19350008 Revista Mecatronica Atual Edicao 001

NOTÍCIAS

3MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

Robôs ExploramInteligência

Artificial no MIT

Uma excursão multimídia no mundo da inteligência artificial podeser vista na exposição Robots and Beyond (Robôs e Além) realiza-da nos laboratórios do MIT (Massachussets Institute of Technoloy -http://web.mit.edu - onde os cientistas estão pesquisando os mistériosda AI (Artificial Inteligence) a quatro décadas.

O que diferencia a exposição é que além de focalizar a pesquisa ea experimentação em Inteligência Artificial, mostra também o aspectoprático do produto final. Desde o momento em que os visitantes entramna exposição, eles já participam da pesquisa do MIT. Muitos dos proje-tos apresentados são tanto experimentais como experienciais, com opróprio visitante tendo acesso às cenas que precederam todo o pro-cesso de invenção.

Na exposição é possível obter detalhes dos famosos robôs doMIT como o Cog, um robô criado para sentir seu ambiente atravésde sensores tanto visuais como tácteis. Através de protótipos eoutros meios, o visitante pode seguir a evolução do Cog desde

quando ele era umrobô primitivo, atéadquir ir todo umsofisticado siste-ma de sensores.Nesta exposiçãotambém pode-seperceber que, paraser eficiente, umrobô não precisa tero mesmo tamanhode um ser humano.Robôs microscópi-os são uma dasatrações que de-mosntram isso.

RobôsSubmarinos

Ajudam PesquisaArqueológica

Um estranho objeto em for-ma de charuto foi encontradono fundo do oceano por umrobô submarino. Analisandomelhor as imagens enviadaspelo robô o arqueologista ma-rinho Robert Chruch constatouque sua descoberta nada maisera do que um submarino ale-mão da Segunda Grande Guer-ra que havia afundado 50anos antes. A uma profundi-dade de 5000 pés (1500metros). No dia 30 de julho de1942 o U-166 afundou um na-vio americano e depois dissoele próprio afundou. No entan-to, o que mais importa para osengenheiros é o uso industrialdo robô, denominado AUV(Autonomous UnderwaterVehicle) que pelo novo concei-to tecnológico que emprega,pode ajudar muito na pesqui-sa no fundo do oceano para aconstrução de dutos de óleo egás. O AUV opera sem cabossendo controlado por operado-res a partir da superfície, alémde usar câmeras com muitomelhor qualidade de imagem.

Coq olhando Rod Brooks, diretor do Laboratório deInteligência Artificial do MIT e fundador do Humanoid

Robotics Group).

MECAMECAMECAMECAMECATRÔNICATRÔNICATRÔNICATRÔNICATRÔNICANOTÍCIASNOTÍCIASNOTÍCIASNOTÍCIASNOTÍCIAS

Newton C. Braga

MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20014

NOTÍCIAS

Computador Industrial IPC é TotalmenteConfigurável

O Computador Industrial IPC totalmente configurável é um dosmais recentes lançamentos da Festo Automação. Elke pode controlaraté 4000 pontos de entradas e saídas e ainda ser utilizados em pe-quenas e médias aplicações, pois é totalmente configurável. Tambémse destaca neste computador sua capacidade de entradas e saídasanalógicas, sensores de temperatura e possibilidade de controle demotores de passo, servomotores e servoposicionamento pneumático.

O Computador Industrial IPC pode controlar redes Field Bus comprotocolos Festo Field Bus, Profibus, Interbus, Can Bus, e AS-Interface. Na sua configuração, permite ainda o acoplamento de Dis-co Rígido, Floppy Disk, Impressora, Teclado, Mouse e Monitor VGA.Mais informações em: www.festo.com.br.

Nasa Cria Robô em Forma de Bola ParaAtividades Espaciais

A Bola Espacial (Flying SpaceBall) é o novo robô da NASA queestá sendo desenvolvido para rea-lizar tarefas de forma autônoma emespaços apertados como, porexemplo, dentro de uma estaçãoespacial ou dentro do ônibus espa-cial. O robô em forma de bola terásensores, equipamentos de vídeo,sistema de comunicação de dadossem fio e uma unidade inteligentede processamento que lhe permiti-rá entender comandos verbais e to-mar decisões.

Mini Robôs Móveis Para Alunos da UDESC

UDESC (Santa Catarina) adquiriu dois robôs fixos, de 80 quiloscada, capazes de manusear peças de até 5 quilos e também umindustrial pesando 100 quilos, os quais deverão ser utilizados em pes-quisas de iniciação científica com alunos de Engenharia Elétrica, deComputação e em teses de mestrado. Dois professores doutores emRobótica do laboratório da UDESC devem introduzir uma microcâmeranos robôs móveis para o desenvolvimento de um software que permi-ta movimentos laterais.

IBM DescobreDedos de Silício

Capazes de Detec-tar Defeitos no

DNA

Cientistas da IBM na Uni-versidade da Basileia (Suíça)descobriram a possibilidade dese usar micro mecanismosbio-mecânicos de silício capa-zes de detectar defeitos noDNA. O Jornal Science deAbril, notícia que o DNA seorganiza na forma de dedos quetêm uma espessura da ordemde 1/50 do cabelo humano.

A IBM e investigadores uni-versitários revelam novo fenô-meno no qual foram observa-das torções na seqüência doDNA com o aparecimento deminúsculas estruturas de silí-cio quando as moléculas se li-gam possibilitando assim adetecção de defeitos muito pe-quenos. A presença do silícionestas estruturas têm implica-ções importantes que podemlevar a nanorobôs capazes demanipular diretamente o DNA.

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Novo Sensor Óptico Proporciona Sensoriamentode Alta Precisão

Novo Motor DC com apenas 8 mm Não Usa Ferro

A Portscap anuncia a disponibilidade imediata de seu novo motor DC da série 08 G.Capaz de produzir um torque 50% maior do que os motores equivalentes de mesmotamanho, ele tem apenas 8 mm de diâmetro podendo substituir motores maiores emmuitas aplicações o que leva a novos níveis de miniaturização sem afetar a performancedos produtos. O motor tem uma potência de 700 mW e velocidade até 11 600 RPM,disponível em dois comprimentos (16 mm e 19 mm).

Informações em: http://www.danahermcg.com/default2.asp

Um novo sensor transmissivo óptico com umamontagem horizontal única foi anunciado recentementepela Vishay Intertechnology. Com uma abertura de 0,5mm o novo componente Vishay Telefunken TCST5250foi otimizado para sensoriamento de alta precisão emobjetos com movimento horizontal em codificadoresde engrenagens, VCRs, equipamento de arma-zenamento de dados, rodas codificadores de motoresDC e outras aplicações com limitação de espaço. Ins-

talado num invólucro de plástico polycarbonato comuma altura de apenas 9 mm o TCST5250 proporcionauma abertura de 2,7 mm e um passo de terminal de2,54 mm. Como sensor transmissivo, ele foi otimizadopara ser usado em equipamentos compactos com oposicionamento face a face de um diodo emissor eum foto-transistor. A faixa de operação de luz é de950 nm com uma resolução de 0,4 mm. Informaçõesem: www.vishay.com


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Vishay Despacha o Diodo De Vidro Número 150 000 000 000

Fraude – Redes Neurais Podem Resolver?

Redes Neurais visam imitar padrões biológicos ca-pazes de fazer um reconhecimento. Basicamente, elasimitam os neurônios do nosso cérebro, mesmo queainda não saibamos exatamente como eles funcio-nam no reconhecimento de padrões. Uma idéia queestá em curso é a utilização do reconhecimento depadrões para detectar operações fraudulentas comcartões de crédito. A idéia é obter um padrão que per-mita comparar transações reais com fraudulentas demodo a se poder fazer a detecção com facilidade. Atual-mente, o que se usa é um programa baseado emfractais que emprega a lógica de Bayes que, segundo

se afirma, é bem eficiente. Neste sistema a detecçãode fraudes é detectada com base na medição de ter-mos “positivos falsos” que indicam se a operação éfraudulenta ou não. Em Robótica, o uso das redesneurais, segundo estes mesmos princípios, pode agre-gar a um robô um certo sentido que lhe permita “nãoser enganado” ao receber um comando que o mandecumprir uma função indevida.

No entanto, é preciso ainda comparar os resulta-dos entre as duas abordagens: redes neurais ou fractaispara se obter aquela que tenha o melhor desempenhoneste tipo de aplicação.

A Vishay Intertechnology Inc anunciou recentemen-te o despacho de uma encomenda onde completa afabricação de 150 bilhões de diodos de vidro. Estesdiodos são usados em aplicações que vão de co-mutação de alta velocidade em circuitos como com-putadores e telefones celulares até sintonia em rá-dios de AM e FM. A Vishay produz mais de 10 bi-lhões de diodos anualmente e é o fornecedor nú-

mero um na Europa deste tipo de dispositivo e osegundo do mundo.

Os diodos de vidro são componentes simples mas,segundo a Vishay, fabricá-los em tamanha quantida-de, mantendo a qualidade, não é uma tarefa simples.Para mais informações sobre a Vishay e sua linha decomponentes visite o site: www.vishay.com/products/diodes_rectifiers

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Família de Controladores Lógico-Programáveis FEC

da FESTO Pode serComandada por Palm

A partir de agora, a família de CLPs FEC da FestoAutomação conta com o Easy Control (Controle Fá-cil), um software projetado para rodar em platafor-ma Palm Pilot. Com ela, as mais diversas aplica-ções que vão do gerenciamento de processos à ma-nipulação de materiais podem ser controladas porum equipamento Palm usando linguagem de progra-mação desenvolvida pela Festo. Esse add on é to-talmente gratuito. O usuário pode fazer o downloaddo programa na Internet e carregar seu Palm de qual-quer marca. Segundo a Festo, antes disso era ne-cessário usar um microcomputador desktop ounotebook.

Informações podem ser obtidas no site da Festoem: www.festo.com.br

Sensor Determinao Comprimento

de Onda daLuz Incidente

Este novo dispositivo opera com comprimen-to de onda de 450 nm a 900 nm e mede o picoespectral da luz. O sensor de comprimento deonda PSS-WS7.56 pode determinar o pico de fre-qüência de uma luz monocromática. Diferente-mente de outros dispositivos, a saída não é afe-tada pela intensidade da luz medida. O dispositi-vo pode ser usado em quantificação de LEDs,casamento de cores, teste de lentes e em ou-tras aplicações em que se necessita de medi-da precisa do comprimento de onda da luz. Aárea sensível é de 2,75 mm quadrados comduas junções pn superpostas, uma sobre aoutra. Informações na Pacific Silicon Sensorem: http://www.pacific-sensor.com

Conector Molex Para Robóticaé 15 Vezes Menor que as

Versões Tradicionais

Projetado para aplicações em Automação comopequenos robôs e outros equipamentos movimen-tados por motores, o sistema Compact RoboticConnector (CRC) tem 1/15 do tamanho dosconectores I/O tradicionais para trabalhos pesados.O sistema é um dos sistemas I/O para até 30 cir-cuitos. Disponível em versões de 12, 20 e 30 cir-cuitos, o sistema CRC tem a pinagem necessáriapara controlar robôs pequenos que, normalmente,usam até 4 motores. O sistema é especificado para250 V e pode ser usado tanto para conectar sinaiscomo al imentação. Umsistema de trava por molafaci l i ta a manutenção,uma vantagem sobre ostipos comuns que usamparafusos. Informaçõesem http://www.molex.com


ESPECIAL

INTRODUÇÃO

O mundo vem presenciando nosúltimos anos o avanço vertiginoso daMicroeletrônica, num ritmo que até omomento não tem dado sinais dedesaceleração. Como resultado, sãoobtidos circuitos eletrônicos cada vezmais rápidos e poderosos, mas para-doxalmente cada vez menores, maisbaratos e econômicos. Associados di-retamente à Microeletrônica, o com-putador digital e as Ciências da Com-putação também se desenvolvem ra-pidamente, num círculo virtuoso emque computadores mais poderososfavorecem o desenvolvimento de apli-cações mais complexas, que por suavez exigem cada vez mais podercomputacional.

Apesar desses resultados estaremcausando uma ampla revoluçãotecnológica na Engenharia e nasociedade em geral, quando são asso-ciados à sistemas mecânicos é que se

observa um maior impacto nos sistemasprodutivos e no cotidiano das pessoas.

Não é de hoje que componenteseletrônicos (tais como sensores,atuadores eletro-mecânicos e circui-tos de controle) são utilizados no con-trole e acionamento de sistemas me-cânicos. No entanto, foi o recente de-senvolvimento dos circuitos integradosque possibilitou a produção em largaescala e baixo custo de micropro-cessadores dedicados conhecidoscomo microcontroladores. Hoje essesdispositivos eletrônicos estão presen-tes não apenas em máquinas e equi-pamentos industriais mas também nosautomóveis, nas máquinas de lavarroupas, nos sistemas de ar condicio-nado, aparelhos de vídeo, etc. Os sis-temas mecânicos sofreram profundasmodificações conceituais com a incor-poração da capacidade de proces-samento, o que permitiu torná-los maisrápidos, eficientes e confiáveis, a cus-tos cada vez menores.

No Japão, a combinação bem su-cedida de Mecânica, Eletrônica eProcessamento Digital em produtos deconsumo recebeu o cognome deMecatrônica no final da década de 70.A figura 1 representa de forma gené-rica um sistema mecatrônico. Ossensores captam as informações domundo físico que são processadasdigitalmente, resultando em ações decontrole. O sistema de controle agesobre o sistema físico através deatuadores. Disto resulta um sistemarealimentado, que pode representarsistemas com níveis variados de com-plexidade.

Essa combinação pode gerar umagama muito ampla de aplicações, detal forma que o termo Mecatrônicapode ser interpretado de formas dife-rentes dependendo da aplicação emquestão. Este artigo tem seu foco naAutomação Industrial, com particularênfase na indústria de manufatura.Este é o foco adotado no curso deEngenharia Mecânica com habilitaçãoem Automação e Sistemas da EscolaPolitécnica da USP (EPUSP), com oqual os autores se encontram envol-vidos (Cozman, 2000).

MECATRÔNICA

Muitos engenheiros consideramque a Mecatrônica surgiu com o de-senvolvimento dos robôs. Os projetosna área de Robótica impulsionaram odesenvolvimento de outras áreas, taiscomo o controle realimentado a partirda fusão de informações sensoriais,tecnologias de sensores e atuadores,

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A Mecatrônica pode ser definida como a integração de Me-cânica, Eletrônica e Computação de forma concorrente. Essacombinação tem possibilitado a simplificação dos sistemasmecânicos, a redução de tempos de desenvolvimento e custos,e a obtenção de produtos com elevado grau de flexibilidade ecapacidade de adaptação a diferentes condições de operação.Os conceitos de Mecatrônica podem ser empregados numa vastagama de aplicações, sendo que este artigo é focado na área deAutomação Industrial.

Julio Cezar AdamowskiProfessor Titular do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Escola Politécnica da USP

Celso Massatoshi FurukawaProfessor Doutor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Escola Politécnica da USP


ESPECIAL

programação de alto nível, cinemáticae dinâmica. O grande avanço na áreade Robótica somente foi possível como surgimento do microprocessador,pois o controle de trajetória dos robôsarticulados envolve cálculos complica-dos que devem ser realizados em tem-po real.

Segundo Schweitzer da ETH deZurich (1996), Mecatrônica é uma áreainterdisciplinar que combina a Enge-nharia Mecânica, a Engenharia Ele-trônica e Ciências da Computação.

Van Brussel, da Universidade Ca-tólica de Leuven (1996), consideraMecatrônica como a combinação deEngenharia Mecânica, Engenharia deControle, Microeletrônica e Ciência daComputação, numa abordagem de en-genharia concorrente, isto é, deve-seter uma visão simultânea das possibi-lidades nas diferentes disciplinas en-volvidas, em contraste com as abor-dagens tradicionais que geralmentetratam os problemas separadamente.

Salminen, da empresa FIMET daFinlândia (1992), define Mecatrônicacomo sendo a combinação de mecâ-nica e eletrônica para melhorar a ope-ração em vários aspectos, aumentara segurança e reduzir custos de má-quinas e equipamentos. Presume-seque o autor considera a Computaçãocomo parte da Eletrônica.

Acar, da Universidade deLoughborough na Inglaterra (1996),considera a Mecatrônica como umafilosofia de projeto, baseada naintegração de Microeletrônica, Com-putação e Controle em SistemasMecânicos, para se obter a melhorsolução de projeto e produtos comum certo grau de “inteligência” e “fle-xibilidade”.

Existem vários outros artigos quediscutem a definição de Mecatrônica(Ashley, 1997), porém verifica-se queo ponto comum à maioria das abor-dagens é, mais que a simples soma,a integração de diferentes tecnologias.

A partir de meados da década de80, países como Austrália, Japão,Coréia do Sul, além de alguns paísesEuropeus, iniciaram a criação de cur-sos de graduação e pós-graduaçãovoltados ao ensino multidisciplinar deMecatrônica (Acar, 1997).

Nos Estados Unidos não foramcriados cursos específicos de Enge-nharia Mecatrônica, porém foramintroduzidas, nos currículos dos cur-sos de graduação, disciplinas queapresentam o conceito de Mecatrônica(Ashley, 1997). Na grande maioria dasFaculdades de Engenharia dosE.U.A., as modificações foram feitasnos cursos de Engenharia Mecâni-ca, com disciplinas que abordam aintegração de Mecânica, Eletrônicae Computação, para o desenvolvi-mento de componentes e máquinas.

Na Finlândia foi introduzido em1987 um programa especial de pes-quisa em Mecatrônica com a partici-pação de quatro universidades técni-cas. Este programa contou com umorçamento de 6,5 milhões de dólaresaté 1990, e a participação de aproxi-madamente 80 indústrias atuando emsetores estratégicos (máquinas parafabricação de papel, telefonia móvel,máquinas florestais, robôs especiais)(Salminen, 1996). O programa atingiuo objetivo de difundir os conceitos deMecatrônica nas indústrias e em 1995um novo programa foi introduzido, comhorizonte de quatro anos e um orça-mento de 20 milhões de dólares, en-

volvendo universidades, centros depesquisa e indústrias, com novos te-mas na área de Mecatrônica.

