihorário quando em nível baixo (nível lógico zero). O circuito integrado é

Figura 11 – Característica V RX, IRX em função da corrente de saída por fase (I OL) do CI SAA1027.

34

alimentado através dos pinos 14 e 13 com VCC1 e VCC2, respectivamente. Os pinos 5 e 12 devem estar no menor potencial, isto é, devem geralmente estar aterrados. A figura 10 também ilustra os elementos passivos externos conectados no SAA1027. Veja que as bobinas L1, L2, L 3 e L 4 do motor de passo são conectadas entre a tensão de alimentação e os pinos 6, 8, 9 e 11, respectivamente. No pino 14 (VCC1) deve ser conectado um capacitor de 0,1 µF para terra e um resistor de 100 Ω para a tensão de alimentação, a qual não pode ultrapassar 18 V. O resistor RB ligado entre o pino 4 (RX) e VCC, fixa a corrente de base dos transistores Q1, Q2, Q3 e Q4 e deve ser escolhido de acordo com a corrente de saída necessária para alimentar cada fase do motor de passo. O valor máximo de corrente de saída que pode ser fornecida pelo SAA1027, segundo o fabricante, é de 500 mA. A figura 11 mostra o gráfico a partir do qual podemos calcular o valor de R B. Observe que para uma corrente de saída I OL de 340 mA temos VRX ≅ 4,3 V e IRX ≅ 77 mA. Portanto, tomando VCC = 12 V, temos: (5) Para o controle de cada motor de passo ASTROSYN MINEBEA 28BBH101-54 mostrado na figura 9, utilizamos o circuito indicado na figura 12. Observe que foram empregados estágios de saída com o transistor TIP42B de forma a poder fornecer corrente de 1,4 A por fase, uma vez que o integrado SAA1027 fornece no máximo 500 mA. Para R B = 100 Ω, o que significa corrente de saída nos pinos 6, 8,9 e 11 de 340 mA, ajustamos os resistores de polarização do TIP em 56 Ω e 330 Ω de forma a se ter corrente em cada fase do motor de aproximadamente 1,4 A. Os transistores TIP42B devem ser montados em dissipadores de calor para surportar as correntes elevadas. As entradas do SAA1027 são ativadas através das entradas E 1, E 2 e E 3 utilizando-se opto-acopladores TIL102, que permitem isolar o circuito de con-


PROJETO

Figura 12 – Circuito eletrônico para controle dos motores de passo.

trole do motor de passo do circuito de interface via PC. Os sinais de comando para o circuito da figura 12 AGRADECIMENTOS À FAPESP por ter financiado o projeto e construção da mesa XY com passo micrométrico apresentada neste artigo. Ao técnico Fábio G. Araes pela construção dos circuitos eletrônicos de controle e interface. À OPTRON Micromecânica Óptica Ltda. pela usinagem e construção mecânica da mesa XY.

podem vir, por exemplo, da saída paralela de um microcomputador PC. Através do emprego de linguagens de programação do tipo QBASIC, C++, DELPHI, etc., é possível ajustar os sinais da saída paralela de forma a controlar as entradas E 1, E2 e


E3 para cada motor de passo. Não detalhamos aqui como se faz o programa (software) de controle da saída paralela do microcomputador PC. O leitor interessado pode, por exemplo, consultar a revista "Mecatrônica Atual" número 1.

REFERÊNCIAS 1. PHILIPS DATA BOOK – STEPPER MOTOR. 2. OPTRON Micromecânica Óptica LTDA – Av. Santa Izabel, 685 – Barão Geraldo – Campinas, SP. 3. Motor de passo: www.minebea-ele.com 4. Motor de passo: www.astrosyn.com 5. Sedra, A.S. and Smith, K.C. Microeletrônica. Makron Books, 2000, ISBN 85-346-1044-4 (tradução da 4a. edição em inglês). 35

RETROFITTING

A Ciência do

Retrofitting Conceitos Básicos Paulo Eduardo Pansiera Siemens

Tenho visto uma série de anúncios e revistas especializadas onde se oferecem serviços de Reforma, Retrofitting, Atualização e Restauração, algumas vezes combinados, outras misturando conceitos. Em suma, procurando a definição desses conceitos em diferentes fontes, certamente haverá cruzamento e superposição de informações. Como tema aqui, seguem definições para esses quatro conceitos e uma esquematização de como todos se relacionam.

Restauração Talvez este seja o conceito imediatamente mais absorvido pelo leitor, pois é praticamente impossível encontrar alguém que nunca observou uma reforma num apartamento ou casa, ou mesmo naquela mobília danificada pelo tempo. Aí está o elemento chave causador da deterioração natural do equipamento: o tempo. Em máquinas operatrizes, adicione o ambiente agressivo, com névoa ácida ou saturação de óleo de corte no ar, como um segundo agente natural de deterioração. A verdade é que não podemos parar o tempo e nem retirar os equipamentos desses ambientes, onde os mesmos estão locados para produzir. Então, o que fazer? Como amenizar sua deterioração ? A resposta chama-se “manutenção”. Algumas plantas dispõem de equipes de manutenção as quais suportam as necessidades das máquinas, garantindo sua performance original em um número expressivo de anos e turnos. A freqüência da manutenção é diretamente proporcional à vida útil do equipamento, porém o custo acumulado não. Diversos casos provam que uma única intervenção a cada 2 anos é muito mais custosa do que o número equivalente de intervenções trimestrais. Quando a manutenção ocorre em freqüência trimestral ou inferior, ela é considerada como contínua.