Na Inglaterra, a comunidade envol-vida com Mecatrônica só recebeuaceitação oficial em 1990 com a cria-ção de um Fórum de Mecatrônicaapoiado pelo IEE (Institute of ElectricalEnginners) e o MechE (Institute ofMechanical Engineers) (Hewit, 1996).

No Brasil, o primeiro curso de gra-duação em Mecatrônica surgiu no fi-nal da década de 80, como uma inicia-tiva pioneira da Escola Politécnica daUSP. O curso, denominado Automaçãoe Sistemas, foi implementado no De-partamento de Engenharia Mecânica,aproveitando-se o núcleo do curso deEngenharia Mecânica, ao qual se in-troduziram disciplinas novas de Ele-trônica e Computação (Cozman,2000). Este curso foi iniciado em 1988e já formou cerca de 450 engenheirosaté o final de 2000.

CONCEITOS DE MECATRÔNICA

Atualmente a Mecatrônica é enten-dida como uma filosofia relacionadaà aplicação combinada de conheci-mentos de áreas tradicionais como aEngenharia Mecânica, Eletrônica eComputação de forma integrada econcorrente, conforme mostra a figu-ra 2. Uma combinação para ser con-corrente deve extrair o que há de maisadequado em cada uma das áreas, detal forma que o resultado final é maisdo que a simples soma de tais es-pecialidades, mas sim uma sinergiaentre elas.

O conceito de Mecatrônica repre-senta a combinação adequada de ma-teriais (resistência dos materiais, com-portamento térmico, etc.), mecanis-mos (cinemática, dinâmica), sensores,atuadores, eletrônica e processamen-to digital (controle, processamento desinais, simulação, projeto auxiliado porcomputador), possibilitando as seguin-tes características:

a) No projeto

• Simplificação do sistema me-cânico;

• Redução de tempo e de custo dedesenvolvimento;

Figura 1 - Sistema mecatrônico.


ESPECIAL

• facilidade de se introduzir modi-ficações ou novas capacidades;

• flexibilidade para receber futu-ras modificações ou novas funciona-lidades.

b) No produto:

• flexibilidade de operação:programabilidade;

• inteligência: capacidade parasensoriar e processar informaçõespara se adaptar a diferentes condiçõesde operação;

• auto-monitoração e prevençãoativa de acidentes;

• auto-diagnóstico em caso defalhas;

• redução do custo de manuten-ção e consumo de energia;

• elevado grau de precisão econfiabilidade.

Vejamos alguns exemplos de comoesses resultados são possíveis, den-tro da área de Automação Industrial.

Sistemas tais como máquinas fer-ramentas e máquinas de manufatura

em geral eram compostos por meca-nismos para sincronização de movi-mentos e normalmente acionados porum só atuador (em geral, um motorelétrico). A grande complexidade dosmecanismos exigia precisão elevadapara diminuir folgas e dispositivos delubrificação para reduzir atritos. Essasmáquinas sofreram um grande desen-volvimento, com a introdução do con-trole numérico computadorizado(CNC), possibilitando a obtenção depeças com formas tridimensionaiscomplexas. Os Controladores LógicosProgramáveis (CLP) possibilitaramgrandes modificações na indústriacom a automação de processos, me-lhorando o desempenho e a qualida-de dos produtos.

A utilização de mecanismos elás-ticos tem se tornado uma realidadee possibilita a eliminação de juntasarticuladas, por exemplo. Estrutu-ras flexíveis podem ser controladas,através de sensores e atuadoresmontados ao longo dessas estrutu-ras, passando a apresentar compor-

tamentos desejados, como porexemplo, maior rigidez e eliminaçãode modos de vibração.

As aplicações de computação emEngenharia Mecânica evoluíram a par-tir do início da década de 80 com aevolução vertiginosa do poder deprocessamento dos computadores,acompanhado por um imenso declíniode preços. Antes disso, programaspara análise estrutural, térmica ou flui-da eram rodados em computadorestipo main frame com entrada de da-dos em cartões perfurados e saídasem forma de listagens. Atualmenteesses programas de análise oferecemexcelentes interfaces gráficas para ousuário, tanto relacionadas à entradade dados como apresentação dos re-sultados. Hoje, modelos matemáticossofisticados e cada vez mais comple-xos podem ser simulados mesmo emcomputadores pessoais.

NÍVEIS

Para alguns, Mecatrônica é o con-ceito de engenharia integrada que uti-liza CAD e CAM para gerar um produ-to complexo como, por exemplo, umrobô. Um engenheiro de produção,por outro lado, pode entender aMecatrônica como sendo a imple-mentação de um sistema flexível demanufatura. Um engenheiro, ao pro-jetar uma câmara de vídeo, podeentendê-la como a utilização de ele-trônica numa aplicação Mecânica. Jáum engenheiro químico pode enten-der a Mecatrônica como o controle deum processo químico utilizandosensores e atuadores, controlados porum processador digital. Provavelmen-te todos estão corretos, pois aMecatrônica está presente em diferen-tes níveis.

Neste artigo são definidos os se-guintes níveis:

• Componente (por exemplo, circui-tos integrados, sensores, atuadores,mecanismos);

• Máquina (máquinas de usi-nagem, medição, inspeção, movimen-tação, embalagem);

• Sistema (FMS - flexible manu-facturing system, FAS - factoryautomation system, CIM - computerintegrated manufacturing).

Figura 2 - Uma representação esquemática da Mecatrônica.


ESPECIAL

A atuação profissional nos diferen-tes níveis está relacionada com o graude compreensão exigido dos fenôme-nos físicos envolvidos: quanto maispróximo, maior deve ser o domíniosobre eles. O nível de componenteexige o maior grau de domínio, en-quanto que o nível de sistema requero menor. Desta forma, conforme nosdistanciamos do nível físico, diminui-se a complexidade física envolvidadevido ao aumento do nível de abs-tração. Por outro lado aumenta tam-bém a complexidade lógica do siste-ma, exigindo maior poder de pro-cessamento para lidar com uma mai-or quantidade de informação. É o queilustra a figura 3.

No caso de um sensor de tempe-ratura, por exemplo, precisamos terconhecimento dos fenômenos físicosque podem ser utilizados para reali-zar a medida (variação de resistência,dilatação térmica, junção termo-par,etc), as vantagens e desvantagens decada um, as condições em que a me-dida deverá ser feita (tempo de res-posta, faixa de temperatura, precisãoe condições ambientais adversas), ea eletrônica necessária para con-dicionar o sinal e permitir a sua leitu-ra. No caso extremo do projeto de umsensor desse tipo, a informação de-sejada é o valor real de uma tempera-tura, e seu processamento envolve atransdução para um sinal elétrico.

No noutro extremo, um sistema deautomação de fábrica (FAS) deve li-dar com informações bastante abstra-tas, tais como adequação de esto-ques, capacidade produtiva das má-quinas, previsões de demanda, esca-las de manutenção, possibilidade defalhas, limites de consumo de energia,etc. A geração de um planejamentootimizado de produção (o que produ-zir, quando e como) e o posterior con-trole da produção (com correções ocor-rendo ao longo do trabalho) exige oconhecimento preciso e instantâneo detodas estas variáveis e de muitas ou-tras mais, além de envolver algoritmossofisticados para tomada de decisões.

DISCUSSÃO

O ponto importante do conceito eda filosofia de Mecatrônica é a combi-nação concorrente da Mecânica, Ele-trônica e Computação, de forma inte-grada para se obter, no produto, ca-racterísticas, tais como, flexibilidade einteligência, e no projeto, sistemas me-cânicos mais simples, redução de cus-tos e facilidade para se introduzirmodificações.

Os grandes desafios impostos pelaMecatrônica são: atualização constan-te e projetos visando a integração deconhecimentos de diferentes áreas.Osmeios de comunicação têm acompa-nhado esta evolução e a Internet tem

possibilitado consulta rápida a forne-cedores e fabricantes de componen-tes, máquinas e sistemas. A integra-ção, sendo uma característica dos pro-jetos em Mecatrônica, exige do pro-fissional não apenas um conhecimen-to técnico abrangente, mas tambéma habilidade para trabalhar em equi-pe, uma vez que seria muito difícil umúnico profissional ter domínio totalsobre todas as áreas envolvidas.

O rápido desenvolvimento científi-co e tecnológico que estamos presen-ciando inviabiliza a formação de pro-fissionais com profundo domínio detodas as especialidades que com-põem a Mecatrônica, exigindo que aeducação ocorra de forma continu-ada mesmo após a conclusão docurso. l

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Acar M., Parkin R.M.,Engineering Education for Mecha-tronics, IEEE Transactions on Indus-trial Electronics, vol. 43, no. 1, p.106-112, 1996.

2. Acar M., MechatronicsChallenge for the Higher EducationWorld, IEEE Transactions onComponents, Packing, and Manu-facturing Technology, vol. 20, no. 1,p.14-20, 1997.

3. Ashley S., Getting a Hold onMechatronics, Mechanical Enginee-ring, ASME, maio de 97, p. 60-63,1997.

4. Cozman F.G., Furukawa C.M., AReestruturação Curricular do Curso deMecatrônica da Escola Politécnica,Anais do COBENGE 2000, Ouro Pre-to, MG, out. 2000.

5. Hewit, J.R. & King, T.G.,Mechatronics Design for ProductEnhancement, IEEE/ASME Transac-tions on Mechatronics, vol. 1, no. 2,p.111-119, 1996.

6. Salminen V., Ten Years ofMechatronics Research and Industri-al Applications in Finland, IEEE/ASMETransactions on Mechatronics, vol. 1,no. 2, p.103-105, 1996.

7. Van Brussel H.M.J., Mecha-tronics – A Powerful ConcurrentEngineering Framework, IEEE/ASMETransactins on Mechatronics, vol. 1, no.2, p.127-136.

Figura 3 - A complexidade física é maior no nível de componente, enquanto que a complexidadelógica é maior no nível de sistema

MECATRÔNICA ATUAL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200112

PNEUMÁTICA

Atualmente, podemos afirmar queseria quase impossível projetar qual-quer sistema de Automação sem re-corremos aos recursos da eletrônica.Presente em todos os sistemas quenecessitam de:

• confiabilidade;• segurança operacional;• rapidez na geração dos sinais de

comando, gerando produtividade, pro-dutos seriados com a qualidade as-segurada, e conseqüentemente redu-ção de custos, no produto terminado.

As aplicações da Automação, sejaela Pneumática, Hidráulica ou qualqueroutra forma que dependa dos coman-dos da Mecatrônica (Mecânico + Ele-trônica) estão presentes nas grandes,médias ou pequenas empresas, comampla gama de contribuições.

Destacamos a mecanização detarefas manuais, a automação ou

semi-automação de máquinas dosmais diversos tipos, a construção dedispositivos que executam automati-camente seqüências operacionaissimples ou mais complexas, tudo istofacilmente integrado à Microeletrônicae à Informática.

Hoje, os componentes de campo,tais como; sensores, transmissores depressão, de temperatura, válvulassolenóides, sinalizadores, alarmes,lâmpadas , etc., e sem deixar de men-cionar, os Controladores LógicosProgramáveis (CLP’s), superam suaspróprias perspectivas.

De um simples projeto - o de abrire fechar uma porta, até o mais dossofisticados computadores que co-mandam todos os controles de umaNave Espacial, a Eletrônica se faz pre-sente, oferecendo segurança econfiabilidade.

Imaginem o segmento bancário,operando sem os recursos dos com-putadores - seria um caos atender àtodos os serviços e as facilidades ge-radas através da Eletrônica, sem falarda Internet, pelo sistema da rede deTelecomunicação Computadorizada.

Uma empresa , que não utiliza osrecursos dos computadores, seja para:controle de estoque, de vendas, deprodução - análise dimensional de pe-ças - CAD - controles estatísticos -projetos, entre outros serviços, certa-mente estará fora de competição nomercado atual.

E na linha de produção, onde inú-meros comandos são responsáveispara:

• alimentar, posicionar, fixar, expulsar;• separar, girar, contar, dosar, ordenar;• imergir, elevar;• alimentação de fitas com avan-

ços compassados;• unidades de avanço giratório pas-

so-a-passo;• Robótica;• entre outras aplicações.É possível imaginá-los sem os re-

cursos da Automação Eletrônica?E na área da Automação Pneumá-

tica, podemos elaborar dispositivossem a ajuda da Eletrônica? Sim, sóque não podemos contar com aconfiabilidade operacional destesequipamentos, pois seus recursos deaplicação são limitados.

Exemplo: Um comando pneumáti-co que depende de um acionamentode fim de curso pneumático e/ou me-cânico; será que podemos confiar noseu sinal de retorno informando:

Hoje, é bastante comum, Engenheiros de Automação Industri-al, Técnicos em Instrumentação, estudantes de Mecatrônica, en-tre outros profissionais, elaborarem seus projetos, sem se preo-cuparem com os componentes e demais elementos de Campo.

Nosso objetivo principal, é fazer um alerta à estes profissionais,para que especifiquem, em seus projetos, produtos de alta quali-dade e com a confiabilidade assegurada, pois somente assim seusprojetos terão resultados positivos.

A área de Automação Pneumática, hoje responsável pela maio-ria dos comandos, utilizados em Robótica, Processos Industriais,Malhas de Instrumentação, etc., é o tema principal deste artigo.

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José Carlos AmadeoCentro Universitário Salesiano de São Paulo

13MECATRÔNICA ATUAL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

PNEUMÁTICA

“peça posicionada” - “válvula sole-nóide de emergência fechada” , “por-ta do forno aberta”, etc., e sua segu-rança operacional ?

Vamos imaginar uma máquinacomplexa, responsável por 60% daprodução (de alta responsabilidade),cujo investimento para a empresa foibastante representativo, e por qual-quer motivo esta máquina “parar”, porfalha de algum componente pneumá-tico. Será prejuízo na certa para aempresa, gerando atrasos na produ-ção, em seus compromissos de entre-gas, no seu faturamento , etc.

Temos estatísticas que uma máqui-na parada por razões de manutenção/reparos, ou mesmo para troca de umsimples componente, sua “hora máqui-na parada” representa para a empre-sa, R$ 10.000,00/hora, aproximada-mente, dependendo do tipo de máqui-na e dos componentes instalados.

Nossa imaginação está voltadapara esta máquina - fabricada no Bra-sil ou importada - e que vem equipa-da com blocos de válvulas pneumá-ticas - comando solenóides - e comum programa de CLP incorporado. Ofabricante , por razões desconheci-das ou mesmo por questões de re-dução de custos, especificou, noitem “válvulas/componentes pneu-máticos”, uma certa marca “X” . Seesta máquina for importada - ex.:USA, entre o despacho de origem, atésua chegada ao Porto de Santos, etranslado para a Capital, passaram-se05 meses - (prazo bastante otimista).Seus componentes pneumáticos, edemais acessórios instalados , fica-ram inativos durante este período.

Nos “Termos de Garantia”, os fa-bricantes costumam mencionar: “Nãogarantimos seus componentes por usoinadequado e/ou aplicações que nãoestejam dentro dos descritivos técni-cos ...” - ou coisas semelhantes.

HORA DE INSTALAR A MÁQUINA

Se o instalador possuir algunsconhecimentos em AutomaçãoPneumática, suas primeiras provi-dências serão:

• Verificar o local da instalação;• Se existe neste local, ponto de

ar comprimido, caso contrário, insta-

lar dentro das especificações e dasnormas técnicas exigidas pelo fabri-cante, componentes “confiáveis”, poiseste será mais um dos acessórios res-ponsáveis pelo bom andamento dosequipamentos;

• Ler as especificações técnicado manual, quanto: a pressão deoperação (máxima e mínima), siste-mas de filtragem do ar comprimido,temperatura ambiente, se este equi-pamento necessita ser instalado emsalas climatizadas, entre outras no-tas importantes;

• O conjunto de preparação e tra-tamento do ar comprimido, filtro/regulador de pressão e Lubrificador,deverá atender à todas exigênciasem relação a: qualidade do ar com-pr imido, instalação de f i l troscoalescentes, secador de ar, vazão/pressão, etc.;

• Lubrificação: se a máquina ope-ra com ou sem lubrificação, especifi-car para compras, o óleo recomen-dável (confiáveis), especial para sis-temas de lubrificação pneumática;

• Entre outras inúmeras providências.

E em relação as “válvulas decomando pneumáticas instaladas...são confiáveis?" Estão em condiçõespara entrar em operação?

O que adiantou os engenheiros/técnicos em Mecatrônica projetarseus comandos / CLP’s com os maissofisticados componentes eletrônicos,garantindo movimentos operacionais,através dos sinais I/O, se no final da“linha” existem componentes, nestecaso, pneumáticos, sujeitos a falhas?

Nosso alerta está voltado para ousuário final, ou mesmo para os pro-jetistas que deverá especificar/exigirdo fabricante, seja ele nacional oumesmo de produtos/máquinas impor-tadas, que seus componentes pneu-máticos. Exemplo: válvulas solenói-des, sejam de alta tecnologia e quetenham no Brasil, representantes/dis-tribuidores autorizados com assistên-cia técnica, para que em caso deemergência, falha de algum compo-nente, queima de uma bobina da vál-vula solenóide ou mesmo após umlongo período operacional tenham, nolocal, peças de reposição.

Figura 1 - Exemplo de uma válvula solenóide de ação Direta, com a nova tecnologia “Spool & Sleeve”.


PNEUMÁTICA

UM ALERTA, EM RELAÇÃO ASVÁLVULAS E DEMAIS COMPO-

NENTES PNEUMÁTICAS

Já estão disponíveis no mercadonacional, válvulas pneumáticas comnova tecnologia, chamada de: “Atecnologia do Spool & Sleeve”.

Trata-se de válvulas pneumáticasque operam sem guarnições de bor-racha, ou seja, sem as tradicionaisvedações do tipo “O ring’s”, garantin-do desta forma, confiabilidade emseus comandos, maior rapidez de co-mutação, alta vazão constante, longavida operacional , entre outros bene-fícios. A figura 1 mostra um exemplodeste tipo de válvula.

A TECNOLOGIA SPOOL SLEEVEPASSO-A-PASSO

Esta tecnologia é formada por umcarretel deslizante e um cartucho flutu-ante. Confeccionados em aço inox comprecisão micrométrica e submetidos atratamento térmico de endurecimento.

Sendo balanceado, ao injetar-seo ar comprimido na válvula, o Spoolé centrado no Sleeve e o ar ao redordeste, formando um colchão de ar,

que passa a atuar como se fosseum rolamento pneumático evitandoqualquer contato metal-metal, con-seqüentemente, sem nenhum atri-to no conjunto. Além disso:

• O ajuste perfeito entre o Spoole o Sleeve dispensa as vedações di-nâmicas tipo “O ring’s”, tornando adurabilidade das válvulas quase infi-nita e sem vazamentos.

• Trabalhando com ou sem lubrifi-cação elas resistem a contaminantes,misturas pegajosas e ferrugem dasredes de ar (redes antigas) por váriosanos sem manutenção.

• As afiadas arestas existentes noSpool formam uma perfeita lâmina nosorifícios de passagem do ar no Sleeve,funcionando como raspadores, com-batendo os elementos de contamina-ção da rede de ar comprimido.

• Possuem extrema versatilidadede aplicação, como: pressão-vácuo,dupla-pressão, vácuo-vácuo, etc.

• Através desta nova tecnologia,a confiabilidade de comando geradaspelos CLP's estará garantida.

• Esta nova tecnologia permiteque as válvulas pneumáticas operemisentas de lubrificação, não poluindoe/ou contaminando o ambiente de tra-

balho, eliminando desta forma, o óleoque sai pelos escapes, contrário aosmodelos de válvulas que necessitamoperar com lubrificação permanente.

• Atuadores pneumáticos - Cilindros- responsáveis pelos movimentos/forçasentre outras funções, também disponí-veis para operar sem lubrificação.

A figura 2 mostra um exemplo deválvula servo-pilotada em “corte”.

É importante divulgar esta novatecnologia, pois as válvulas pneumá-ticas, que possuem as tradicionaisguarnições de borracha, como ele-mentos de vedação, podem ressecar,por falta de uma lubrificação adequa-da, ou mesmo apresentar desgastespelo seu uso constante, provocandofalhas, resultando as “paradas de má-quinas”, para troca dos jogos de re-paros, além do desperdício do arcomprimido, provocados pelos vaza-mentos (desgaste natural dos com-ponentes de borracha).

Podemos afirmar que nadaadiantaria fazer uso da alta tec-nologia dos Comandos Eletrônicos,sejam estes, de fabricação atual oumesmo do próximo século, se nãoutilizarmos Componentes Pneumá-ticos Confiáveis. l

Figura 2 - Exemplo de válvula solenóide servo-pilotada em "corte".


ELETRÔNICA

O maior problema para osmontadores de automatismos mecâ-nicos como braços mecânicos, robôs,pequenos veículos controlados à dis-tância, etc., está na obtenção das par-tes mecânicas.

Muitos, desmontando brinquedose eletrodomésticos fora de uso e mes-mo equipamentos de uso especializa-do que usam elementos mecânicosacabam por conseguir muitos compo-nentes importantes como motores,engrenagens, polias, etc e a partirdeles construir sistemas de redução,movimentação de alavancas, braçose em alguns casos até montarservosmecanismos.

No entanto, trata-se de um verda-deiro trabalho de "garimpagem" quenem sempre leva às soluções deseja-das, além de dar muito trabalho. Coma disponibilidade de computadores em

praticamente qualquer laboratório dedesenvolvimento, a possibilidade dese controlar dispositivos mecânicos apartir de programas automatizadores,de um teclado ou mesmo de umjoystick, torna-se cada vez mais ten-tadora, e as escolas que ensinamMecatrônica sabem disso e até mes-mos os profissionais que tentamimplementar seus próprios projetosnesta área.

No entanto, esbarra-se ainda naparte mecânica que pode significar adiferença entre o êxito e o fracasso dequalquer projeto.

Mas, o problema tem algumassoluções simples que podem facilitarbastante o trabalho dos projetistas.

A disponibilidade no mercado deuma caixa de redução com caracte-rísticas padronizadas e que funcionacom tensões que são facilmente obti-

das a partir de circuitos eletrônicoscomuns pode ajudar bastante os lei-tores interessados.

CAIXA DE REDUÇÃO

A Saber Marketing Direto Ltda. temna sua linha de produtos uma caixade redução que pode servir para a re-alização de uma infinidade de proje-tos que envolvam o controle de dispo-sitivos mecânicos a partir de sinaiselétricos.

CAIXAS DE REDUÇÃOCAIXAS DE REDUÇÃOCAIXAS DE REDUÇÃOCAIXAS DE REDUÇÃOCAIXAS DE REDUÇÃOSolução para a realização de projetos de

Mecatrônica

Um dos problemas para a realização de projetos práticos queenvolvam automatismos mecânicos acionados por meio de circui-tos eletrônicos, como por exemplo, a partir de computadores e cir-cuitos digitais de controle é a obtenção de componentes mecâni-cos. A Mecatrônica, que une as tecnologias da Eletrônica e daMecânica está se difundindo cada vez mais e muitas escolas já pos-suem cursos regulares desta disciplina. No entanto, elas enfren-tam muitas dificuldades justamente pela impossibilidade deimplementação de projetos didáticos simples, acessíveis e bara-tos que possam ser realizados no nível exigido pelos cursos. Umasolução interessante que apresentamos neste artigo consiste nouso de caixas de redução.

Newton C. Braga

Esta caixa de redução, conformemostra a figura 1, consta de um motorde corrente contínua de 6 volts queaciona um conjunto de engrenagensmetálicas, obtendo-se assim uma re-dução de velocidade numa proporçãoque pode ser considerada ideal paraaplicações em Mecatrônica, Robóticae automatismos mecânicos diversos.

Como os motores de corrente con-tínua possuem uma velocidade quedepende de sua carga, não é possí-vel definir exatamente a velocidade daredução, mas ela estará entre 0,5 e 1

Figura 1 - Uma caixa de redução para projetosde Mecatrônica.


ELETRÔNICA

giro por segundo, tipicamente, depen-dendo de quanta força você desejarque ela aplique num mecanismo.

Para um motor pequeno, esta taxade redução permite uma multiplicaçãoconsiderável da força, o que quer di-zer que no eixo de redução obtém-seum torque considerável.

De fato, enrolando-se diretamen-te um fio neste eixo, é possível deslo-car um peso considerável, conformemostra a figura 2.

COMO USAR

A maneira mais simples de secontrolar o motor a partir de sinaisde pequena intensidade faz uso deum transistor NPN ou PNP de mé-dia potência de uso geral, mostradona figura 3.

Para se alterar a velocidade de ro-tação numa faixa bastante ampla po-demos usar um controle PWM combase em circuitos integrados simples.Assim, o circuito da figura 4, altera ociclo ativo do sinal retangular aplica-do no motor de modo a modificar suavelocidade com um mínimo de perdade torque nas baixas rotações.

Neste circuito também podemosusar um transistor de efeito de campode potência (Power FET) que é capazde controlar vários ampères de cor-rente com grande facilidade.

Esta característica é importante,pois diferentemente dos reostatos co-muns não existe uma “faixa morta” emque o motor é alimentado mas não“parte”, saindo depois da imobilidade

já com boa velocidade. Este proble-ma, muito notado em ferrovias em mi-niatura, autoramas e robôs móveis,não ocorre com este tipo de controle.

Uma aplicação interessante con-siste na inversão da polaridade e por-tanto do sentido de rotação por meiode uma ponte de transistores ou pon-te H como é chamada.

Este circuito‚ mostrado na figura 5,funciona da seguinte forma: quando onível do sinal de controle é alto, con-duzem os transistores Q1 e Q3, com acorrente passando num sentido pelomotor. Quando o nível do sinal de con-trole é baixo, conduzem os transisto-res Q

2 e Q

4 com a circulação da cor-

Outras caixas de redução: Muitos brinquedos que se movimentam não têm suas rodas

propulsoras diretamente acopladas aos motores, pois eles são dealta rotação e neste caso deseja-se baixa rotação e maior torque.Assim, é comum que nestes brinquedos já encontremos os moto-res acoplados à pequenas caixas de redução que tanto podem terengrenagens plásticas como de metal. Estes motores, com suascaixas de redução, podem ser usados em diversos projetos deMecatrônica.

A vantagem principal deste siste-ma está na facilidade que se tem deacoplar o eixo a qualquer dispositivoque se deseje movimentar e na pos-sibilidade de se controlar o motorcom tensões e correntes relativa-mente baixas.

Também observamos que é pos-sível inverter o sentido de rotação dosistema, bastando para isso que seinverta a circulação da corrente nomotor.

Para os projetistas de Mecatrônica,Robótica e automatismos mecânicosexiste uma outra vantagem importanteno uso destas caixas: a possibilidadede se conseguir diversas unidadescom características semelhantes, ga-rantindo assim uniformidade na açãodo projeto. Certamente isso não vaiocorrer se peças isoladas forem apro-veitadas de sucatas ou montadas apartir de componentes isolados apro-veitados da mesma forma.

Também é importante observarque o próprio motor original pode serfacilmente trocado, caso o projetistadeseje características diferentes paraseu automatismo.

Figura 2 - A força do motor fica multiplicadapela redução.

Figura 3 - Um controle linear de velocidade.

Figura 4 - Um controle PWM para motor e caixa de redução.


ELETRÔNICA

rente pelo motor no sentido inverso. Acombinação deste circuito com o an-terior permite que se tenha um domí-nio completo sobre o sentido de rota-ção e a velocidade do motor.

Observe que estes circuitos permi-tem o controle digital da caixa de re-dução o que pode ser interessante nasaplicações que envolvam o uso decomputadores.

Para se usar o computador (PC)diretamente no controle de uma caixade redução (ou mais) podemos obteros sinais de sua porta paralela.

Para isso, basta conhecer os sinaisobtidos nesta porta que são discuti-dos com maiores detalhes no artigo:"Os Segredos da Porta Paralela".

Em cada saída D0 a D

7 temos si-

nais de controle que podem drenarcorrentes máximas de 24 mA e forne-cer correntes máximas de 2,4 mA auma carga externa. Isso significa que,para maior segurança sempre deve-remos fazer os acionamentos com aporta correspondente no nível baixoou então usar buffers apropriados. Oacionamento direto por meio de tran-sistores é mostrado na figura 6. Nestecircuito o uso de transistores PNP fazcom que o motor seja acionado quan-do o nível lógico na saída seja 0.

A fonte de alimentação do motor(ou motores) deve ser separada, maso ponto de terra deve ser comum coma fonte do computador.

Para que o acionamento do motorocorra com o nível lógico 1 podemoster um inversor que é mostrado na fi-gura 7. Para usar buffers devemos lem-brar que as saídas do PC casam-secom a tecnologia TTL LS e HC MOS.

Finalmente, para maior segurançanos projetos, pode ser usada umainterface com isoladores ópticos, casoem que se garante que qualquer pro-blema elétrico que ocorra não vá re-fletir no computador. Um circuito des-te tipo é mostrado na figura 8. É im-portante observar que os buffers in-ternos do computador que fornecemsinais a sua saída normalmente fazemparte de chips com outras funções in-

Figura 5 - Um controle de direção para motor DC usando uma ponte H.

Figura 6 - Acionamento direto de motor pelaporta paralela (nível baixo).

Figura 8 - Interface com acoplador óptico.

ternas, como por exemplo, o controledos drivers. Isso significa que umdano acidental nos circuitos dasportas pode ter conseqüências gra-ves para o PC.

Desta forma, ao implementar qual-quer circuito de controle com seu com-putador olhe com especial cuidadopara as conexões da DB25.

Qualquer curto nesta parte docircuito pode ser fatal para a inte-gridade de seu computador. A idaao nível lógico baixo ou alto sem en-contrar uma limitação de correntesignifica uma sobrecarga que os cir-cuitos do computador não suportam.

Lembre-se também que os circui-tos das portas são tri-state permane-cendo num estado indeterminado(nem 0 nem 1) na ausência de sinalde habilitação.

Com relação aos programas decontrole eles podem ser facilmenteelaborados em Quickbasic (Qbasic),Visual Basic, Delphi ou qualquer ou-tra liguagem de alto nível ou mesmode baixo nível que são ensinadas noscursos técnicos. l

Figura 7 - Acionamento direto no nível alto.


DISPOSITIVOS

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O controle do fluxo e da comutação de gases bem como devapores, encontra aplicação direta em salas limpas para fabrica-ção de circuitos integrados, em hospitais, para controle do fluxode anestesia, em fornos de sinterização de materiais, para meta-lurgia, dentre outras possíveis. Neste artigo apresentaremos umsistema para comutação e controle do fluxo de massa para ga-ses de entrada num forno térmico destinado a sinterização, oxi-dação e nitretação de materiais. O sistema automatizado aquiapresentado para o controle de fluxo e seqüenciamento de diver-sos gases num forno é um exemplo de projeto mecatrônico queutiliza atuadores mecânicos, elétricos e controle viamicrocomputador.

Na construção de um sistemaautomatizado de comutação e con-trole do fluxo de gases, são normal-mente empregados três tipos de dis-positivos básicos que são os pneu-máticos, os para gases e os eletrô-nicos. Uma associação de dispositi-vos pneumáticos interligados por tu-bos e alimentados por ar comprimi-do resulta num circuito puramentepneumático. Já a associação de dis-positivos para gases resulta empainéis de gases assim como a as-sociação de dispositivos eletrônicosresulta em circuitos eletrônicos. Umsistema automatizado de comutaçãoe controle do fluxo de gases nadamais é do que um circuito híbridocontendo os três tipos de disposi-tivos mencionados. Os circuitospneumáticos incluem fonte de ar com-primido, mangueiras ou tubulações,

válvulas, cilindros simples ou duplos,filtros, etc. Os circuitos que compõemos painéis de gases incluem válvulas“agulha”, rotâmetros, controladores defluxo de massa (mass flow controllers),tubulações rígidas ou flexíveis (poliflo),reguladores, filtros, válvulas, etc. Fi-nalmente, os dispositivos eletrônicos(transistores, resistores, etc.) permi-tem implementar circuitos de interfacecom microcomputadores de modo ase conseguir fazer a programação dosfluxos e da seqüência de gases queserão inseridos, por exemplo, numdado forno térmico.

CIRCUITOS PNEUMÁTICOSPARA GASES

A tabela 1 mostra os símbolosdos dispositivos pneumáticos maiscomuns os quais, conforme já dis-

semos, podem ser interconectadosentre si de forma a implementar cir-cuitos completos. Nesta tabela, po-demos destacar que o cilindro deação simples possui um êmbolo li-gado a uma mola. Quando o ar com-primido é introduzido no comparti-mento sem a mola, o êmbolo se mo-vimenta e atua empurrando umavareta para fora do cilindro. Mais tar-de, a mola movimenta o êmbolo emdireção contrária quando existir au-sência de pressão no compartimen-to sem mola. Já no cilindro de açãodupla, o êmbolo pode ser movimen-tado para a esquerda ou para a direi-

Sistema Automatizado de

COMUTCOMUTCOMUTCOMUTCOMUTAÇÃO DE GASES EAÇÃO DE GASES EAÇÃO DE GASES EAÇÃO DE GASES EAÇÃO DE GASES ECONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSA

Aplicação em Fornos TérmicosSebastião G. dos Santos Filho

Professor Associado do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos – LSI/PSI/EPUSPEscola Politécnica da USP

Tabela 1 - Símbolos representativos dosdispositivos pneumáticos mais comuns.


DISPOSITIVOS

ta dependendo do compartimentoonde é inserido o ar comprimido e omesmo também atua sobre umavareta. Por outro lado, a válvula é umdispositivo básico que permite ou nãoa passagem de ar comprimido quan-do acionada. Na tabela 1 é mostradoo símbolo de uma válvula com cami-nho entre os pontos 1 e 2 habilitadotendo o acesso 3 fechado. Os tipospossíveis de acionamento de umaválvula para ar comprimido estãomostrados na tabela 2. Observe quea posição da seta entre os terminais1 e 2 corresponde ao caminho ativa-do pela fonte de acionamento(solenóide, botão, alavanca, pedal,batente, rolete ou mola) enquanto queo acesso 3 representado na figura ficafechado após o acionamento.

A “caixa” indicada no lado esquer-do da figura 1 representa uma válvu-la cujo caminho entre os pontos P eA foi acionado através de uma ten-

Para analisar os dispositivos dospainéis de gases, considere a tabela3 onde temos representada asimbologia típica de todos aquelesque são mais comumente emprega-dos. Estes dispositivos destinam-sea não apenas controlar o fluxo mastambém seqüenciar os gases dese-jados por uma dada linha de saídaconectada, por exemplo, num fornotérmico. A figura 3(a) mostra um cir-cuito híbrido onde uma válvulasolenóide para ar comprimido é em-pregada em conjunto com uma vál-vula para gás (normalmente fecha-da) de forma a permitir o acionamentoelétrico da passagem do mesmo, istoé, a válvula solenóide controla a pas-sagem de ar comprimido o qual, porsua vez, ativa a válvula de gás. Vejaque quando a energizamos asolenóide, o caminho entre A e P éhabilitado. Em seguida, o êmbolo docilindro de ação simples movimenta

Tabela 2 - Válvulas pneumáticas onde sãoindicados os tipos mais comuns de acionamento.

Figura 1 - Válvula pneumática normalmentefechada acionada eletricamente por tensãoaplicada a uma solenóide. A caixa do ladoesquerdo representa o acionamento por

solenóide e a caixa do lado direito representa aposição de repouso assegurada por uma mola.

são aplicada a um solenóide ficandoa via B fechada. Numa etapa seguin-te representada pela “caixa” dese-nhada do lado direito, com a ausên-cia de tensão aplicada na sole-nóide, o caminho entre os pontosA e B é acionado por uma mola fi-cando desta vez a via P fechada.A figura 2 mostra um exemplo co-mercial cujo símbolo já foi apresen-tado na figura 1. Trata-se da válvu-la solenóide MUFH-3-PK-3 fabri-cada pela FESTO. Observe que aenergização do solenóide é feitacom 220 V eficazes da rede atra-vés de uma chave S1.

Figura 2 - Válvula solenóide MUFH-3-PK-3fabricada pela FESTO cujo símbolo foi

apresentado na figura 1.

Tabela 3 - Componentes típicos empregadosem painéis de gases.