Contudo, se a freqüência de intervenção for muito baixa, ou praticamente só existir em casos de emergência, daí o equipamento corre o risco de sofrer parada geral, obrigando então a proceder com sua completa restauração. Este conceito deve, pois, ser entendido como uma simples recuperação das condições originais da máquina, que foram afetadas pelo ambiente e tempo.

Reforma Além do fator ambiente e tempo, o equipamento “envelhece” pelo desgaste devido ao atrito de suas partes. Na ampla aplicação de máquinas operatrizes, os deslocamentos dos carros se dão com contato e deslizamento de uma parte metálica contra a outra. Muito foi feito na busca do deslizamento ideal, aquele onde o coeficiente de atrito é nulo. Existe um grande desenvolvimento no campo de rebolos especiais para retífica que, em união com lubrificantes adequados, formam os requisitos necessários para a construção de um par de superfícies deslizantes onde o coeficiente de atrito relativo é bem baixo, ou residual. O resíduo do coeficiente de atrito é responsável pelo que chamamos de zona de interferência. Com o movimento relativo de uma parte sobre a outra, as lâminas de metal de ambos os materiais que pertencem à zona de interferência sofrem um

41

RETROFITTING desgaste simultâneo, porém proporcional à sua dureza para cada parte, reproduzindo um efeito ampliado semelhante ao de uma lixa d’água sobre madeira. Conforme já mencionado, devido ao baixo coeficiente de atrito neste caso e à dureza elevada dos materiais, o desgaste combinado acumulado em anos fica na casa do milímetro, o que é muito para este tipo de equipamento de precisão. Infelizmente, mesmo com uma manutenção rigorosa em termos de limpeza de guias e sua lubrificação, é impossível evitar o desgaste por atrito, o que compromete a performance da máquina. Nessa situação, nada melhor do que parar imediatamente a máquina para uma desmontagem e reforma com correção da geometria e remoção de folgas. Veja que quando se pára a máquina para uma reforma, deve-se então aproveitar o tempo parado para também executar toda a restauração. O custo e tempo total para uma reforma é superior ao consumido para uma restauração. Para uma definição mais direta, o conceito reforma deve ser aplicado sempre que se apresentarem problemas de desgaste de partes por atrito, causadas pelo uso prolongado do equipamento. Em linhas gerais, Reforma é um conjunto de atividades que contém todos os elementos praticados na Restauração, adicionados a atividades de recuperação geométrica.

Veja o caso de uma família pequena, de apenas um filho, onde um carro pequeno é suficiente para o transporte diário. Quando a família cresce, aquele carro pequeno já não é mais adequado e o primeiro pensamento é a troca do bem. Dependendo do porte e valor da máquina, o mesmo raciocínio pode ser aplicado aqui. Uma situação clássica é a da necessidade do aumento de produção com o mesmo equipamento. Uma máquina de operação manual, como o próprio nome induz, produz literalmente no ritmo de seu operador. Se o operador é habilidoso então, seguramente, o volume produzido será maior no mesmo intervalo de tempo. Na otimização, o que se tem é uma máquina automática e dedicada à aplicação. Neste ponto surge uma pergunta imediata: Partindo de uma máquina cuja performance não atende a demanda necessária, qual atitude tomar ? De pronto, a idéia de aquisição de um novo equipamento, mais adequado, parece a mais certa. Entretanto, pelo investimento que essa compra representa, uma alternativa é agregar recursos a essa máquina de forma a capacitá-la para atender a demanda. Este é o conceito da Atualização: agregar recursos a um equipamento de forma que ele se adeqüe à nova demanda. A figura 1 representa os conceitos abordados de forma bem direta.

Atualização

Retrofitting

Considere que o seu equipamento acabou de passar por uma reforma completa. Assim, a capacidade produtiva original da máquina foi recuperada, no entanto, pense também que ao final da reforma, a demanda da planta está para um tipo de aplicação que a máquina mesmo reformada, não pode atender.

A indústria automobilística norte-americana, fornecedores e sub-fornecedores de autopeças, formam um grupo extremamente conservador na seleção de equipamentos para suas linhas. Marcas de sucesso, tradicionais nas plantas, são o melhor cartão de visita e argumento de seleção de compra de um novo equipamento. É necessário um grande esforço de publicidade para convencer o comprador a substituir aquela “conhecida” marca de equipamento por um novo produto. Sem dúvida, uma das características mais fortes do consumidor norteamericano é sua aderência a essas marcas. Por outro lado, algumas fábricas de máquinas de sucesso nas plantas norte-americanas já não estão mais em atividade, e isso fez surgir um segmento de prestação de serviços de recuperação e adequação de “velhas” máquinas à nova realidade da indústria. Como resultado da prestação desse serviço, começaram a aparecer máquinas modernizadas, que possuem marcas de companhias que estão fora do mercado há anos. Como extensão, realmente, não houve uma preocupação com o funcionamento ou não dessas companhias para a execução dos serviços de recuperação e adequação.

Figura 1 – Conceitos.