DISPOSITIVOS

20

uma vareta que abre a válvula e libe-ra a passagem de gás entre os pon-tos C e D. Este tipo de associação écomum em painéis de gases os quaispodem ser controlados de forma re-mota através de chaves discretasque ativam tensões elétricas ou ain-da através de circuitos de interfaceconectados a um microcomputadorno qual exista um software de con-trole. A figura 3(b) mostra uma repre-sentação simplificada da válvulasolenóide conectada ao cilindro deação simples e, ainda, a figura 3(c) éequivalente ao circuito da figura 3(b)

Figura 3 - Circuito híbrido para acionamento de uma válvula para gás entre os pontos C e D:(a) Representação esquemática completa; (b) Representação também completa mas com

símbolo mais simples para a válvula solenóide; (c) Representação simplificada de uma válvulapara gás acionada por válvula solenóide pneumática.

Tabela 4 - Formas de acionamento de uma válvula para controlar a passagem de gás.

sendo que o cilindro ficou imbutidona válvula de gás. Na última seçãodeste artigo, voce terá a oportunida-de de ver um circuito eletrônico sim-ples de interface para microcom-putador para acionamento remoto deum painel de gases.

Convém também destacar nocaso da válvula para gás da tabela 3que o acionamento pode ser feito,além daquele mostrado na figura 3(b),também das diversas maneiras mos-tradas na tabela 4. Veja que, noacionamento pneumático/elétrico, te-mos presente diversos componentes

pneumáticos como os cilindros deação simples e dupla associados aválvulas solenóides para ar compri-mido. O acionamento pode tambémser via manual, motor e eletromag-nética. Neste último caso, o campoeletromagnético da solenóide movi-menta uma vareta que abre uma vál-vula que estava normalmente fecha-da. A mola tem a função de deixar aválvula normalmente fechada na au-sência de campo.

Por outro lado, o controlador defluxo de massa (MFC: Mass FlowController) é um outro dispositivo paragás que permite um controle extre-mamente preciso do fluxo de gás emuma dada linha. A figura 4 mostra umdiagrama completo de um controladorde fluxo de massa. O fluxo de gásque passa entre os pontos A e B écontrolado para ficar estável numvalor específico pré-programado. Con-forme indicado na figura 4, o MFC écomposto de um bloco I onde semede o fluxo de massa e um bloco IIque controla o fluxo de massa deforma a se igualar com um valor dereferência (set point).

Considerando inicialmente o blo-co I onde se mede o fluxo de massa,normalmente fabrica-se o tubo poronde passa o gás em aço inoxidávelinternamente eletropolido a fim de ga-rantir alto nível de limpeza eminimizar reações químicas entre ogás e o referido tubo. Observe vocêna figura 4 que existem dois sensoresde temperatura nos dois extremos dotubo de aço eletropolido e umesquentador ao centro. Quando o gásflui através do tubo, ele carrega calorde uma extremidade a outra sendoque quando maior o fluxo, maior aquantidade que é transportada. Po-rém, esta quantidade de calor trans-portada é proporcional a diferença detemperatura entre os dois sensorese, portanto, proporcional ao fluxo demassa. A diferença de temperaturaé medida com a ajuda de uma pontede Wheastone onde os sensores sãoresistências com um coeficiente devariação com a temperatura. As re-sistências associadas aos sensores1 e 2 nas temperaturas T

E e T

S, res-

pectivamente, podem ser escritas, tam-bém respectivamente, como segue:


DISPOSITIVOS

e (1)

onde Ta é a temperatura ambiente eα é o coeficiente de variação com atemperatura.

Supondo:

e,

podemos dizer que a corrente quepassa nos dois ramos da ponte deWheastone são aproximadamenteiguais e dadas por:

(2)

Dessa forma, a diferença de po-tencial na saída da ponte (entre ospontos C e D) que é proporcional aofluxo de massa m’ será dada por:

V R I R I E T T E S= − = −1 1 2 2 α ( )

(3)

Considerando agora o bloco II,verifica-se facilmente que o sinal decontrole que vai para a entrada da vál-vula eletromagnética tipo proporcionalé dado por K(m’- mS’), isto é, o fluxode massa medido (m’) é constante-mente comparado com o “set point”(m

S’). Quando m’ e m

S’ se igualam, o

sinal que vai para a válvula solenóidepassa a ser nulo e não há nenhumacionamento. Desta forma, ficando o flu-xo constante no valor de “set point” mS’.

Existe uma gama muito grande defabricantes de controladores de flu-xo de massa (MFC) dentre os quaispodemos citar MKS, BROOKS eTYLAN que invariavelmente obede-cem o princípio de funcionamento jádescrito e são construídos geralmen-te para operar: (a) numa ampla faixade pressão de entrada do gás de pro-cesso até 1500 psi, (b) numa largafaixa de fluxos até 30 slpm (litros porminuto), (c) com rápida resposta a

Figura 4 – Diagrama funcional do controlador de fluxo de massa (MFC).

Figura 5 – Diagrama esquemático de um painel de gases conectado a um forno térmicoconvencional para lâminas de silício.

( )( )R R T TE a1 1= + −α

( )( )R R T TS a2 1= + −α

( )α T TE a− << 1

( )α T TS a− << 1

I IE

R1 2 2≅ ≅


DISPOSITIVOS

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Figura 6 – Diagrama completo do painel de gases para controle do fluxo e comutação dos gases nitrogênio (N2), argônio (Ar), mistura comercialargônio/hidrogênio (Ar/H2), oxigênio (O2), amônia (NH3), óxido nitroso (N2O) e gás clorídrico (HCl).


DISPOSITIVOS

mudança de fluxo de processo (se-gundos), (d) com partes internas re-sistentes a gases corrosivos e (e)opcionalmente com saída padrãopara microcomputador.

CONSTRUÇÃO DE UM PAINEL DEGASES PARA FORNO TÉRMICO

Os fornos térmicos tem sido em-pregados em etapas avançadas deprocesso visando a fabricação de cir-cuitos integrados. Estas etapas con-sistem em tratamentos térmicosnuma dada temperatura durante umtempo pré-fixado em um ambientegasoso de tipo e fluxo pré-escolhido.A figura 5 mostra um diagramaesquemático de um painel de gasesconectado a um forno térmico no qualfoi inserido lâminas de silício.Opcionalmente, fornos de processa-mento térmico rápido poderiam seralimentados pelo mesmo painel degases da figura 5 onde uma únicalâmina por vez é carregada horizon-talmente no tubo de quartzo e a re-sistência enrolada junto ao tubo ésubstituída por bancos de lâmpadashalógenas.

Os gases inertes (N2, Ar) desti-nam-se a tratamentos de difusão dedopantes no silício, o oxigênio (O2)permite fazer oxidações, a misturapadrão Ar/H2 (90% Ar + 10 % H2) per-mite fazer tratamentos de sin-terização entre camadas de metal eentre metal e silício, os gases a basede nitrogênio (NH3 ou N2O) permitemfazer a nitretação da superfície daslâminas de silício e finalmente o gásclorídrico inserido conjuntamentecom o oxigênio destina-se enrique-cer a taxa de oxidação do silício. O

Tabela 5 – Tabela de conversão de pressões (fonte: Manual VAT).

Figura 7 – Conexão VCR “macho” e “fêmea”juntamente com o símbolo característico

para circuitos de painéis de gases.

Figura 8 – Representação da construção físicado controlador de fluxo de massa 2159B e acorrespondente pinagem do conector de 15

pinos para controle remoto do fluxo de massa.


DISPOSITIVOS

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leitor interessado em entender o en-cadeamento das etapas de proces-so para fabricação de circuitos inte-grados deve, por exemplo, se repor-tar ao Apêndice A do livroMicroeletrônica (tradução) de A.Sedra (veja nas referências bibliográ-ficas deste artigo).

Também é importante destacar nafigura 5 que todos os gases de en-trada no painel de gases estãopressurizados numa dada pressão deentrada (tipicamente 50 psi) enquan-to que a saída do forno térmico en-contra-se na pressão ambiente de 1atmosfera (1 atm ou 760 Torr). A ta-bela 5 é muito útil pois permite fazera conversão de pressão para qual-quer unidade conhecida.

A figura 6 apresenta um esque-ma completo do painel de gases pro-jetado que pode ser controlado viamicrocomputador através de umacionamento adequado das válvulassolenóides (SC1, SC2, SC3, SP1, SP2,SP

3, SA

1, SA

2, SA

3, SA

4, SA

5, SA

6,

SA7, SS

1 e SS

2). Para cada gás de

entrada numa pressão típica de en-trada de 50 psi, existe um filtro deentrada (para eliminar contaminaçãopor particulado) em série com umaválvula manual. Antes da operaçãodo painel, estas válvulas manuais deentrada devem ser abertas. Observeque os gases corrosivos (NH3, N2O eHCl) possuem um circuito de purga

em nitrogênio que é ativado após ouso para evitar a corrosão das linhasde gases. Observe que o diagramada figura 6 até que é relativamentesimples e mesmo assim apresentauma formação tipo árvore com umnúmero relativamente grande de com-ponentes. Historicamente os siste-mas controladores de fluxo de gaseseram chamados de selvas porqueestes sistemas eram construídos emsalas apropriadas e tinham o aspec-to de selvas de tubos e vávulas.

A lógica de controle do sistemade gases da figura 6 é tal que qual-quer tratamento térmico deve sersempre iniciado em gás inerte (N2 ouAr) e na seqüência podem vir O2, Ar/H2, NH3 ou N2O. O HCl, em particu-lar, é empregado com fluxo de até600 sccm (centímetros cúbicos porminuto) em conjunto com O2 num flu-xo substancialmente mais alto (até6 litros/minuto). Após a etapa no gásde processo desejado, seja ele cor-rosivo ou não, o tratamento térmicodeve terminar em ambiente inertequando então as lâminas de silíciosão retiradas vagarosamente do for-no ainda aquecido na temperaturade processo. Todos os fluxos dosgases são previamente programa-dos nos controladores de fluxo demassa através da tensão de “setpoint” na faixa de 0 a 6 litros porminuto (slpm).

Observe você na figura 6 que parahabilitar o nitrogênio na saída do cir-cuito, basta acionar as válvulassolenóide SA1 e SS1 (por hipótese aválvula manual M1 deve estar acio-nada e o “set point” do controlador defluxo de massa MF1 deve estar pre-viamente ajustado). Por outro lado,para acionar a amônia na seqüência,devemos desativar as solenóidesSA1 e SS1 e em seguida ativar assolenóides SC1, SA5 e SS1. Finalmen-te, para terminar o processo denitretação, as chaves SC

1, SA

5 e SS

1

são desativadas e as solenóides SA1

e SS1 são novamente ativadas. Noteneste exemplo que começamos eterminamos em gás inerte. O proces-so de “purga” da linha de amônia éfeito após as lâminas de silício te-rem sido retiradas do forno. Nestecaso, as solenóides SA1 e SS1 sãodesabilitadas e as solenóides SP1,SA5 e SS1 são habilitadas. Com isso,asseguramos a durabilidade docontrolador de fluxo de massa e dostubos de gás. Este processo de “pur-ga” é particularmente importante parao caso do gás clorídrico que é o maiscorrosivo dos três gases que tem cir-cuito de purga na figura 6.

O projeto mostrado na figura 6pode ser implementado com váriasbitolas de tubo. A bitola aqui escolhi-da foi a de ¼ de polegada que é amais comum para a faixa de fluxosde gás empregados para fornos tér-micos. Além disso, a escolha dasconexões entre as tubulações e osdispositivos tem importância funda-mental. As conexões do tipo VCRapresentadas na figura 7 são aque-las que asseguram o melhor grau delimpeza do painel de gases. Todos osgases utilizados em etapas de pro-cesso para microeletrônica sãoultrapuros e, portanto, não devemsofrer contaminações ao passar dopainel para a entrada do forno. Avedação da conexão VCR é assegu-rada quando uma anilha (gasket) éesmagada após forçar o rosquea-mento entre os terminações “ma-cho” e a “fêmea” apresentadas nafigura 7.

Veja na figura 6 que estão repre-sentadas todas as conexões VCR. Éimportante destacar que diversas co-

Figura 9 – Circuito para acionamento individual das solenóides das válvulas SC1, SC2, SC3,SP1, SP2, SP3, SA1, SA2, SA3, SA4, SA5, SA6, SA7, SS1 e SS2 indicadas na figura 6. Veja que

este circuito deve ser replicado 15 vezes e os sinais de acionamento podem ser provenientes,por exemplo, da porta paralela de um PC.


DISPOSITIVOS

Figura 10 – Diagrama esquemático completo do “hardware” necessário para controle automático do painel de gases. Cada estágio 247C permiteefetuar a leitura e a geração de set point para até 4 controladores de fluxo de massa.


DISPOSITIVOS

26

nexões padrões podem ser adquiri-das no mercado com “tees”, “cruzes”,“Ls”, etc. Além disso, é possível es-pecificar soldagens de terminações“macho” ou “fêmea” nas extremida-des de tubos internamente eletro-polidos. As soldagens de terminaçõesem tubos eletropolidos é feita atra-vés de sistema de descarga a arcoespecialmente projetado para estefim (Veja, por exemplo, o sistemaCWS-100 DR no portal apresenta-do na referência 5). Também, paraver outros tipos de conexões alémdaquelas apresentadas na figura 6,navegue no portal apresentado nareferência 5.

A lista de material necessáriopara construir o painel de gases apre-sentado na figura 6 é a seguinte:

a) Circuito pneumático

- 15 válvulas solenóides MUFH-3-FK-3 – FESTO;

- 20 metros de mangueira deinterconexão entre válvula solenóidee válvula para gás.

b) Circuito para gases

- 2 Controladores de fluxo de mas-sa 2159B-10000RV-S (SPCAL =5VDC para 6000 sccm de N2O ou O2)da MKS;

- 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-10000RK-S (SPCAL =5VDC para 600 sccm de HCl) daMKS;

- 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-10000RK-S (SPCAL =5VDC para 2000 sccm de NH3) daMKS;

- 2 Controladores de fluxo de mas-sa 2159B-10000RV-S (SPCAL =5VDC para 6000 sccm de N2, Ar ouAr/H2) da MKS;

- 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-00100SV (SPCAL = 5VDCpara 100 sccm de HCl) da MKS;

- 8 válvulas Nupro normalmente fe-chadas acionadas por ar comprimido;

- 8 válvulas manuais;- 8 filtros de de entrada para gás;- 11 Tees (316L-4-ATW-3-4TB7-4A,

tube weld manifold tee);- 5 “Ls” (316L-4-ATW-9, Tube

weld elbow);

- 14 uniões fêmeas duplas (SS-4-WVCR-6-DF, Double Female union);

- 25 terminações macho (SS-4-VCR-3-4MTW, VCR Male weld gland);

- 50 metros de tubos eletropolidosde um quarto de polegada.

Os controladores de fluxo de mas-sa modelo 2159B da MKS apresen-tam-se em série com uma válvula degás normalmente fechada, acionávelvia solenóide, com conector de 15pinos para entrada de alimentação±15V, tensão de set-point na faixa de0 a 5 VDC, terra, sinal de fluxo desaída, pontos de teste e pontos nãoconectados conforme indicado nafigura 8.

INTERFACE COMMICROCOMPUTADOR PC

Vamos agora apresentar os circui-tos de interface para controleautomatizado do painel de gases uti-lizando um microcomputador PC. Afigura 9 mostra um circuito paraacionamento individual de cadasolenóide apresentada na figura 6.Observe que o circuito utiliza umTRIAC TIC 206D (Texas) que quan-do acionado energiza a solenóide daválvula MUFH-3-FK-3. O aciona-mento do TRIAC é feito através dofotoTRIAC MOC3020 (Texas) quepermite isolar a rede de alta tensão(220 Vef) do circuito TTL (5 volts) doestágio de entrada formado pelo tran-sistor BC548 e o diodo emissor deluz.

O sinal de comando para o circui-to da figura 9 pode vir, por exemplo,da saída paralela de um microcom-putador PC. Através do emprego delinguagens de programação do tipoQBASIC, C++, DELPHI, etc.; é pos-sível controlar os sinais da saídaparalela de forma a promover a se-qüência de acionamentos dassolenóides válvulas SC1, SC2, SC3,SP

1, SP

2, SP

3, SA

1, SA

2, SA

3, SA

4,

SA5, SA6, SA7, SS1 e SS2. Não va-mos neste artigo detalhar como sefaz o programa (software) de contro-le da saída paralela do micro-computador PC porque isto é algo jáamplamente divulgado (Veja, porexemplo, o artigo: “Os segredos daporta paralela”, na página 32).

Por outro lado, o controle auto-matizado dos controladores de fluxo demassa MFC

1, MFC

2, MFC

3, MFC

4,

MFC5, MFC6 e MFC7 é feito conformeilustrado na figura 10. O bloco 247Ccomercializado pela MKS é um estágiode leitura/gerador de “set-point” de qua-tro canais para fixar o fluxo de massaem cada controlador MFC. Note quecomo temos um total de 7 MFCs, sãonecessários 2 estágios 247C inter-conectados entre si (configuração mes-tre/escravo). O bloco 232 de interface,também comercializado pela MKS, per-mite enviar os sinais de controle para osestágios 247C através da saída RS232do PC. A documentação do bloco 232da MKS já fornece o código fonte deprogramação para controle do fluxo dosMFCs. Este código fonte pode serextendido para permitir o controle inte-grado dos MFCs juntamente com assolenóides. Veja mais informações nareferência 3.

AGRADECIMENTOS

À FAPESP por ter financiado o pro-jeto e construção do painel de gasesapresentado neste artigo. Aos técnicosRenato Franzin, Nelson Ordonez, AlexMarkevicius e Alexandre Camponuccipelas discussões e construção do pai-nel de gases. Ao Bacharel em FísicaJosé C. de Souza Filho pelo projeto ini-cial do software de controle automático.l


1. Dispositivos pneumáticos:http://www.festo.com

2. Dispositivos pneumáticos:http://www.festo.com.br

3. Dispositivos para gases: http://www.mksinst.com

4. Dispositivos para gases: http:// f r c o . c o m / b r o o k s / p r o d u c t s /products.html

5. Conexões para linhas de gases:h t t p : / /www.swa g e l o k . c o m / e n /Ecatalog/ecmainframes.asp

6. Conexões para linhas de gases:http://www.bayvalve.com/pages/products.htm

Sedra, A.S. and Smith, K.C.Microeletrônica. Makron Books, 2000,ISBN 85-346-1044-4 (tradução da 4a.edição em inglês).


ESPECIAL

Na vida acadêmica e universitária,esse crescimento teve e continua ten-do um reflexo imediato. Milhares depesquisas sobre diversas estratégiasde controle de sistemas, sobre mode-lagem, e sobre aplicações específicasforam feitas nos últimos anos em qua-se todas as universidades e centrosde pesquisa no mundo inteiro. Re-vistas especial izadas, como a“International Journal of Control”,

“Journal of Dynamic Systems,Measurements and Control”, “IEEETransactions on Automatic Control”,entre muitas outras, foram surgindo ecrescendo, assim como congressosinternacionais sobre a área.

Aqui no Brasil, o estudo de Con-trole de Sistemas começou sendoimplementado como programas depós-graduação em Engenharia deControle e Engenharia Mecatrônica e

como diversas matérias obrigatóriasnos cursos de graduação, e tambémteve seu reflexo no surgimento de pu-blicações especializadas (“Robótica &Automação”) e em congressos na-cionais como o Congresso Brasileirode Automática, organizado pela So-ciedade Brasileira de Automática e re-alizado a cada dois anos. Atualmen-te, diversas universidades do paísestão implementando programas degraduação em Engenharia de Contro-le, tal é o caso da PUC-Rio, da UFRJ,da UFSC, da UFES, entre outras.

A ROBÓTICA NAA ROBÓTICA NAA ROBÓTICA NAA ROBÓTICA NAA ROBÓTICA NAEDUCAÇÃOEDUCAÇÃOEDUCAÇÃOEDUCAÇÃOEDUCAÇÃO

Fernando A. PazosCoordenador do Laboratório de Robótica

Instituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro

Na Engenharia moderna, a área de Robótica, intimamente rela-cionada com a de Automação e Controle de Sistemas, é uma áreaque cada vez mais vai aumentando seu campo de estudo e aplica-ção. Efetivamente, hoje em dia é impensável uma indústria demanufatura que não esteja total ou parcialmente automatizada,mesmo que o nível de automação consista apenas no controle doponto eletrônico dos funcionários. É possível observar uma aplica-ção da automação industrial em empresas que fabricam produtostotalmente diversos, desde montadoras de carros e outros tipos deindústrias metalúrgicas até fábricas de brinquedos, de papel, debebidas, de embalagens, produtoras de alimentos, e inclusiveempresas de serviços como bancos, por exemplo. Tal foi o cresci-mento nas últimas décadas da automação nas indústrias, e daspesquisas nessa área, que hoje não é exagerado afirmar, por exem-plo, que a Engenharia Eletrônica se divide em três grandes áreas:em Eletrônica Analógica, que inclui processamento de sinais,Tecnologia das Telecomunicações, Eletrônica de Potência, etc., emEletrônica Digital, que inclui microeletrônica, microprocessadores,computadores, etc., e em Controle de sistemas, que incluiAutomação e Robótica.

Figura 1 - Braço mecânico Armdroid.


ESPECIAL

Mas o que está sendo novidade noBrasil, e que já tem alguns anos emoutros países do mundo, é aimplementação de programas de en-sino da Robótica no nível técnico e in-clusive no ensino fundamental.

No nível técnico, diversas institui-ções estão adotando tais programasnos cursos de Eletrônica, Mecânica eInformática. Em alguns casos tais pro-gramas visam dar ao aluno uma for-mação específica adequada para omercado de trabalho, como é o casode diversos cursos implementados noSENAI e outras instituições decapacitação técnica. Em outros casoso objetivo fundamental é fornecer aoaluno uma introdução e preparaçãopara as diversas matérias de controleque fazem parte dos programas degraduação em Engenharia nas univer-sidades. Mas em todos os casos, oensino da Robótica acarreta algumasvantagens pedagógicas que fazem daimplementação de tais programasatrativa inclusive para escolas de 2°grau não técnicas e até para, com osníveis e a orientação adequados, parao ensino fundamental.

Laboratórios de Robótica especí-ficos para os objetivos do curso po-dem ser implementados, com custosvariáveis dependendo da complexida-de dos sistemas, mas que em todosos casos vão decrescendo a cada ano.Já existem no Brasil empresas

dedicadas à fabricação, importação ecomercialização de robôs didáticos,alguns de alta sofisticação e outros degrande simplicidade de montagem emanipulação, como podem ser braçosmecânicos pequenos, movimentadospor servo-motores, e carros explora-dores com diversos tipos de sensores.Alguns desses sistemas já vem cominterfaces de computador e programasutilitários específicos muito simples, demaneira de permitir sua utilização atépara crianças de curta idade. Kits de

mecanismos como engrenagens, ei-xos, polias, motores, sensores, peçasdiversas e sistemas para montar degrande simplicidade também já sãocomercializados. Além disso, é possí-vel montar alguns sistemas mecâni-cos ou pneumáticos de maneira rela-tivamente simples e econômica, e cominterfaces adequadas e computadoresnão necessariamente de última gera-ção é possível implementar um labo-ratório suficientemente bem equipadopara os objetivos do curso.

No Instituto de Tecnologia ORT,instituição dedicada ao ensino técni-co de 2° grau, existe um laboratóriode Robótica (figura 2) do qual soucoordenador. Temos ali 8 computado-res, todos equipados com placas deinterface paralela e conversores A/D;nessas placas estão ligadas interfacesde potência externas que acionam di-versos sistemas controlados pelo com-putador. Alguns desses sistemas fo-ram adquiridos comercialmente e vá-rios foram construídos no próprio la-boratório, em alguns casos utilizandosucata mecânica e materiais de baixocusto. Podemos mencionar entre es-ses sistemas dois braços mecânicos,um movimentado por servo-motores eoutro por motores de passo (figura 1),um elevador de quatro andares (figu-ra 3), um carro explorador equipadocom diversos tipos de sensores e mo-vimentado por dois motores de passo(figura 4), uma máquina automáticaque corta peças de isopor pequenas(figura 5), uma seletora de peçasacionada por pistões pneumáticos, umsistema de visão e um “plotter” ondeuma caneta é movimentada em umplano por um sistema acionado pormotores de passo. Todos os computa-dores possuem arquivos com biblio-tecas de comandos específicos parao controle de cada robô realizadas emPascal, que o usuário pode utilizarpara realizar seus próprios programas,além de programas de teste e de-monstração. Nesse laboratório sãoministradas aulas para os alunos daterceira série de eletrônica e para aterceira série de informática. No casodos alunos da eletrônica, eles estu-dam ali programação, teoria de con-trole, sensores e atuadores, mecanis-mos de transmissão de potência, sis-

Figura 2 - Laboratório de Robótica do Instituto de Tecnologia ORT.

Figura 3 - Elevador de 4 andares.


ESPECIAL

temas de visão, robôs manipuladores,exploradores e máquinas ferramenta,além de realizarem diversas práticasque incluem a realização de progra-mas de controle dos sistemas do la-boratório. Os alunos de informáticarecebem aulas que visam fornecer in-formação sobre a programação de sis-temas, conceitualmente diferente darealização de programas comerciais.Além disso, cursos livres e abertos sãooferecidos regularmente orientados aprofissionais e estudantes de Enge-nharia e de áreas técnicas em geral.

Podemos mencionar entre as van-tagens do ensino da Robótica a inter-relação entre diversas áreas da ciên-cia que se aúnam nessa área, e aaplicação prática, com suas conse-qüentes vantagens pedagógicas, queo aluno faz de tais conhecimentos.Dentre as áreas que o aluno aprendee aplica em um laboratório deRobótica podemos destacar:

Física: onde podem ser estudadose aplicados alguns conceitos da físicamecânica tais como força, torque, ve-locidade, aceleração, e máquinas sim-ples como polias, alavancas, entre ou-tras, necessários para o cálculo e pro-jeto de caixas de redução, especifi-cação dos motores adequados, proje-tos de transmissões mecânicas, entreoutras aplicações. Também, dependen-do dos sistemas disponíveis no labora-tório, conceitos de hidráulica, pneumá-tica e termodinâmica podem ser estu-dados e aplicados. Em casos maisavançados podem ser estudados e ana-lisados os modelos cinemático e dinâ-mico de sistemas tais como robôsmanipuladores ou veículos explorado-res controlados, assim como cine-mática e dinâmica de corpos rígidosnecessárias para o cálculo dos parâ-metros físicos dos elos do robô.

Eletrônica: onde podem ser es-tudadas, projetadas e armadas asdiversas interfaces de computadornecessárias para controlar um sis-tema, projeto de drivers digitais eamplificadores para os diversosatuadores, interfaces de trans-dutores e dispositivos de instrume-tação, placas de aquisição de dados,conversores analógico–digital e di-gital–analógico, e até projeto de con-troladores implementados commicroprocessadores e microcontro-ladores específicos.

Informática: necessária para aimplementação dos programas decontrole. As linguagens utilizadas po-dem ser variadas, dependendo do la-boratório e dos objetivos do curso.Podem ser utilizadas as linguagenstradicionais como C ou Pascal, combibliotecas de comandos específicaspara o controle dos dispositivos do sis-tema. Podem ser implementados tam-bém programas mais avançados,como programas residentes e progra-mação das interfaces e do relógio docomputador. No caso que o projetoinclua o controlador implementadocom um microprocessador oumicrocontrolador, os programas decontrole podem ser editados emAssembly. No caso de serem utiliza-dos controladores específicos comoum Controlador Lógico Programável,a linguagem própria como pode ser a“ladder” deve ser estudada. No casodo laboratório estar orientado àscrianças, programas utilitários sim-ples, ou linguagens de programaçãoespecíficas em português e simpli-ficadas podem constituir uma atra-ente introdução à computação paraos alunos.

temas de equações, necessários paraa modelagem dinâmica dos sistemase projeto e cálculo das leis de contro-le, podem ser estudados e aplicados.

Conceitos próprios de teoria deControle: como ser estudo e classifi-cação de sistemas, excitação e res-posta, controladores, modelagem desistemas físicos, transferência, reali-mentação, sensores, atuadores e ou-tros dispositivos utilizados emautomação, e diversas estratégias decontrole, com a profundidade e alcan-ce segundo os objetivos do curso.

No caso do ensino técnico, diver-sas práticas aplicando muitos dessesconhecimentos podem ser implemen-tadas em um determinado sistema delaboratório. Por exemplo, o aluno podearmar um robô manipulador de ape-nas uma junta. Para isso deve realizarum cálculo da velocidade e torqueadequados para movimentar o elo domanipulador, escolher um motor e pro-jetar uma caixa de redução de engre-nagens, armar o robô com um kit depeças adequadas, ligar o motor e umsensor de posição a uma interface decomputador específica, e realizar umprograma de controle simples do dis-positivo.

No caso do ensino fundamental, oaprendizado dos conceitos básicos decomputação em geral e até de progra-mação (utilizando um programa utili-tário didático ou uma linguagem es-pecífica simples), é pedagogicamen-te vantajoso se o aluno usa ou cria umprograma para ver um sistema, comopode ser um carrinho ou a famosa tar-taruga do “logo”, se movimentar damaneira desejada, que simplesmentepara observar um resultado impressona tela.

A quantidade e diversidade de con-ceitos teóricos e tipo de práticas quepodem ser realizadas aplicando essesconceitos, nos diversos níveiseducativos e com os diversos objeti-vos didáticos, pode ser enorme. O alu-no se vê na necessidade de racioci-nar lógica e metodicamente para re-solver problemas específicos utilizan-do as ferramentas adequadas, tantoconceituais como de materiais dispo-níveis, com óbvias vantagens pedagó-gicas. O único limite é a imaginaçãodos professores e alunos. l

Matemática: em casos mais avan-çados, conceitos de álgebra linear,cálculo diferencial, e resolução de sis-

Figura 5 - Máquina cortadorade isopor.

Figura 4 - Carro automatizado.

30

MECÂNICA


As polias e as engrenagens sãorodas utilizadas na transmissão domovimento circular. São constituídaspor uma coroa , em cubo de roda eem conjunto de braços ou disco ,cuja função é ligar rigidamente acoroa ao cubo de roda. A figura 1 mos-tra algumas representações de poliase engrenagens.

Inseridas num mecanismo essasrodas transmitem o movimento circu-lar através de uma correia ou pelocontato direto entre coroas enquantoque seus cubos de roda ficamacopladas a eixos (figura 2).

POLIAS EPOLIAS EPOLIAS EPOLIAS EPOLIAS EENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENS

Em muitos projetos práticos de Mecatrônica, o movimento ne-cessário para o acionamento de um mecanismo é obtido a partirde um motor elétrico. A freqüência de rotação desse motor não é,na maioria das vezes, a que se necessita para o correto funciona-mento do mecanismo. Para corrigir esse problema são utilizadosconjuntos formados por polias e engrenagens que são capazes demodificar a freqüência motora atendendo assim às necessidadesoperacionais do mecanismo.

Figura 1 - Representações de polias e engrenagem.

Quando se transmite o movimentocircular utilizando um par de rodas, aroda que origina o movimento é cha-mado de roda motora enquanto quechamamos de roda movida , a rodaque capta esse movimento. Normal-mente a roda motora tem seu cubo deroda conectado ao eixo de um motor(figura 3).

MOVIMENTO CIRCULARUNIFORME (M.C.U)

Para compreender melhor como sedá a transmissão do movimento cir-

Figura 2 - Formas de transmissão dosmovimentos.

cular no acoplamento de polias ouengrenagens, é necessário revisaralguns conceitos físicos.

Considere uma partícula movendo-se em trajetória circular de raio r , comvelocidade escalar v constante

Eduardo de Pinho Prado


MECÂNICA

Figura 3 - Roda motora e roda movida.

Figura 4 - Variáveis do movimento circularuniforme (M.C.U.).

(M.C.U). O intervalo de tempo neces-sário para completar uma volta é cons-tante e chamado de período derotação (T).

Para esse movimento chamamosde freqüência (f) a quantidade de vol-tas executadas em determinada uni-dade de tempo. As unidades usuaisde freqüência são o Hz (hertz) quesignifica “rotações por segundo” e or.p.m cujo significado é “rotaçõespor minuto”.

A seguir são apresentadas algu-mas relações entre as grandezas en-volvidas no estudo do movimento cir-cular uniforme:

Como o diâmetro de uma roda é odobro de seu raio, a relação entre asfreqüências de rotação f1 e f2 tambémpode ser dada por:

Figura 5 - Velocidades escalares das coroas.

Para os acoplamentos por correiaou por contato, as velocidadesescalares das coroas das rodasassociadas são iguais. No caso doacoplamento por correia as velocida-des escalares das coroas correspon-dem a própria velocidade da correia(figura 5).

Figura 6 - Relação entre as freqüências derotação. Figura 7 - Acoplamento sobre o mesmo eixo.

TRANSMISSÃO DO M.C.U

Ao acoplar polias objetivo principalé a obtenção de uma freqüência derotação na polia movida diferente da-quela tida na polia motora.

v1: velocidade escalar na coroa daroda (1);

v2: velocidade escalar na coroa daroda (2);

vc: velocidade escalar na correia.Considere o acoplamento de duas

rodas (1) e (2) de raios respectivamen-te iguais a r1 e r 2. A roda (1) gira comfreqüência f1.

Podemos determinar a freqüênciade rotação f2 da roda (2) à partir daigualdade das velocidades escalaresdas coroas dessas rodas (figura 6).

D1: diâmetro da roda (1);D2: diâmetro da roda (2).Considere agora duas engrena-

gens (1) e (2) sendo n1 e n2 as quan-tidades de dentes nas coroas dessasengrenagens. Se T1 e T2 são os perío-dos de rotação das rotas (1) e (2), asvelocidades escalares v1 e v2 de suascoroas podem ser dadas por:

com v1 e v2 medidas, por exemplo,em "dentes/s" ou "dentes/min"

Igualando essas velocidades esca-lares temos:

e

Existe ainda uma outra possibilida-de de acoplamento, que consiste emmontar duas rodas sobre um mesmoeixo de rotação. Nesse caso as fre-qüências de rotação são iguais.

l


HARDWARE

OS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA PORTTTTTAAAAAPPPPPARALELAARALELAARALELAARALELAARALELA

Newton C. Braga

Os computadores pessoais do tipoPC (IBM e compatíveis) se comunicamcom o mundo exterior por meio de“portas”. Exatamente como o nomeindica, por elas podem entrar e sairsinais que o computador utiliza tantopara “sentir” o que se passa fora delecomo para “comandar” dispositivosque não estejam no seu interior.

As duas principais que encontra-mos no computador são as Seriais, asParalelas e agora as USB (UniversalSerial Bus).

As portas seriais, como o nomesugere, recebem e enviam sinais emseqüência, como por exemplo, no con-trole do teclado ou de um mouse.

Na figura 1 mostramos que, nes-tas portas, os “bits” precisam serenfileirados e enviados um a umnuma seqüência por meio de fioscondutores.

Circuitos especiais no interior docomputador e no interior do dispositi-

Como utilizar o seu computador (PC) para controlar um bra-ço mecânico, um robô ou receber mensagens do “mundo exteri-or” como sensores, olhos eletrônicos, etc.? Se o leitor desejapraticar Mecatrônica usando o PC deve saber como fazer ointerfaceamento correto. Isso implica em conhecer os tipos desinais que o computador pode enviar ou receber e de que modopodemos fazer os circuitos de interfaceamento para esta finali-dade. Neste artigo vamos mostrar como tudo isso pode ser fei-to, lançando assim as bases que o leitor precisa para novos efantásticos projetos.

vo que se comunica por este tipo deporta fazem a decodificação destessinais, levando-os a uma forma maisprópria para uso de processadores.

Na figura 2 mostramos de uma for-ma mais simples o que ocorre no en-vio destes sinais.

Os bytes que devem ser enviadosse alinham com a saída do dispositi-vo e por meio de um dispositivo espe-cial são enviados bit a bit em seqüên-cia. Quando um byte terminou de sertransmitido o byte seguinte “se alinha”

e é transmitido da mesma forma. Nãoé preciso dizer que esta forma detransmissão de dados é limitada emrelação à velocidade, além de trazeralguns problemas de projeto, paraquem deseja usá-la para o controle dedispositivos externos.