42


RETROFITTING Sem citar fabricantes, há um exemplo conhecido e até publicado pela AMT, sobre um torno vertical, cujo trabalho executado por uma empresa local de engenharia gerou um produto final de performance muito superior a qualquer modelo de linha. Daí, em parceria com o fabricante, a empresa de engenharia foi contratada para administrar e participar do lançamento e estratégia de manutenção desse novo equipamento. Na prática, este trabalho sempre consiste de uma combinação de reforma com atualização, e foi batizado no mercado americano como “Retrofitting” – que literalmente significa – “readequar”. Por se tratarem de equipamentos de uso freqüente, normalmente é de se esperar que além da atualização, que é o propósito principal, seja necessário também executar uma reforma. Na década de 80 este conceito, com todas as suas justificativas para investimento, foi importado dos Estados Unidos, inicialmente aplicado dentro das plantas automobilísticas e posteriormente nos seus fornecedores locais de partes. Essa foi também a época da disseminação da política de terceirização. A terceirização trouxe mercado para o Retrofitting , não enxergando limites na dimensão da planta do usuário e nem a idade ou modelo/marca do equipamento. Em linhas gerais e como definição, Retrofitting é uma atividade combinada de atualização com reforma, esquematizada conforme ilustra a figura 2. Por ser uma prática e não uma ciência, o Retrofitting não possui postulados e normas. O que se tem até hoje são, no máximo, observações extraídas do campo e estudos de casos para comprovar a viabilidade da decisão ou não pela execução da atividade.

Figura 2 – Retrofitting.


Em alguns anos de prática, formulei um conceito pessoal, adequado à realidade de oferta de prestadores de serviço nacionais, para elaborar propostas e auxiliar na administração de projetos, do desenho, passando pela construção, chegando à aprovação do equipamento. O conceito é suportado pelo trinômio: Qualidade – Prazo – Custo.

Elaboração de uma Proposta de Retrofitting Sábio é o ditado popular que diz que o “negócio é bom quando é bom para os dois lados”. Ao final do Retrofitting , ambas, empresa usuária da máquina e prestadora contratada devem estar satisfeitas com o negócio acordado. Como a emissão da proposta de serviço é de responsabilidade da prestadora, é extremamente recomendado que se observe que é impossível nesse ramo se obter um resultado final que contemple: baixo custo, prazo curto e boa qualidade. Como já foi mencionado: Qualidade, Custo e Prazo são as bases deste serviço e, infelizmente, sempre teremos que sacrificar uma base para o êxito das demais. Todo cliente gostaria de receber um orçamento com uma promessa de ótima qualidade final do produto, executado em um prazo recorde e a um custo baixíssimo. Esqueça, isso é UTOPIA ! Como orientação: comprometa-se com a QUALIDADE e PRAZO DE ENTREGA, emitindo uma proposta onde essas duas bases estejam garantidas. Caso contrário, fatalmente este será seu último serviço nesse cliente. Seria melhor não fazê-lo a sujeitarse ao descrédito. Bons profissionais, equipamentos de usinagem e acessórios no Brasil realmente são escassos e por isso tornam-se caros. Não existe um Retro- fitting melhor que o outro. O bom é aquele que cumpre a proposta inicial. Em próximas edições desta Revista, estaremos introduzindo um serviço completo, da proposta à entrega técnica do equipamento, em formato passo-a-passo, para um melhor entendimento do leitor.l

43

ELETROPNEUMÁTICA

ELETROPNEUMÁTICA Juliano Matias Phoenix Contact

Na área de Automação Industrial, um dos segmentos mais utilizados até hoje é sem dúvida o da Pneumática, pois esta possui características de velocidade e força para a realização de tarefas utilizando o ar comprimido como fonte de energia. Mas, como se diz que força não é nada sem controle, abordaremos neste artigo conceitos de elaboração de circuitos eletropneumáticos para controle de elementos pneumáticos como pistões, válvulas e motores, com o uso de elementos de comutações elétricas. Boa leitura! COMPONENTES MAIS USADOS EM UMA AUTOMAÇÃO ELETROPNEUMÁTICA Botoeiras Esses elementos são destinados a comutação de sinais elétricos, isto é, permitem ou não a passagem de uma corrente elétrica, fazendo com isso a energização ou desener-gização de pontos de um circuito (figura 1). Os tipos mais comuns são: Push-Button – este permanece acionado quando pressionado e aberto quando liberado. Botão de Retenção – ao pressioná-lo, ele é acionado, porém

Figura 1 - Botão industrial desmontado.

44

só será liberado quando for novamente pressionado. Botão tipo Cogumelo – ao pressioná-lo, ele é travado permanecendo acionado até quando o destravarmos girando o botão no sentido horário. Este tipo de botão é comum nas chamadas chaves de emergência. Nesse ponto, vale a pena abordarmos os conceitos NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado).

Em um circuito elétrico um contato NA é um contato que permite a passagem de corrente elétrica quando o botão é acionado. Um contato NF é o contrário, isto é, quando o botão não está acionado ele já está permitindo a passagem da corrente elétrica e, ao acioná-lo, a passagem de corrente é interrompida (figura 2). Muito cuidado, pois esses conceitos valem somente para circuitos elétricos, para circuitos pneumáticos eles

Figura 2 - Dois circuitos comutadores: um NA e um NF.


ELETROPNEUMÁTICA

Figura 3- Temos um comparativo entre circuitos elétricos e pneumáticos NA e NF.

Figura 4 - Exemplos de chave fim-de-curso (a e b) e chave do tipo rolete da empresa Metaltex (c).

são invertidos, uma válvula NA em pneumática permite a passagem de ar com a válvula não acionada, enquanto uma válvula NF só permite a passagem de ar com ela acionada, como podemos ver na figura 3. Detectores de limite mecânico Por meio destes dispositivos é possível a detecção de posições intermediárias e finais das hastes dos cilindros pneumáticos ou dos elementos mecânicos que estes acionam. Roletes – são dispositivos que possuem a finalidade de permitir a passagem de corrente, sendo que

sua comutação se dá em qualquer sentido. Mostramos alguns exemplos na figura 4. Gatilhos – são similares aos roletes, porém, seu acionamento ocorre em apenas um sentido de movimento, e sua comutação é um pulso rápido.