As portas paralelas, como o nomediz, podem transmitir um byte inteiro,levando cada bit por um condutor se-parado, conforme mostra a figura 3.

Os bits “correm” paralelos por umcabo de muitos condutores, conformesugere a figura.

A vantagem principal deste tipo detransmissão é que podemos ter todosos bits de um byte ao mesmo tempona saída do dispositivo (ou na entra-da) o que significa uma velocidademaior de transmissão de dados ou ain-da o controle simultâneo de 8 linhasou dispositivos.

Figura 1 - Os bits são enviados em seqüênciaou série na porta serial.

Figura 2 - Como os bytes são transmitidosserialmente.


HARDWARE

A dificuldade técnica está na ne-cessidade de se usar um cabo demuitos condutores, mais caro do queum cabo simples necessário à comu-nicação serial.

Se vamos nos comunicar com dis-positivos muito distantes, como porexemplo, enviar sinais de um compu-tador para outro situados em cidadesdiferentes, o uso de um cabo múltiplotem custo proibitivo e além disso a li-nha telefônica não poderia ser usada.No entanto, se fizermos a comunica-ção serial o fio telefônico ou um parde fios trançados pode ser usado.

Para curtas distâncias entretanto,como por exemplo, controlar uma im-pressora na mesma sala em que está o computador, um robô ou um conjun-to de comandos próximos o cabo múl-tiplo já não representa problemas.

Observando os computadores portrás vemos que eles possuemconectores que trabalham com os doistipos de sinais através dos quais ocomputador pode ser conectado a dis-positivos externos.

Em especial interessa-nos oconector que corresponde à portaparalela que se destina, em princípioà conexão da impressora.

O padrão adotado pela IBM paraesta porta partiu de um fabricante deimpressora, a Centronics que haviadesenvolvido um conjunto de sinais decontrole que funcionavam muito bemna época.

A Centronics entretanto usava umconector Anphenol de 36 pinos (que

vemos na própria impressora) enquan-to que IBM desenvolveu sua própriasaída, mantendo os sinais, mas usan-do um conector D-shell de 25 pinosconhecido popularmente como DB25.

Isso significa que para fazer a co-nexão do PC a uma Impressora ne-cessitamos de um “cabo adaptador”que numa extremidade tem umconector DB25 e na outra um conectorCentronics de 36 pinos, conformemostra a figura 4.

os circuitos externos são usados“buffers” que servem como isolado-res e amplificadores (como o nomeindica).

Esses buffers são projetados parafornecer em sua saída uma correntemáxima de 2,6 mA e de drenar umacorrente máxima de 24 mA. Como atensão no nível alto é de 5 volts, po-demos facilmente garantir segurançade operação com resistoreslimitadores de valor apropriado.

Veja então, que a capacidade deexcitação de uma carga externa émaior quando o fazemos pelo nívelbaixo, conforme mostra a figura 5.Figura 3 - São usados 8 fios separados, um

para cada bit a ser transmitido. Os bits sãotransmitidos simultâneamente.

Figura 4 - Os conectores de um cabo deimpressora.

Além dos dados que são transferi-dos pelos condutores temos sinaisespeciais de controle e que tambémservem para informar o computador oestado da impressora, ou seja, se elaestá ligada, se ela recebeu os dadostransferidos, etc.

Para o projetista de interfaces queusam esta saída paralela é importan-te conhecer os tipos de sinais quepodemos usar de modo a não colocarem risco a integridade do computador.

Sabendo usar estes sinais pode-mos usar a porta paralela para con-trolar praticamente qualquer função deum projeto de mecatrônica ou aindareceber sinais de sensores ou de co-mandos externos.

OS SINAIS DAS PORTASPARALELAS

Os chips do computador operamcom sinais extremamente fracos, dadaa necessidade de se dissipar um mí-nimo de potência que deve ser distri-buída pelos milhões de transistores docircuito.

Assim, para compatibilizar o cir-cuito interno dos processadores com

Figura 5 - Correntes máximas na portaparalela.

Na verdade não devemos usar àvontade estes limites, pois podemocorrer problemas se tentarmos tra-balhar com todas as portas atuandoao mesmo tempo.

Um problema que ocorre é quemuitos buffers de PCs mais modernosficam integrados nos mesmos chipsque fazem o controle dos discos rígi-dos e outros periféricos. Assim, umdano neles e todo o computador podesofrer não somente as portas.

Isso significa que não podemos“carregar” as saídas paralela dos com-putadores com dispositivos que ultra-passem esses limites, sob pena decausar dano ao equipamento.

Alguns leitores tem enviado cartasa nossa redação dizendo que encon-traram nas saídas de seus computa-dores os níveis lógicos de 5V e 0V,mas quando ligaram circuitos TTLscomuns ou CMOS não obtiveram seuacionamento.

De fato, as correntes das saídasparalelas não excitam TTLs comuns,pelas características que vimos. As


HARDWARE

saídas são compatíveis com tecnolo-gia TTL LS (Low Power Schottky) ouHC (High Speed CMOS), mas obser-vando os limites podemos até acio-nar etapas transistorizadas e LEDSdiretamente, conforme veremos.

Assim, uma vez que tenhamosacesso aos comandos e programasque “ponham” os níveis lógicos dese-jados nas saídas de uma porta para-lela, a conexão de circuitos externosque façam o que desejamos fica mui-to simples.

QUE TIPO DE COMANDOPODEMOS ENVIAR PELA PORTA

PARALELA?

Na porta paralela temos então 25pinos, sendo os que mais nos interes-sam os que correspondem aos sinais,ou seja, o byte completo que vai deD0 a D7, conforme mostra a figura 6.

byte de saída “3”. Se quisermos porum 0001 001 o valor será “9”.

A forma mais simples de se colo-car estes sinais na saída é fazendoum programa que gere os valores de-sejados quando pressionamos deter-minadas teclas.

Se usarmos por exemplo as saídaD0 e D1 para fazer um motor ir parafrente ou para traz basta fazer um pro-grama que, quando pressionarmos atecla A gere o valor 1 (0000 0001) equando pressionamos a tecla B gereo valor 2 (0000 0010). Os outros ca-nais podem ser usados para outroscomandos. Na figura 7 mostramoscomo um circuito simples para esta fi-nalidade pode ser ligado a portaparalela.

Veja que, dependendo do progra-ma que usamos para gerar estes va-lores podemos ter o comportamentodesejado para o motor.

Podemos fazer um programa quegere o sinal apenas enquanto a teclaestiver pressionada, mas também po-demos fazer um programa que incluaum loop e que mantenha o sinal naporta por um determinado tempo,mesmo depois de que a tecla tenhasido liberada. Tudo vai depender daaplicação que se tenha em mente.

Mas, conforme vimos não pode-mos ligar os motores diretamente naporta, pois os 5 V disponíveis não temuma capacidade de corrente suficien-te para o acionamento.

Além disso não seria interessanteter dispositivos que montamos direta-mente ligado à porta, pois se aconte-cer alguma coisa de errado com eles,o microprocessador pode sofrer asconseqüência e o dano sai caro.

INTERFACEANDO

Sabendo que podemos colocar umsinal em qualquer um dos 8 pinos desaída da porta paralela o próximo pas-so no interfaceamento será ligar acada um deles algum tipo de disposi-tivo que possa tanto isolar o circuitocontrolado do próprio PC como tam-bém permitir que dispositivos de altoconsumo como motores sejam contro-lados. Isso é feito por uma interfacede potência que admite diversasconfigurações.

INTERFACEANDO SEU PC COM OMUNDO

Temos duas possibilidades deinterfaceamento do PC com o “mun-do exterior” usando os sinais das por-tas paralelas.

a) Interfaceamento direto

A forma mais simples de inter-facear um circuito com um PC‚ usan-do diretamente os sinais da porta pa-ralela para excitar o que desejamosse bem que, conforme tenhamos dito,temos o risco de que, se algo dererrado o computador pode sofrer asconseqüências.

Na figura 7 temos o modo de sefazer a excitação e LEDs de forma di-reta.

Figura 6 - Identificação da porta paralela.

Os outros pinos podem ser usa-dos em algumas outras funções,mas isso será assunto para outraoportunidade.

Através de comandos apropriadospodemos colocar em qualquer umdesses pinos uma tensão de 0 V oude 5 V.

Isso é feito levando-se em conta ovalor do byte colocado na saída e quepode variar entre 0 e 255 ou seja, en-tre 0000 0000 e 1111 1111.

Assim, se quisermos colocar umatensão de 5 V nos pinos D0 e D1 ouseja, fazer com que a saída seja 00000011, devemos atribuir ao valor do

Figura 7 - Acionamento direto de LEDs nonível alto (a) e no nível baixo (b).

Levando em conta a queda de ten-são no LED o resistor não precisa serobrigatoriamente de 2,2 k ohms.Resistores de 1,2 k ohms a 1,5 k ohmspodem ser usados. Para acionamentono nível baixo, quando a capacida-de de correntes das saídas é maiorpodemos até reduzir os resistorespara 470 ohms e em alguns casos220 ohms.

Outra forma de acionar algum dis-positivo externo é usando um transis-tor amplificador, dois transistores oumesmo um SCR e que são mostra-dos na figura 8.

As correntes máximas dos dispo-sitivos controlados são indicadas emcada caso. Observe que estes circui-tos precisam ter uma alimentação pró-pria com o terra comum ao terra docomputador.


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b) Interfaceamento indireto

Esta é a forma mais segura de secontrolar alguma coisa usando os si-nais que podem ser colocados na por-ta paralela segundo o modo como ex-plicamos.

Existem basicamente duas técni-cas para se poder controlar dispositi-vos de alta potência com os sinais daporta paralela e com o isolamento elé-trico total.

Com relés

A técnica que faz uso de relés éuma das mais simples e seguras eamplamente usada no controle de pro-jetos de Mecatrônica e Robótica.

O que se faz é ligar em cada umdos pinos de sinal da porta paralela(D0 a D7) um circuito como o indica-do na figura 8 e que aciona um relé.

No circuito (a) quando um “1” lógi-co aparece no pino correspondente otransistor é polarizado e aciona o relé.Ligando aos contatos do relé um mo-tor, um solenóide ou seja lá o que forteremos seu acionamento. No circuito(b) o acionamento ocorre com a saí-da da porta paralela indo ao nível bai-xo (0).

A grande vantagem deste tipo decircuito está no fato de que o disposi-tivo acionado não precisa ser alimen-tado com a mesma tensão dos relésou com os 5 V do PC. Podemos con-trolar até mesmo motores ligados narede de 110 V ou 220 V e sua corren-te está limitada apenas pela capaci-dade dos contatos do relé.

Podemos ir além sofisticando cadacircuito acionado por exemplo com ouso de relés com contatos reversíveisque permitem inverter o sentido derotação de um motor a um simplescomando lógico enviando pelo PC,conforme mostra a figura 10.

Para este circuito ligado na portaD2, o motor gira num sentido quandoo sinal na porta paralela for XXXXX1XX e gira em outro quando forXXXX X0XX. Os “X” mostram que osoutros bits podem ser tanto 0 como 1dependendo do que os outros pinosvão controlar.

Outra forma de se fazer ointerfaceamento de forma direta éusando “buffers”. Estes buffers nadamais são do que circuitos integradosque aumentam a capacidade de exci-tação das saídas do PC. Podemosusar tipos tanto da família TTL LS

Figura 8 - Acionando outras cargas.

Figura 9 - Acionamento de relés comtransistores no nível alto "1" (a) e no nível

baixo "0" (b).

Figura 10 - Controlando o sentido de rotaçãode um motor com um relé DPDT.

Figura 11 - Buffer usando o 74LS540.


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como HC CMOS, conforme mostra afigura 11 em que temos um 74LS540excitando LEDs alimentado pelo pró-prio PC.

Observe que, como os buffers do74LS540 são inversores, os LEDsacendem quando temos o bit 0 nasaída correspondente. Observe a exis-tência de um resistor limitador de cor-rente em série com os LEDs.

Na figura 12 mostramos como usarum buffer para acionar uma carga demaior potência.

Para os que desejarem uma ver-são com portas não inversoras po-demos sugerir o circuito com o74H541 que tem a pinagem mostra-da na figura 13.

Uma aplicação interessante quepermite o controle de TRIACs é mos-trada na figura 14 e faz uso de umLatch Octal tipo D do tipo 74HC573.

Um Latch é um dispositivo muitoimportante para certas aplicações de

controle. Nele, temos a mudança deestado dos flip-flops que controlam osopto-acopladores com a entrada do bitde comando.

A entrada de habilitação‚ mantidano nível alto de modo a haver a res-posta instantânea do circuito.

Com acopladores ópticos

Os acopladores ópticos são dispo-sitivos formados por um LED e umsensor de luz (normalmente um foto-transistor) conforme mostra a figura 15.Figura 12 - Usando o buffer como driver de

transistor.

Figura 13 - Buffer não inversor.

Figura 14 - Circuito equivalente ao 74LS573(Latch/Flip-Flops).

Figura 15 - Um foto-acoplador.

Figura 16 - Usando um acoplador óptico.

Se ligarmos o LED num dos pinosda porta paralela, tendo um resistorlimitador de corrente, quando coloca-mos na porta uma tensão que acioneo LED ele ilumina o foto sensor ecom isso excita o circuito externo,conforme mostra o circuito típico dafigura 16.

A grande vantagem deste tipo dedispositivo no controle é que o coman-


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do passa do LED para o sensor naforma de um feixe de luz. Não há por-tanto contato elétrico entre o circuitode comando do PC e o circuito coman-dado ligado ao sensor.

O isolamento típico de um opto-acoplador é da ordem de 7000 volts oque quer dizer que se houver um aci-dente no circuito comando queiman-do-o por completo, o circuito de co-mando antes do LED estará perfeita-mente seguro. Na figura 17 mostramosalgumas configurações típicas usan-do este tipo de componente. Em (a)temos o acionamento de LEDs no ní-vel baixo e em (b) o acionamento nonível alto. Em (c) temos o disparo deum relé no nível baixo e em (d) o dis-

paro no nível alto. A alimentação paraos relés‚ deve ser obtida de um circui-to externo. Lembre que o terra destafonte deve estar em comum com o ter-ra obtido na porta paralela.

Para acionar diretamente cargasaté 1 A no nível alto (e) e no nível bai-xo (f) podemos usar transistoresDarlington de potência que devem serdotados de radiadores de calor. Cui-dado no acionamento de dispositivosque gerem transientes como cargasindutivas, protegendo o circuito con-tra sua ação.

O disparo de um TRIAC com umopto-diac ‚ mostrado em (g). Observeque o MOC3020‚ usado na rede de220V. O TRIAC pode ser o TIC226-D.

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Veja que, usando os circuitos indi-cados podemos fazer facilmente pla-cas de comando ou interfaceamentode potência que controlariam robôs,braços mecânicos, elevadores, e mui-tos outros dispositivos de Mecatrônica.

Basta que cada uma tenha 8 dequalquer dos muitos circuitos indica-dos e que no pino de entrada corres-pondente seja colocado um “1” ou “0”quando desejarmos a ativação do dis-positivo correspondente.

Para colocar este “1” ou “0” o pro-gramador tem uma quantidade enor-me de possibilidades.

Os modos mais simples são os quefazem uso de programas de menorcomplexidade como o próprio Basic oumesmo linguagens projetadas justa-mente com esta finalidade como aLOGO.

Para os que dominam melhor astécnicas de programação o VisualBasic (VB), Delphi, C++, Pascal emesmo Assembler podem ser usados.

CUIDADOS ESPECIAIS

Evidentemente, os leitores commenos prática podem sentir um certoreceio em ligar alguma coisa externaà uma porta do computador, commedo de causar algum tipo de danoirreversível.

Algumas regras importantes po-dem ajudar a evitar estes problemas:

a) As conexões dos cabos que vãoda porta ao circuito controlado devemser conferidos com extremo cuidado.É neste ponto que um curto acidentalpode causar danos ao computador.

b) Ao excitar circuitos energizadosexternamente de forma direta, limitesempre a corrente usando um resistorde valor apropriado.

c) Se tiver de excitar circuitos ali-mentados pela rede ou alimentadoscom tensões diferentes de 5 voltsuse sempre elementos isoladorespara maior segurança como opto-acopladores ou relés.

d) Se o circuito a ser excitado ti-ver um bom consumo dê preferênciaa uma fonte externa em lugar deaproveitar os 5 volts disponíveis docomputador. l

Figura 17 - Configurações com opto-acopladores.


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CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMEmílio Carlos Nelli Silva

Professor Doutor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas MecânicosEscola Politécnica da USP

Os termos CAD, CAE e CAM jásão comuns no meio industrial inter-nacional (e nacional) atualmente eestão diretamente relacionados coma redução de custo de desenvolvi-mento e fabricação de um produtoatravés da utilização de computado-res, eliminando a necessidade e ocusto de se realizar experimentoscom protótipos. Para entendermos osignificado desses termos é necessá-rio entendermos inicialmente comoocorre o desenvolvimento de um novoproduto na indústria, como represen-tado no gráfico mostrado na figura 1.O gráfico possui duas colunas. A co-luna da esquerda ilustra as etapas dedesenvolvimento do produto e a dadireita como o computador está pre-sente em cada uma delas.

Para ilustrar a explicação, vamosconsiderar o desenvolvimento de um

eletrodoméstico como uma batedei-ra de bolo, por exemplo.

A primeira etapa, “Reconhecimen-to da Necessidade” consiste em seidentificar a necessidade do produto,o que é feito pelo Departamento deMarketing através de pesquisas en-tre os consumidores, etc… Assim,será pesquisado, o que o consumi-dor espera de uma batedeira, aces-sórios desejados, cor preferida, de-sempenho, etc… Identificada a ne-cessidade, parte-se para a etapa “De-finição do Problema”, onde será feitaa especificação do produto, ou seja,quais as faixas de rotação da bate-deira, quais os seus acessórios,suas dimensões genéricas, capaci-dade da tigela, potência do motor,etc… A partir daí, se inicia a síntesedo produto, ou seja, será realizado oprojeto propriamente dito da batedei-

ra, definindo-se detalhadamente a suaforma, as suas dimensões, a formae dimensões de seus acessórios,etc... Ou seja, dessa etapa em dian-te, a batedeira vai assumir a formade um produto final. No entanto, astrês etapas que se seguem consis-tem num complexo trabalho, que re-presenta a essência da engenhariade desenvolvimento. A definição daforma (ou geometria) da batedeiradepende não somente da escolha deum “design” que seja mais atrativopara o consumidor, mas também deuma forma que não comprometa odesempenho mecânico (no caso) dabatedeira. Por exemplo, um problemasério no projeto de batedeiras de bolo,é que a distância entre a extremida-de da pá e o fundo da tigela seja iguala um certo valor, caso contrário, abatedeira não tem sucesso em batera clara de ovo de forma a gerar a tra-dicional “espuma”, conhecida como“claras em neve”. Essa distância en-tre a extremidade da pá e o fundo datigela dependerá da rigidez da estru-tura da batedeira, que dependerá porsua vez de sua forma. Sendo assim,o projetista deve ser capaz de pre-ver o comportamento mecânico daestrutura da batedeira para cada tipode forma escolhida. Se o comporta-mento mecânico não for satisfatório,a forma deve ser alterada, caso con-trário, o desempenho da batedeiraserá comprometido. Uma maneira dese prever o comportamento mecâni-co é construir um protótipo da estru-tura e realizar um experimento. Essaabordagem, muito usada no passa-

Os termos CAD, CAE e CAM já são comuns na indústria mo-derna. Eles estão relacionados com a utilização do computadornas diferentes fases de desenvolvimento de um produto, que en-volvem o seu desenho (CAD), a simulação computacional de seucomportamento físico (CAE) e o planejamento e controle de suaprodução (CAM). Esse artigo procura dar uma visão geral sobre oque consistem essas áreas, a sua importância no contexto dedesenvolvimento de um produto industrial, bem como, uma idéiado estado da arte dessas áreas de conhecimento atualmente. Sãoáreas muito abrangentes (cada uma delas merecendo um artigoem especial) e a relevância e importância delas para o aumentode competitividade industrial no mundo atual é inegável.


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Figura 1 - Desenvolvimento de um produto industrial e a presença do computador nasdiferentes etapas.

do, demanda tempo e custo, certa-mente contribuindo para o encareci-mento do preço final da batedeira. Éaí que entra o computador para redu-zir esse custo e tempo de desenvol-vimento.

Voltando ao gráfico acima, temosque a primeira etapa de projeto é a“Síntese”. Nessa etapa é propostauma geometria para o produto (nocaso, a batedeira). Essa etapa en-volve basicamente a modelagemgeométrica do produto. Essa etapapode ser realizada no computadorutilizando-se um software de CAD(“Computer Aided Design”), que é umsoftware que permite realizar dese-nhos bi e tridimensionais de peças ealterá-los como se desejar. Na próxi-ma etapa, chamada de “Análise eOtimização” é feita a análise do pro-jeto geométrico proposto anterior-mente de forma a prever o seu com-portamento mecânico, elétrico, etc.Essa etapa também pode ser reali-zada no computador utilizando-seo chamado software de CAE(“Computer Aided Engineering”), queé um software que permite simular ocomportamento mecânico, elétrico,etc. da peça projetada no CAD. As-sim, no caso da batedeira, para cadadesenho proposto no CAD, devemos

poder simular o comportamento me-cânico e verificar se a rigidez doprojeto proposto é suficiente paragarantir a distância entre a extremi-dade da pá e o fundo da tigela, porexemplo. Se o projeto não for satis-fatório, devemos retornar ao CAD,fazer as modificações necessárias nodesenho geométrico e novamentesimulá-la no CAE. Esse processoiterativo prossegue até que se obte-nha um projeto satisfatório, comomostrado no gráfico. Uma vez con-vergido para um projeto, segue a eta-pa de “Avaliação” onde é construídoum protótipo que será testado de for-ma a verificar se todas as exigênci-as especificadas na etapa “Definiçãode Problema” acima são realmentesatisfeitas. Caso não sejam, retorna-se para a etapa de “Síntese” acima,fazem-se as alterações necessáriasno desenho, e o processo de projetocontinua até que se obtenha o pro-duto final que atenda a todas asespecificações iniciais. Uma vez ob-tido o projeto final parte-se para aexecução de sua documentação fi-nal através da execução de desenhosde fabricação, onde novamente oCAD desempenha um papel funda-mental. Encerrado o projeto do pro-duto, segue a sua fabricação. Nova-

mente, o computador ajuda a reduçãode custos nessa fase através da utili-zação de softwares de CAM(“Computer Aided Manufacturing”) queessencialmente, além de estimaremos custos e tempos de produção dabatedeira, geram a partir do desenhono CAD um programa a ser fornecidoa uma máquina ferramenta (tambémcontrolada por computador) que vaipermitir essa máquina usinar o moldea ser usado na injetora de plástico parafabricar a batedeira, por exemplo.

Assim, com o gráfico da figura 1,demonstra-se a utilização do compu-tador nas diferentes etapas de desen-volvimento de produto, e sua impor-tância na redução de custos e tem-po de desenvolvimento. Vejamoscom detalhe os softwares de CAD,CAE e CAM.

CAD

Um sistema CAD é compostopor software e hardware que ofere-cem em conjunto recursos gráficospara gerar desenhos utilizando ocomputador.

Um software de CAD pode rodarnum microcomputador tipo PC comsistema operacional Windows ounuma estação de trabalho com sis-tema operacional UNIX. Requer ummonitor colorido com resolução emtorno de 4096x4096 pixels, uma pla-ca gráfica capaz de garantir uma boavelocidade nas operações gráficas,mouse e teclado. Além disso, podeagregar vários hardwares acessóriosque facilitam a execução do projeto,como, por exemplo:

• “Light-pen”: trata-se de um dis-positivo similar a uma caneta quequando apontada para um ponto dovídeo, envia as coordenadas desseponto para o computador. Permite de-senhar figuras e indicar pontos natela;

• Mesa digitalizadora: é umamesa sobre a qual é movimentadoum dispositivo similar a um mouseque envia ao computador as coor-denadas do ponto indicado com pre-cisão de até centésimos de milíme-tro. Pode ser usado para adigitalização de desenhos enviandoas coordenadas do seu contorno;


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Figura 2 - Modelos bidimensionais num CAD(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 3 - Modelo tridimensional num CAD(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 4 - Representação de sólidos usando “wireframe” (cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 5 - Representação de objetostridimensionais usando superfícies (cortesia

de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 6 - Modelo sólido de um motor elétrico(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

• Digitalizadores de imagem: dis-positivos que captam a imagem doambiente e a convertem para códi-gos que podem ser manipulados pelocomputador. Como exemplo, temosas câmeras de vídeo e fotográficasdigitais e os “scanners”;

• Plotters: são dispositivos usa-dos especificamente para imprimir osdesenhos do CAD em papéis padro-nizados (A2, A3, A4, etc.). Utilizam-se canetas esferográficas ou não, quetraçam retas e pontos sob o coman-do do computador;

Os CADs são muito aplicados nageração de desenhos nas indústriasmetal-mecânica, construção civil,esquemas elétricos, geração de ma-pas car tográficos, desenhos demarketing, etc...

Um modelo geométrico de CADpode ser bidimensional ou tridi-mensional. Um exemplo de modelobidimensional (2D) seria um desenhode fabricação da peça ou a planta deum prédio, onde ambos são realiza-dos apenas num plano (ver figura 2).

Um modelo tridimensional (3D)consiste num modelo que simula umaterceira dimensão, nos permitindo, porexemplo, girar o objeto, visualizá-lo

de diferentes formas, etc. (ver figura3). É importante salientar que umaimagem de perspectiva simplesmen-te não é um modelo tridimensional,pois a mesma pode ser desenhadanum plano, por exemplo. Um modelotridimensional simula, de formavirtual, a peça real. Para representaruma peça no plano é necessário ape-nas duas coordenadas (X e Y porexemplo), enquanto que uma peça noespaço precisa de três coordenadas(X, Y e Z, por exemplo).

Além disso, a representação deum modelo tridimensional no CADpode ser classificada em: estruturade arame (“wireframe”), modelo desuperfície e modelo de sólido.

Um modelo estrutura de arameutiliza linhas interconectadas pararepresentar o objeto como mostradona figura 4. Quando o modelo temgeometria complexa a sua represen-tação usando “wireframe” pode ficarconfusa, pois, mesmo as linhas re-presentando o outro lado do objetosão representadas, como ilustrado nafigura 4.

Nesse caso o CAD possuialgoritmos que “escondem” as linhasatrás do objeto, no entanto esse tipode representação não é adequadaem geral. No caso de modelos de su-perfície, a peça é representada ape-nas pelas suas superfícies internase externas, o que já elimina a confu-são causada pela representação“wireframe” (ver figura 5). Esse tipode representação é adequado pararepresentar a carroceria de um auto-móvel, o coração, etc. enfim corposque são formados essencialmente

por “cascas”, ou seja, não possuemum interior sólido. A superfície nãoprecisa possuir uma espessura, porexemplo.

Já no modelo sólido, a peça é re-presentada como um sólido real, e avisão do objeto é como o vemos nasituação real. A peça é armazenadano CAD como um sólido tridi-mensional e tem como vantagempermitir calcular a interferência dapeça com outras peças, calcular seu


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Figura 7 – Modelos CAD (acima) e CAEdiscretizado em elementos finitos (abaixo) deuma peça mecânica (Cortesia daSmartTech -

ANSYS).

Figura 8 - Etapas de uma análise de CAE.

volume e massa, seu centro de gra-vidade, etc... (ver figura 6).

Entre as funções úteis presentesnum CAD, temos:

• Permite determinar com preci-são as distâncias entre superfícies,pontos, linhas, sólidos, etc...identificadas pelo usuário;

• Permite checar se não há interfe-rência entre dois objetos. Essa funçãoé útil no caso do interior de um avião,em que se deve posicionar a passa-gem de diversos tubos e fios. Semum CAD, é muito difícil realizar essatarefa sem ocorrer interferências;

• Animação: permite visualizar ummecanismo funcionando (simulaçãocinemática), como um motor, porexemplo. Trata-se de uma simulaçãopara animação apenas e não leva emconta o comportamento dinâmicoreal das peças. Uma simulação decomo as peças se movimentamrealmente com as corretas velocida-des e acelerações é feita pelo CAEcomentado adiante;

Os CADs também permitem utili-zar diversas cores para representaros objetos. Assim, no caso do mo-delo do motor, por exemplo, cadapeça teria uma cor, o que ajudaria aidentificá-la no motor final.

Uma outra característica impor-tante do CAD é poder ser integradocom outros sistemas como o CAE eo CAM. Assim, o modelo construídono CAD deve ser transferido ao CAEpara simular o seu comportamento(mecânico ou elétrico), ou transferi-do para um CAM para simular e pro-gramar a sua usinagem numa máqui-na CNC (“Comando NuméricoComputadorizado”).

A interface com o CAE, no en-tanto, nem sempre é bem sucedidacomo será comentada adiante.

CAE

Um software de CAE é usado paraa simulação do comportamento dapeça na situação real de operação.Assim, no caso de uma peça mecâ-nica são calculadas as tensões me-cânicas, deslocamentos (como noexemplo da batedeira citado na in-trodução deste artigo), distribuição detemperaturas, fluxo de calor na peça,

etc... Existem CAEs especialistas nasimulação do funcionamento de umcircuito elétrico, por exemplo, ou seja,sabendo-se o sinal de entrada pode-se determinar o sinal de resposta ge-rado pelo circuito, assim como sa-bendo-se as forças que atuam numaestrutura podemos calcular os seusdeslocamentos. O principal objetivodo CAE é reduzir o tempo e custo dedesenvolvimento do produto aumen-tando a sua qualidade. Se o CAE écapaz de simular o comportamentoreal do produto, este permite ao en-genheiro avaliar com precisão o pro-jeto feito no CAD sem precisar fabri-car protótipos. O CAE consiste por-tanto, numa ferramenta importantepara o engenheiro.

Entre os tipos de CAE temos osCAEs baseados no chamado Méto-do de Elementos Finitos (MEF),CAEs destinados à simulação dinâ-mica de mecanismos, CAEs desti-nados à simulação de sistemas dis-cretos e CAEs destinados aoprocessamento simbólico.

Os CAEs destinados à simulaçãodinâmica de mecanismos permitemsimular o funcionamento de um robô,por exemplo, calculando as velocida-des e acelerações de suas diferen-tes partes considerando os torquesdos motores de acionamento, a car-ga a ser movimentada, etc... É umasimulação mais fiel a realidade, aocontrário do CAD onde somente éfeita uma animação do funcionamen-to do robô. Os CAEs destinados àsimulação de sistemas discretos si-mulam, por exemplo, um circuitopneumático onde um movimento paraocorrer depende de uma condição játer ocorrida, como o pistão pressio-nar uma válvula, por exemplo. Linhasde manufatura numa indústria tam-bém podem ser simuladas com essetipo de CAE. CAEs destinados aoprocessamento simbólico permitemmanipular diretamente as equaçõesmatemáticas que descrevem o fenô-meno que se quer modelar.

No entanto, a maior parte dosCAEs são baseados principalmenteno MEF e permitem atualmente si-mular inúmeros fenômenos físicosem engenharia, como por exemplo,deformação de estruturas mecânicas

sujeitas a um certo carregamento, dis-tribuição de temperaturas num mo-tor, campo acústico gerado no inte-rior de um ambiente, escoamento dear ao redor das asas de um avião,etc... Para isso o MEF exige que omodelo de CAE seja discretizado empequenos elementos denominados“elementos finitos” como mostrado nafigura 7. Essa discretização consis-te em se gerar uma malha (“mesh”)no modelo de CAD. Pode ser feita noCAD ou no próprio CAE mediante omodelo importado do CAD.

Muitos CAEs possuem um CAD(mais simples) integrado para tentarevitar que o usuário tenha que


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Figura 9 – Visualização através de cores dadistribuição de temperaturas num modelode CAE de uma peça mecânica (Cortesia

da SmartTech - ANSYS).

transferir arquivos de um softwarepara o outro.

Uma vez discretizado o modelo,são aplicados carregamentos repre-sentados por forças, pressões, ace-lerações, temperaturas, voltagem,corrente elétrica, etc... e as restriçõesque correspondem aos pontos emque a estrutura será presa (desloca-mento nulo), ou pontos com valoresde temperatura e voltagem especifi-cados (valor zero, por exemplo).Além disso, devem ser especificadostambém os materiais que compõema peça, especificando suas proprie-dades físicas (densidade, módulo deelasticidade, etc...).

Assim, uma análise de CAE écomposta das seguintes etapas (verfigura 8): o pré-processamento, osolucionador e o pós-processamento.No pré-processamento é construídoo modelo (ou importado do CAD) egerado a malha de elementos finitossobre esse modelo de CAD. Nessaetapa devem ser escolhidos o tipode elemento a ser usado (conformeveremos adiante), o material das par-tes da peça, além de serem aplica-dos os carregamentos e as restri-ções, ou seja, deslocamentos, tem-peraturas ou potenciais elétricos pres-critos. Na segunda etapa, osolucionador, são resolvidas as equa-ções matemáticas que descrevem ocomportamento físico da peça. Naúltima etapa, pós-processamento,são visualizados os resultados comodistribuição das tensões mecânicas

ou deslocamentos no caso de estru-turas mecânicas, ou a distribuição detemperaturas ou potencial elétrico,enfim o que se desejar visualizarcompatível com a análise feita (verfiguras 9, 10 e 11).

No seu interior os CAEs possu-em formulações matemáticas com-plexas que estão relacionadas como fenômeno físico que se quer simu-lar (mecânico, elétrico, fluido escoando,eletromagmético, etc...). Essa formu-lação está agregada a cada tipo deelemento finito. Existe assim um ban-co de dados de elementos finitos noCAE, cada um relacionado com um

fenômeno físico específico e conten-do uma certa aproximação na mode-lagem do fenômeno real. Assim, exis-tem elementos unidimensionais,bidimensionais e tridimensionais comomostrado na figura 12.

Nesse sentido o modelo do CAEnão precisa ser necessariamenteigual em forma ao modelo de CADda peça real, mas deve apenas po-der representar o seu comportamen-to mecânico ou elétrico real. Isso épossível graças às formulações ma-temáticas implementadas no interiordo software. Por exemplo, conside-remos a modelagem da asa de umavião. Podemos numa etapa inicialrepresentá-la por uma linha que serádiscretizada por elementos unidi-mensionais chamados “elementos deviga” (ver figura 12). Trata-se de ummodelo de CAE simplificado ondecada elemento, no entanto, conteriainformações sobre as dimensões daseção da asa, sua área, seu materi-al, etc... Visualmente, esse modeloé bem diferente da geometria real,mas já é capaz de nos dar uma boanoção inicial do comportamento me-cânico da asa, por exemplo. Um mo-delo de CAE mais sofisticado con-siste em se representar a asa comelementos do tipo “placa”(ver ele-mentos bidimensionais na figura12)e as longarinas internas por elemen-tos unidimensionais de viga. As pla-cas conteriam informação da espes-

Figura 10 - Visualização da deformação do casco de um navio obtida por elementos finitos. Ascores representam diferentes tipos de materiais (vidro, aço, etc.) (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 11 - Visualização da deformação deum componente de motor de automóvel,

obtida por elementos finitos. As coresrepresentam diferentes tipos de materiais

(alumínio, aço, etc.)(Cortesia da SmartTech -ANSYS).


SOFTWARE

com elementos de placas e vigas jáseria suficiente, por exemplo. A mo-delagem de uma peça usando ele-mentos sólidos do tipo “tijolo” seriamais indicada para uma peça sólidado tipo, fundida, forjada, ou usinada.Enfim, o engenheiro deve aprender aabstração da modelagem de CAEpelo fato de, novamente, o modelode CAE não precisar necessariamen-te ter um visual igual à geometria dapeça real, mas deve ser capaz derepresentá-la fisicamente.