Sensores indutivos – Este tipo de detector é muito interessante, pois permite que seja instalado onde as chaves fim-de-curso muitas vezes são inviáveis de colocar em uma máquina. Também é muito utilizado onde há necessidade de um alto número de chaveamentos. Os sensores indutivos são constituídos por um circuito oscilador, um circuito de disparo e um circuito amplificador, conforme podemos ver na figura 5. O circuito oscilador gera (através de uma bobina) um campo magnético que sobressai em forma de um círculo na face do sensor quando algum objeto metálico se aproxima da face do sensor, são geradas correntes parasitas no objeto metálico consumindo energia do oscilador e, em virtude disso, a tensão no oscilador cai. O circuito de disparo detecta essa queda na tensão e assume como circuito ativo, mas esse sinal não gera energia suficiente para acionar alguma carga elétrica, por isso se faz necessário um circuito amplificador para compatibilizar com a carga que será controlada. Temos alguns exemplos de sensores indutivos nas figuras 6 e 7.

Detectores sem contato mecânico Funcionam como detectores de limite mecânico, tendo como principais características o não contato físico com a máquina e a alta velocidade de comutação.

Figura 5 - Diagrama em blocos de um sensor indutivo.


Figura 6 - Sensor Indutivo da empresa FESTO.

Figura 7 - Vários tipos de sensores indutivos.

45

ELETROPNEUMÁTICA

Figura 8 - Reed-Switch.

Figura 9 - Válvula com acionamento através de solenóides (a). Diferenciação da bobina e do conector do solenóide (b). Conectores para válvulas da empresa Phoenix Contact (c).

Contato Reed – Esses elementos são muito vantajosos em uma aplicação onde se requer um alto número de ciclos de acionamento ou quando não há espaço para a montagem de chaves fim-de-curso ou sensores convencionais. Seu funcionamento baseia-se em um elemento muito conhecido na área de eletrônica, que é o reed-switch . Ele é constituído por dois contatos elétricos dentro de uma ampola de vidro com gás inerte, e esses contatos se fecham mediante a presença de um campo magnético (figura 8). Os reed-switches são colocados no corpo de um cilindro pneumático, e o êmbolo do cilindro possui um anel pneumático que, ao passar pelo reedswitch, força-o a fechar os seus contatos provocando então a passagem da corrente elétrica por eles.

do uma corrente elétrica passa por esse condutor forma-se um campo magnético no interior do solenóide,

com isso criam-se forças dentro do solenóide que servem para a movimentação de cargas ferrosas, dando origem a aplicações eletromecânicas (relés, solenóides,...). Os elementos mais utilizados em aplicações eletropneumática são as válvulas solenóides (figura 9), as quais transformam sinais elétricos em sinais pneumáticos. A parte elétrica dessa válvula é constituída por um cabeçote no qual se encontra uma bobina com um núcleo metálico móvel. Ao receber o sinal elétrico, a bobina produz um campo magnético que movimenta o núcleo, este movimento provoca o acionamento elétrico da válvula pneumática. Existem várias versões de válvulas, cada qual para determinada aplicação. Nas válvulas de acionamento direto a força necessária para a movimentação do carretel tinha que ser realizada pela própria bobina da válvula, isto é, quanto maior fosse a válvula maior tinha que ser a bobina para acioná-la e, conseqüentemente, maior o consumo de energia. Para evitar esse problema criou-se o comando servopiloto. Este acionamento tem a função de acionar pneumaticamente a válvula principal, é como se fosse uma pequena válvula acionando uma vál-

Bobina tipo solenóide Nada mais é do que um condutor enrolado em forma helicoidal. Quan46

Figura 10- Válvula solenóide de 3/2 vias com acionamento por servopiloto.


ELETROPNEUMÁTICA binários, podemos adotar o mesmo conceito da eletrônica digital. Para isso, na lógica existem dois estados possíveis: - 0: quando não há sinal; - 1: quando há sinal. Podemos fazer qualquer lógica combinacional utilizando apenas três funções lógicas básicas: - “E”; - “OU”; - “NÃO” Função “E”

Figura 11 - Lógica "E". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico de uma Lógica "E" de 4 entradas (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).

Essa função se caracteriza por apresentar o nível lógico 1 na sua saída somente quando todas as suas entradas apresentarem nível lógico 1, como podemos ver pela sua tabela verdade da figura 11-a. Simbologia (figura 11-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 11-c). Circuito Elétrico Equivalente (figura 11-d). Função “OU” Essa função se caracteriza por apresentar o nível lógico 1 na sua saída quando alguma das suas entradas apresentar nível lógico 1, como podemos ver na sua tabela verdade da figura 12-a. Simbologia (figura 12-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 12-c). Circuito Elétrico Equivalente (figura 12-d). Função “NÃO”

Figura 12 - Lógica "OU". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico de uma Lógica "OU" de 4 entradas (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).

vula maior, com isso quem aciona a válvula principal é o ar que provém da válvula piloto (figura 10). Existem outros equipamentos básicos para utilização em eletropneumática, tais como relés auxiliares, relés temporizadores, entre alguns, porém sendo eles de conhecimento geral na área de

eletroeletrônica não abordaremos os seus conceitos neste artigo. COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS Existem várias formas e caminhos para se projetar um circuito eletropneumático. Sendo circuitos lógicos e


Função também conhecida como inversora, isto é, o sinal de saída é o sinal de entrada invertido, como podemos ver na sua tabela verdade da figura 13-a. Simbologia (figura 13-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 13-c) Circuito Elétrico Equivalente (figura 13-d). Bem, como dissemos anteriormente, podemos fazer qualquer cir47

ELETROPNEUMÁTICA EXEMPLOS DE CIRCUITOS ELETROPNEUMÁTICOS EXEMPLO 1: Acionamento de um cilindro de simples ação. Acionado o botão b 1, energizase s1 que pilota a válvula, fazendo com que o pistão avance, permanecendo assim até que o botão b 1 seja desconectado. Desenergizando s 1, a válvula volta à posição inicial e o cilindro recua (figura 16). EXEMPLO 2: Acionamento de um cilindro de dupla ação.

Figura 13 - Lógica "NÃO". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).

cuito que envolva uma lógica combinacional com as lógicas “E”, “OU” e “NÃO”, tomemos o exemplo: S= ((E1 AND E2) OU NOT(E3)) AND E4 Essa equação também é conhecida no seguinte formato: =

Temos nas figuras 14 e 15 a representação do circuito em blocos lógicos e em representação elétrica.

A c i o n a n d o - s e o b o t ã o b 1, energiza-se s 1 que pilota a válvula fazendo com que o pistão avance, permanecendo assim mesmo que o botão b 1 não esteja mais sendo acionado (pois o retorno da válvula não é a mola). Ao acionar o botão b 2 a válvula

+

Figura 16 - Exemplo 1 - acionamento de um cilindro de simples ação com retorno por mola. Figura 14 - Lógica combinacional do circuito.

Figura 15 - Diagrama de contatos elétricos.

48

Figura 17- Exemplo 2 - acionamento de um cilindro com uma válvula de 2 posições eletropilotadas.


ELETROPNEUMÁTICA

Figura 18 - Exemplo 3 - dosador.

retorna, fazendo com isso que o pistão recue (figura 17).

dros A e B, vezes o diâmetro da tubulação, como podemos ver na figura 18.

EXEMPLO 3: Dosagem de Elementos.

O processo ocorre da seguinte forma: quando o operador pressiona o botão de start o cilindro B avança no sentido b, fechando com isso a tubulação; ao chegar na

Esse último exemplo visa a real compreensão e execução do que seria uma máquina utilizando circuitos eletropneumáticos, na prática. Aqui temos um processo por batelada, este é um dosador de algum elemento cujo volume de material a ser dosado é a diferença entre as hastes dos cilin-

chave fim-de-curso b1, esta aciona a válvula solenóide s3 fazendo com que o cilindro A recue enchendo a tubulação de material; quando o cilindro A achar o fim-de-curso b 3, o circuito aciona a válvula solenóide de retorno do mesmo cilindro (s4) fazendo com que ele recue imediatamente dando tempo somente de encher a tubulação de material. O cilindro A avançado aciona o fim-de-curso b2, fazendo com que o cilindro B recue liberando o material e finalizando o processo (figura 19). l

Empresas que serviram de Referências Bibliográficas para a elaboração deste artigo: FESTO www.festo.com.br PARKER AUTOMATION www.parker.com\automation PHOENIX CONTACT www.phoenixcontact.com METALTEX www.metaltex.com.br Figura 19 - Exemplo 3 - circuito eletropneumático do dosador.

CONCLUSÃO Vimos neste artigo a facilidade de implementação de um circuito eletropneumático. É claro que demos exemplos de circuitos bem simples, mas eles são a base de qualquer circuito onde empregamos lógica binária de controle. Na área de Automação Industrial temos ainda vários circuitos onde utilizamos CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) para implementar uma lógica de controle, entretanto, os conceitos são os mesmos que nós vimos até aqui, a diferença consiste em transcrever o circuito elétrico para alguma linguagem padrão de CLP como o Ladder, Lista de Instruções, entre outras... Esses temas serão abordados em outras edições da Mecatrônica Atual. MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

49

REDE

ETHERNET A TINGE TINGE O AUGE AOS 30 ANOS Bruno Tassinari

Gestor de Produtos da Festo Automação Ltda.

De que forma a rede do cabo azul irá mudar sua vida no escritório, na fábrica, no lar, nos próximos cinco anos. A Ethernet contraria o antigo conceito dos anos 70: “não confie em ninguém com mais de 30 anos”. Criada em 1973 por Bob Metcalfe, na Xerox PARC, é a tecnologia predominante na Internet. Aliás, foi fundamental para o crescimento da rede, permitindo que evoluísse de poucas unidades com pequeno número de servidores ARPANET para a rede mundial de hoje. Mas o futuro dessa “balzaquiana” projeta-se maior do que seu passado e presente. Em alguns anos, provavelmente não mais do que cinco, o famoso cabo azul que a caracteriza, comandará o apagar e acender de luzes em casa ou no escritório, a cafeteira no café da manhã e o forno de microondas no jantar, entre outras inúmeras possibilidades.

Na indústria, onde já está presente em alguns níveis (em especial no escritório e na rede corporativa) chegará ao chão de fábrica. Essa evolução, aliás, está bem mais próxima do que a “Casa dos Jetsons” descrita abaixo, com o conceito de apartamento inteligente entrando pela porta da frente. Por que não usar ainda a Ethernet em atuadores e sensores de forma direta? Ela tem baixa imunidade a ruídos e congestionamento na rede corporativa, e diferentes protocolos de diversos fabricantes. Estão em curso, contudo, as soluções para esses obstáculos: - fabricação de conectores e cabos especiais para chão de fábrica; - padronização de protocolos; - multiplicação de produtos com Ethernet integrada. Isso acarretará a substituição das redes Fieldbus por redes Ethernet, inclusive com atuadores e sensores. Também haverá a integração de quaisquer produtos de qualquer fabricante de alta ou baixa tecnologia, em uma só rede global. EM CASA

No seriado “cult” Jetsons, uma família do futuro vive as alegrias e desventuras do predomínio da tecnologia em cada atividade do dia-a-dia. Esteiras rolantes nas calçadas, casas suspensas

50


REDE no ar, veículos aéreos em lugar de automóveis e ônibus, robôs domésticos, etc. Embora seja uma tecnologia com quase três décadas de existência, como já dissemos no início deste artigo, a Ethernet ainda contempla uma visão do futuro. A diferença para a ficção científica é que, hoje, já existe todo o conhecimento necessário para que uma rede Ethernet distribua, em casa, os comandos que acionarão dos mais prosaicos eletrodomésticos ao portão da garagem. O que falta, mas está em desenvolvimento, são as conexões aos ditos aparelhos, a fim de que se possa conectar o cabo azul da Ethernet. A infra-estrutura necessária não tem nada de futurista: um computador (presente em parcela significativa das residências de classe média) e uma placa Ethernet (não confundir com aquela que comanda o acesso à Internet e ao fax). Essa placa pode ser adquirida por uns R$ 40,00. NA FÁBRICA, DE NOVO

De volta ao ambiente de trabalho, com a chegada da Ethernet ao chão de fábrica, uma só rede controlará todo o processo produtivo, da idéia ao produto, do pedido à entrega, abrindo possibilidades infinitas de gestão da empresa. Considere-se aí um programa de CRM (Customer Relationship Management), e teremos um grau ainda maior de interatividade clienteproduto. Afinal, se todos os processos estiverem integrados em uma só rede, reduziremos aquela distância (hoje já bem menor) que separa o planejamento e vendas da produção. E todos esses, do cliente, do mercado. Sabendo o que o cliente pensa do produto, o quanto ele satisfaz suas necessidades, algo já comum atualmente, e estreitando os laços entre as áreas administrativa e industrial, essa interação se fortalecerá. COMO FUNCIONA

A Ethernet é a tecnologia mais utilizada nas redes locais, tendo sido especificada pela norma IEEE 802.3, sendo desenvolvida inicialmente pela Xerox e, posteriormente, pela Xerox, DEC e Intel. Uma rede Ethernet usa normalmente cabo coaxial ou par trançado, permitindo velocidades até 10Mbps (10Base-T). Os diversos dispositivos que estão ligados à rede competem pelo acesso a ela por meio do protocolo CSMA/CD (“Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection”). Os dispositivos Ethernet têm um endereço de 6 bytes (48 bits), que é atribuído por uma entidade central de forma a não haver endereços repetidos. Há a Ethernet rápida, a 100BASE-T, com transmissão em velocidades de até 100Mbps. É usa-


da, principalmente, para sistemas de backbone que suportam estações de trabalho com acessos à rede de 10Mbps. Como a 10Base-T, a Ethernet rápida utiliza também o protocolo CSMA/CD para acesso ao meio. O protocolo CSMA/CD permite que se aumente ou diminua o tamanho da rede, sem que a performance e confiabilidade dela se degradem, simplificando sua gestão. Está especificada na norma IEEE 802.4u. Atualmente, desenvolvem-se novas normas dentro desta tecnologia. A primeira é a Gigabit Ethernet (1000Base-T ou 802.3z), que permitirá aumentar a velocidade de transmissão para 1000 Mbps. Foi desenvolvida para funcionar com os mesmos cabos que a 100Base-T, a fim de que qualquer upgrade seja barato e fácil de se realizar. Até agora, a rede de 1000 Mbps é utilizada como backbone das redes de 100 Mbps, mas, à medida em que a tecnologia evolua, as redes de 1000 Mbps serão mais comuns. Outro desenvolvimento é da norma 10 Gigabit Ethernet , que será baseada nas normas Ethernet precedentes. Serão necessários cabos de maior capacidade (fibra óptica e cabos coaxiais de elevada capacidade), o que irá permitir velocidades de 10000 Mbps. NA WEB

A Internet tem atuado como propagadora das vantagens da rede Ethernet/TCP/IP. Também é um meio amigável para o prédio ou casa inteligente. Antes da popularização da Internet, todas as atividades de uma casa, para serem geridas, necessitavam de uma rede local, em campo. Agora é possível ligar ou desligar a luz, acionar a cafeteira, o forno de microondas ou outros eletrodomésticos pela Web. De qualquer lugar, sem burocracia. É esse horizonte que aumenta o otimismo em relação ao uso da Ethernet também no lar. É óbvio que isso demandará softwares aplicativos, mais avançados do que os existentes, para aumentar a funcionalidade e segurança desses processos. Eles estão em desenvolvimento porém, e, com o crescimento do mercado, se multiplicarão. Além disso, há outro ambiente próprio para comandar tudo isso: o telefone celular. Esse mesmo telefone que “encolhe” de tamanho e “aumenta” em funções, por intermédio da tecnologia WAP (Wireless Application Protocol - protocolo de aplicações sem fio), poderá ser o meio para acionar os equipamentos conectados via Ethernet. Com isso, esquecer uma janela aberta, o forno ligado, a luz acesa (grave delito em tempos de racionamento!) serão erros facilmente detectados e solucionados. E, entre uma ligação e outra, o que será ainda mais agradável.

51

SOFTWARE

AUTOCAD APLICADO À MECA TRÔNICA TRÔNICA 2 Par te a

Sérgio Eduardo Macedo Rezende

Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos Escola Politécnica da USP RETOMANDO Na primeira parte foram apresentadas configurações básicas do AutoCAD, alguns comandos fundamentais para o traçado de linhas, o comando zoom para visualização geral ou detalhada desenho, e o erase , utilizado para apagar entidades. Esta 2a parte tem como objetivo complementar o estudo dos comandos básicos de modo que se possa construir qualquer tipo de desenho bidimesional. Serão apresentados ainda exercícios para treinar cada um dos itens descritos. Se o usuário deseja dominar o programa, é fundamental que ele faça diversos exemplos a fim de que os comandos sejam lembrados e aplicados rapidamente. Por isso, faça

todos os exercícios desta parte e tente desenhar outros que você encontrar em livros de desenho geométrico. Enfim, quanto mais treino houver,

maior será a habilidade para elaborar desenhos complexos como o mostrado na figura 1.

Figura 1 – Esquema hidráulico para mecatrônica.

57 MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

57 MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002

SOFTWARE OUTROS COMANDOS BÁSICOS

Regen/Redraw

Undo/Redo

Aproveitando as circunferências traçadas anteriormente dê um zoom window na circunferência menor da figura anterior, e veja que a imagem que aparece na tela parece na verdade um polígono, conforme mostra a figura 4. Para “refinar” a imagem, digite Regen :

Imagine a situação em que, após um longo trabalho, você foi apagar uma linha e, por engano, apagou o desenho todo, e para piorar a situação o arquivo não havia sido salvo! Ou mesmo o caso em que você fez alguns desenhos, se arrependeu, e gostaria de voltar atrás, antes de têlos feito. Para esses casos existe o comando Undo . Com ele você pode desfazer um comando ou uma seqüência de comandos. Na situação em que foi utilizado o Undo (e se quiser voltar à situação antes deste) pode-se digitar o comando Redo . Para ativar o Undo basta digitar Undo ou a letra u no menu de comandos ou ainda clicar no botão undo ; no caso do Redo digite Redo. Veja na figura 2. Tente, por exemplo, traçar algumas linhas e em seFigura 2 – Undo e guida faça o Redo. seguinte: Command: u (ou Command: redo

undo)

Circle Este é um comando fundamental que permitirá traçar circunferências de diversas formas. Ele pode ser ativado no menu superior por Draw, Circle. Também pode ser pela mesma toolbar de traçar linhas ( View, Toolbars..., assinale o checkbox Draw ) ou digitando circle no menu de comandos. A forma mais básica de traçar circunferências é indicando seu centro e seu raio em seguida. Outro método é assinalando três pontos não alinhados. Além disto, há opções como três tangentes ou duas tangentes e o raio. Tente o exemplo abaixo que servirá também para os próximos comandos a serem explicados.

Command: Regen

Figura 3 – Traçado de circunferências.

Command: circle Specify center point for circle or [3P/2P/Ttr (tan tan radius)]: 3p Specify first point on circle : -5,0 Specify second point on circle: 5,0 Specify third point on circle: 0,5 Command: z

ZOOM Specify corner of window, enter a scale factor (nX or nXP), or [All/Center/Dynamic/Extents/ Previous/Scale/Window] :

all Command: _ucsicon (No caso do

eixo de coordenadas estar atrapalhando) Enter an option [ON/OFF/All/ Noorigin/ORigin] : _off Observe na figura 3 a circunferência obtida. Há ainda a opção de traçar circunferência por dois pontos. Para isto os dois pontos indicados serão considerados alinhados com o centro da circunferência e a distância entre eles será equivalente ao diâmetro da circunferência.

Outro comando bastante utilizado no AutoCAD 12 é o Redraw para apagar pontos que ficam na tela. Dist/List Em muitos casos deseja-se conhecer as dimensões de algumas entidades como linhas e circunferências. Para isto existe o comando Dist que, como o nome diz, calcula a distância entre dois pontos (figura 5). O comando List é mais completo, listando as características principais da entidade selecionada. Experimente este exemplo: Command: dist

Specify first point: 0,3 Specify second point: 4,0 Distance = 5.0000, Angle in XY Plane = 323, Angle from XY Plane =0 Delta X = 4.0000, Delta Y = -3.0000, Delta Z = 0.0000

Osnap Quando o desenho apresenta uma alta complexidade ou não se sabe onde está a origem do centro de

Specify center point for circle or [3P/2P/Ttr (tan tan radius)]: 0,0

Specify radius of circle or [Diameter] <21.6592>: 100 58

Figura 4 – Regen.

Figura 5 – Dist.


SOFTWARE Command: l LINE Specify first point: mid

of (Repita o processo para os outros 3 pontos)

Figura 6 – Osnap.

Utilizando o comando dist meça e confirme que AB=CD e AD=BC. Você deve ter percebido que é necessário digitar estas palavras-chave end e mid todo o momento. Para ativá-las ou desativá-las permanentemente basta digitar, no menu de comandos, a palavra osnap . Em seguida, aparece na tela uma caixa de diálogo semelhante à ilustrada na figura 7. Na guia Object Snap assinale as opções desejadas. Arc

coordenadas, existe um recurso bastante importante no AutoCAD chamado osnap . Ele permite que sejam selecionados pontos importantes como interseções entre linhas, centros de circunferências, tangentes e outros. Para entender sua importância, faça um polígono qualquer de quatro lados, semelhan-

te ao da figura 6. Digite line e clique em três pontos na tela. Para fechar o polígono digite a palavra en d , posicione o cursor no fim da linha desejada até aparecer um indicador amarelo e clique para concluir. Agora faça o polígono ABCD, sendo que cada ponto pertence ao meio de cada linha.

Traçar arcos no AutoCAD é uma tarefa bastante simples e pode ser realizada de diversas formas. Uma delas é por meio de três pontos. Primeiro, ative esta opção indo ao menu Draw, Arc, 3 Points . Em seguida,

Figura 8 – Traçando arco por três pontos.

Figura 7 – Tela do osnap.


Figura 9 – Outra forma de traçar arco.

59

SOFTWARE clique em

3 pontos distintos e não alinhados e o arco passará pela ordem dos pontos marcados. Atente para a figura 8. Outra forma bastante usual de construir arcos é marcando seu início, centro e fim. Para isto, no menu superior selecione Draw, Arc, Start Center, End. Na construção do arco é preciso prestar a atenção que a construção se dá no sentido anti-horário, de acordo com a figura 9.

Figura 12 – Ícone do comando Pan.

cópia foi posicionada a uma distância de 20 unidades na horizontal e 50 unidades na vertical. Esta técnica é semelhante ao de traçar linhas por coordenadas relativas.

Exercício proposto Para treinar o que foi apresentado até o momento, faça o exemplo ao lado utilizando os comandos circle e arc. (Figura 10). Move e Copy Outro comando fundamental em qualquer programa de CAD é o responsável em mover objetos na tela. No AutoCAD ele é chamado de Move e pode ser acionado por meio do menu superior em Modify, Move. Uma forma mais rápida é digitar m ou move no menu de comandos. Em seguida, selecione as entidades desejadas e perceba que elas ficarão tracejadas. Agora clique em algum ponto do objeto a ser movido (ou da tela) para servir como referência. Finalmente, clique em um ponto dese jado na tela para onde se deseja levar o objeto. Um comando semelhante ao Move é o Copy para copiar ob jetos. Para ativá-lo basta, no menu superior, clicar em Modify e Copy , ou digitar copy (cp) no menu inferior de comandos. Para o caso em que se deseja mover uma parte do desenho a uma determinada distância do ponto de referência siga o exemplo:

Figura 10 – Exercício 1.

Enter) Specify base point or displacement, or [Multiple]: Specify second point of

Pan

Select objects: (Dê

displacement or : @20,50 Command: z

ZOOM Specify corner of window, enter a scale factor (nX or nXP), or [All/Center/Dynamic/Extents/ Previous/Scale/Window] : all

Neste exemplo (vide figura 11) foi construída uma circunferência em um ponto qualquer na tela e sua

Para os casos em que se deseja mover a tela de modo a ver outros detalhes do desenho, existe o comando Pan . Para acioná-lo, digite Pan no menu inferior ou clique no ícone correspondente (figura 12) e aparecerá na tela um desenho representativo de uma mão. Com o botão esquerdo do mouse apertado, arrasteo ao longo da tela para mover o desenho. Trim O objetivo deste comando é “aparar” partes do desenho que se cruzam. O exemplo que será explicado ilustra bem o significado do Trim . Primeiro desenhe um conjunto de desenhos semelhante ao que é mostrado na figura 13.

Command: circle Specify center point for circle or [3P/2P/Ttr (tan tan radius)]: (Clique

em um ponto da tela) Specify radius of circle or [Diameter] <10.0000>: 10 Command: cp

COPY Select objects: (Selecione a cir- cunferência) 1 found 60

Figura 11 – Exemplo de copy .

Figura 13 – Modelo Inicial.


SOFTWARE

Figura 16 – Array Retangular.

Figura 14 – Resultado do Trim.

Agora siga os passos abaixo: Command: trim

Current settings: Projection=UCS Edge=None Select cutting edges ... Select objects: all 20 found 2 were not a valid edge. Select objects: (Dê Enter) Select object to trim or [Project/ Edge/Undo]: (Selecione as quatro

um centro comum de modo que elas sejam dispostas de modo radial. A esta opção de Array é dado o nome de Array Polar. Para entender melhor o comando, desenhe primeiro um retângulo simples, conforme mostra a figura 15. Digite no menu inferior de comandos a palavra Array e selecione todo o retângulo e dê Enter para confirmar. Em seguida, digite a letra r para a opção do Array Retangular . Digite o número de linhas de cópias, dê enter e faça o mesmo para o número de colunas. Agora digite a distância

Figura 17 – Array Polar.

entre as linhas de objetos e em seguida para as colunas. Siga o exemplo a seguir:

partes a serem cortadas) E obtenha o desenho da figura 14. Perceba que no momento que se pede para selecionar limites para o trim (cutting edges), a dica é digitar sempre a palavra all, pois isto evita problemas do trim não funcionar como desejado. Array O Array tem a função de copiar objetos de forma que as cópias fiquem alinhadas em uma seqüência de linhas e colunas cujas distâncias são determinadas, este é o chamado Array Retangular . Outra forma é posicionar estas cópias em torno de

Figura 15 – Retângulo para exemplo.


Figura 18 – Exercício 2.

61

Revista Mecatronica Atual - Edicao 002

Recommend Documents