Algumas simulações envolvemvários fenômenos físicos e exigemCAEs multidisciplinares. Por exem-plo, a simulação de um avião voan-do exigiria a simulação do escoamen-to do ar ao redor da asa e a simula-ção de como esse escoamento pro-voca a deformação da asa devido àsforças de sustentação e de arrastoaerodinâmico. Ao mesmo tempo, aasa se deformando, o escoamento doar ao seu redor é alterado. Assim umasimulação realística desse fenôme-no exigiria um CAE que combine o

efeito estrutural e aerodinâmico. Umexemplo de sofisticação de análisecomputacional possível de se atingiratualmente usando um software deCAE está ilustrado na figura 13, ondeé simulado o campo magnético deum magneto. O resultado é mostra-do em termos de distribuição devetores de campo magnético ao lon-go do magneto.

Considerando as etapas do CAEacima, a que consome mais tempoé o pré-processamento onde éconstruído o modelo CAE. O pré-processamento pode chegar a repre-sentar 70% do tempo de uma análi-se de CAE, enquanto que a análi-se e pós-processamento juntos re-presentam 30%!! Em geral, a cons-trução do modelo do CAE é feita apar tir do modelo construído noCAD, a menos que se deseje utili-zar um modelo simplificado uni oubidimensional, como discutido ante-riormente. Nesse caso, algunssoftwares de CAE possuem um CADno seu interior para evitar que o usu-

Figura 12 - Tipos de elementos finitosusados no CAE.

sura, material, etc... O visual dessemodelo de CAE já estaria mais pró-ximo da geometria da asa real, porexemplo, e do ponto de vista físiconos fornece uma noção mais preci-sa do comportamento mecânico daasa. Finalmente o último estágio desofisticação seria representar a asapor elementos sólidos do tipo “tijolo”(ver elemento hexahédrico na figura12). Visualmente, esse modelo é idên-tico em geometria a asa real e certa-mente nos forneceria um resultadodetalhado sobre as concentrações detensões mecânicas na asa, deforma-ções localizadas, etc... No entanto,o custo computacional desse últimomodelo de CAE seria brutalmentemaior do que o do primeiro modelounidimensional tornando-o inviável.No caso da asa, o segundo modelo

Figura 13 – Resultado da simulação docampo magnético num magneto. Distribuição

do campo magnético é representada porvetores. (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 14 – Detalhe da complexidade damalha de elementos finitos no caso depeças tridimensionais com geometria

complexa (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 15 - Caixa de câmbio fundida.Construção do modelo CAE é complexa.


SOFTWARE

44

Figura 18 - Volume de existência daestrutura com cargas e pontos de fixação(superior). Estrutura sintetizada pelo MOT

(inferior).

Figura 17 - Volume de existência daestrutura com cargas e pontos de fixação(superior). Estrutura sintetizada pelo MOT

(inferior).

ário tenha que usar outro software (deCAD), no entanto são CADs limita-dos em relação a um software dedi-cado especificamente à CAD. Assim,no caso geral, o modelo deve sertransferido do CAD para o CAE. Noentanto essa transferência nem sem-pre é bem sucedida. Entre os proble-mas temos inicialmente a comunica-ção entre o CAD e o CAE que é feitaatravés da escrita e leitura de ar-quivos tipo texto. Muitas vezes osarquivos gerados pelo CAD não sãolidos com sucesso pelo CAE porexcesso ou falta de informações.

Uma vez transferido o modelo,deve ser gerada a malha sobre omodelo como já comentado. Se omodelo apresentar pequenos detalhes(furos, cantos vivos, etc.) a geraçãode malha pelo CAE não será bem su-cedida ou uma malha muito fina serádesnecessariamente gerada (ver figu-ra 14). Isso exigirá que se retorne aoCAD e se eliminem esses pequenosdetalhes (processo conhecido como“defeaturing”) e novamente transferiro modelo para o CAE para se tentaruma nova geração de malha.

Esse processo tradicional, descri-to acima, pode ser demorado e tedio-so. Imagine uma peça complexacomo um bloco de motor, caixa decâmbio de um automóvel ou umapeça qualquer fundida ou forjada

como ilustrado na figura 15. Se a peçajá existe e queremos modelá-la, aconstrução de um modelo CAD podelevar meses!! Além disso, teremosos problemas de transferência do ar-quivo do CAD para o CAE e a gera-ção de malha como já comentadosacima. Assim o alto tempo e custodesestimulam a indústria a realizarsimulações CAE dessas peças com-plexas. Uma solução que vem sen-do usada em grandes empresas noexterior é realizar uma tomografia dapeça mecânica. O tomógrafo é umaparelho que permite obter as ima-gens das seções transversais de umsólido de forma rápida sendo muitoutilizado em hospitais pelos médicospara visualizar o interior do corpohumano. Obtidas essas imagens, osólido é reconstruído no computadorde forma a se obter uma imagem devoxels do sólido. Um voxel é a uni-dade básica de representação de umaimagem tridimensional, assim como,o pixel é a unidade básica de repre-sentação de uma imagem bidi-mensional no computador. Uma vezobtida a imagem de voxels, a gera-ção do modelo CAE é obtida conver-tendo-se cada voxel num elementofinito do tipo “tijolo”. Assim, o mode-lo CAE de uma peça complexa podeser obtido em menos de um dia!!! Afigura 16 ilustra o processo.

Isso teria grande aplicação emprojeto de próteses biomédicas, porexemplo, pois são peças complexasque variam de pessoa para pessoa.A simulação por CAE se faz neces-sária para se prever o comportamentomecânico da prótese antes de colocá-la no paciente. Com esse método, omodelo CAE é facilmente obtido sema necessidade de se aprender a utili-zar um software de CAD. Assim, podeser usado por um médico, por exem-plo, que teria um tomógrafo disponí-vel no hospital.

No entanto, a simulação do com-portamento da peça em si, ajuda oengenheiro a verificar os problemasde projeto, mas ainda não é suficien-te. O principal problema é sugerirmodificações na peça que melhoremo seu desempenho, o que é uma ta-refa complexa. A simulação nos aju-da a ter uma idéia da sensibilidade

do projeto, ou seja, alterando a for-ma da peça aqui e ali, temos umanoção do quanto irá influenciar no seudesempenho final realizando simula-ções. Isso resulta num processo deprojeto iterativo como já ilustrado nafigura 1. Mas, seria interessante queo próprio CAE nos sugerisse onde al-terar a forma da peça de maneira amelhorar o seu desempenho, o quecertamente aumentaria drasticamen-te a eficiência do processo de proje-to. Isso é conseguido atualmente uti-lizando-se métodos de otimização in-tegrados ao CAE. Esses métodosrealizam uma busca orientada dosparâmetros de geometria da peça deforma a obter a forma que otimize odesempenho da peça. Esse desem-penho pode ser, por exemplo, a rigi-dez da peça, redução das tensõesmecânicas, etc... Um critério de de-sempenho muito comum na indús-

Figura 16 - Seções tomografadas de umsólido e sua respectiva imagem de voxels

reconstruída, já consistindo no modelo CAE com elementos tipo "tijolo".


SOFTWARE

tria automotiva e aeronáutica é projetar peças com máxi-ma rigidez e com menor peso. No caso da batedeira, men-cionado na introdução, é interessante que a geometria desua estrutura seja rígida o suficiente para que a deforma-ção não prejudique a geração da “clara em neve” (já co-mentado), mas não deve conter uma quantidade de ma-terial maior do que a necessária, o que encareceria oscustos na indústria. Por exemplo, se fabricamos 1000 ba-tedeiras por dia, e se cada uma delas tem uma massa de200 g a mais do que o necessário isso significa 6 tonela-das de material a mais por mês!!! O mesmo vale para aprodução de automóveis. No caso de um avião, o proble-ma é que uma peça com peso além do necessário, reduza capacidade de carga do avião. Obter uma peça commáxima rigidez e menor peso não é uma tarefa intuitivapara o ser humano, e somente pode ser conseguida atra-vés do computador.

A otimização integrada ao CAE tem atualmente vá-rios níveis. Podemos otimizar apenas as dimensões dapeça (otimização paramétrica), podemos alterar a formaexterna e interna da peça (otimização de forma), ou po-demos alterar a topologia da peça, ou seja, encontrarnovos “furos” nessa peça. Esse último tipo de otimizaçãoé chamada otimização topológica. O desempenho dapeça e a redução de material obtida aumentam daotimização paramétrica para a otimização topológica.

A Otimização Topológica (OT) é um método que vemsendo muito utilizado na indústria dos EUA, Japão e Eu-ropa nos últimos cinco anos. O Método de OtimizaçãoTopológica (MOT) permite sintetizar estruturas de acor-do com um certo desempenho especificado, por exem-plo, máxima rigidez e menor peso. As figuras 17 e 18ilustram algumas estruturas sintetizadas pelo MOT. Ini-cialmente é definido o volume de existência da estrutu-ra, ou seja, uma região que é limitada apenas pelos pon-tos onde a estrutura estará fixada, pontos de aplicaçãode carga e regiões que a estrutura não pode invadir. Alémdisso, pode-se ainda definir regiões em que o materialnão pode ser retirado (sólido) e regiões em que não podehaver material (vazio) (ver figura 18). Esse domínio édiscretizado em elementos finitos, e fornecido ao softwarede MOT. Num processo iterativo, o software de MOT vaidistribuir de forma ótima o material no interior do volume deexistência de maneira a maximizar o desempenho deseja-do para a peça (por exemplo, máxima rigidez e menor peso).

Assim, o MOT consiste no estágio mais avançadoda otimização, e o CAE não mais se limita a analisargeometrias propostas no CAD, mas agora é capaz desintetizá-las também de forma ótima.

As reduções de massa obtidas na indústria com a utili-zação de um CAE com o MOT chegam a 40% da massainicial de um projeto tradicional obtido sem a utilização doMOT. Isso demonstra a potencialidade de ferramentas deotimização integradas ao CAE. Trata-se de uma área emrápido crescimento na indústria no exterior sendo motivo devárias pesquisas no meio acadêmico. Já existem CAEs dedi-cados ao MOT disponíveis no mercado que permitem sinteti-zar uma peça de forma a obter o seu modelo de CAD final.

Figura 21 - Determinação do caminho da ferramenta e simulação deusinagem bidimensional em operações de fresagem (Cortesia da

CCS - SurfCAM).

Figura 20 - Determinação do caminho da ferrramenta para fresadoras em usinagem bidimensional (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 19 - Determinação do caminho da ferramenta em operaçãode fresagem (Cortesia da Ascongraph - MasterCAM).


SOFTWARE

46

CAM

CAM (“Computer Aided Manufacturing”) é defini-do como o uso do computador no planejamento,gerenciamento e controle da manufatura.

Para o planejamento, gerenciamento da manufa-tura o computador é usado “off-line” fornecendo in-formações para o gerenciamento e planejamentoefetivo das atividades de produção. Entre as princi-pais tarefas realizadas pelo CAM nessa área, te-mos:

• Estimativa do custo total (material e produção)de um novo produto a ser fabricado;

• Planejamento do processo, ou seja, planeja-mento da seqüência de operações e quais as má-quinas que deverão ser utilizadas para a fabrica-ção do produto e seus componentes;

• No caso de processos que envolvam usinagem,o CAM calcula os parâmetros ótimos de usinagem,como rotação da ferramenta ou da castanha de umtorno, velocidade de avanço da ferramenta, númerode passes, etc… Os cálculos são baseados em da-dos obtidos na fábrica ou em laboratório e essenci-almente relacionam a vida da ferramenta com ascondições de usinagem. Além disso, o CAM é ca-paz de simular a usinagem da peça na tela do com-putador;

• Gerar um programa para ser fornecido ao com-putador da máquina ferramenta de comando numé-rico que usinará a peça;

• Estudo de tempos de produção envolvidos nafabricação da peça;

Dentre as tarefas acima, a simulação de usinagemé sem dúvida a mais complexa computacionalmente.A idéia é que possuindo o modelo CAD da peça aser usinada o CAM irá calcular não somente osparâmetros ótimos de usinagem (como já comenta-do anteriormente) da peça, mas também especifi-car a trajetória da ferramenta durante a usinagem,determinar se haverão colisões da ferramenta compartes da máquina, etc… (ver figuras 19, 20, 21 e22). Após definida a usinagem o CAM deve podersimulá-la na tela (ver figuras 23, 24, 25 e 26), mos-trar o acabamento final da peça (ver figura 27, 28 e29), e gerar um programa a ser fornecido para ocomputador de uma máquina ferramenta que fabri-cará a peça. Para isso, o CAM possui um banco dedados com informações sobre comandos de pro-gramação de vários tipos diferentes de máquinasferramenta. O modelo da peça pode ser importadode um CAD (assim como no caso do CAE) ou no casode uma peça simples, pode ser construída no CADsimplificado do próprio software CAM. O CAM nãopermite apenas simular operações de usinagem (tor-nos e fresas em geral, incluindo todas as opera-ções), mas também, operações de cor te à laser,corte à jato d’água, corte à plasma, eletroerosão àfio, etc.

Figura 23 - Simulação de usinagem de fresamento e torneamentosimultâneos (Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 22 - Determinação do caminho da ferramentaem operações de fresagem tridimensional

(Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 24 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras de três eixos (Cortesia da

CCS - SurfCAM).


SOFTWARE

Com relação às tarefas de controle da produção, oCAM se destina a controlar o processo, a qualidade, ochão de fábrica e monitorar os processos, além degerar relatórios sobre a situação da produção para agerência.

Assim, CAD, CAE e CAM representam as ferra-mentas da engenharia moderna que permitem reduziro custo e tempo para o desenvolvimento e fabricaçãode um produto. l


1. Mikell P. Groover, “Automation, Production Systemsand Computer Integrated Manufacturing”, Englewood Cliffs :Prentice-Hall, 1987.

2. Ibrahim Zeid , “CAD/CAM Theory and Practice”, NewYork , McGraw-Hill, 1991.

3. Kunwoo Lee, “Principles of CAD/CAM/CAESystems”, Addison Wesley Longman Inc., California,1999.

Figura 25 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 26 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 27 - Simulação de usinagem e visualização de acabamentoem operações de fresagem (Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 29 - Visualização do acabamento final de uma peça usinada(Cortesia da Ascongraph - MasterCAM).

Figura 28 - Visualização do acabamento final da peça após aoperação de fresagem (Cortesia da CCS - SurfCAM).


ELETRÔNICA

Se precisamos movimentar o bra-ço de um robô ou ainda umautomatismo, a solução mais simplesestá no uso de um motor acoplado auma rosca “sem fim” conforme mostraa figura 2 ou outra forma de dispositi-vo de acoplamento mecânico.

Esse simples dispositivo faz as ve-zes de um músculo, capaz de movi-mentar para frente e para trás um bra-ço, mas com algumas limitações. Oruído do motor, a necessidade de lu-

brificação, a velocidade limitada deacionamento e resposta lenta são al-guns dos problemas que devem serconsiderados. Ora, se a idéia é imitara ação de um músculo, por que nãopartir para algo que tenha o mesmoprincípio de funcionamento?

Um músculo nada mais é do queuma massa de células que mudam deforma com a ação dos impulsos elé-tricos enviados pelo sistema nervoso,conforme mostra a figura 1.

Sem a ação dos pulsos de coman-do dos neurônios, as células em for-ma de fuso do tecido muscular semantém descontraídas e portanto te-mos o maior comprimento do conjun-to: o músculo está descontraído.

Com a aplicação de pulsos elétri-cos pelas células nervosas, as célu-las musculares se contraem, mudan-do de forma e fazendo com que omúsculo possa fazer um esforço físi-co, conforme mostra a figura 3.

Seria possível obter algum tipo dematerial que tivesse o mesmo com-portamento: um material que mude deforma com a ação de uma correnteelétrica ou de pulsos elétricos?

Um material desse tipo poderia serusado como um músculo “eletrônico”num robô ou num mecanismo comuma simplicidade muito maior do quea exigida por um motor, conformemostra a figura 4.

Se os leitores pensam que estematerial ainda está por ser descober-to, estão enganados. Este material jáexiste e robôs, automatismos ou dis-

SMA - MÚSCULOS SMA - MÚSCULOS SMA - MÚSCULOS SMA - MÚSCULOS SMA - MÚSCULOSELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOS

Newton C. Braga

Se consultarmos qualquer projetista da área de mecatrônica quetrabalhe com robôs ou automatismos que devam realizar movimen-tos, a solução natural abordada para a efetivação desses movi-mentos está no uso de motores, solenóides, servos e eventual-mente dispositivos pneumáticos ou hidráulicos. Para a solução elé-trica os motores comuns e motores de passo são os mais usados.Somente em alguns casos mais raros é que podemos pensar emsolenóides e outras soluções que também envolvem dispositivostotalmente eletro-mecânicos. No entanto, já existe um equivalentepara os “músculos” que podem ser usados em robôs eautomatismos para efetivação de movimentos. A SMA ou ShapeMemory Alloy ou Liga com Memória de Forma é a grande saídapara eliminar os motores dos robôs e automatismos e dotá-los demovimentos com um princípio de funcionamento muito mais próxi-mo dos organismos vivos e até mais eficiente quando se analisa arelação espaço ocupado/força. As aplicações para as SMA não sóna robótica e mecatrônica como também em automação e disposi-tivos de uso cotidiano são fantásticas e elas consistem no assuntodeste artigo.

Figura 1 - As células musculares.


ELETRÔNICA

positivos mecatrônicos com “múscu-los eletrônicos” não só já estão em fun-cionamento e à venda em forma dekits como até podem ser construídospelo próprio leitor.

SMA

Shape Memory Alloys ou Ligascom Memória de Forma é o nomedado para os fantásticos materiais quepodem ser usados como “músculos”em diversos tipos de equipamentos,acionados diretamente por correnteselétricas.

Basicamente, as SMAs consistemem Ligas ou Misturas de determina-dos metais que têm a interessante pro-priedade de mudar de forma com apassagem de uma corrente e com issoexercer um esforço mecânico consi-derável para o acionamento dos maisdiversos dispositivos.

Se fabricadas na forma de fios,estes fios podem ser usados comoverdadeiras “fibras musculares” demetal e combinados de modo a fazeracionamentos de dispositivos de diver-sas maneiras.

O QUE É SMA

Quando aquecemos um material,este se dilata pelo calor. O que ocorreneste caso é um fenômeno de aumen-to e diminuição das dimensões de ummaterial denominado dilatação térmica.

No entanto, existem certas ligas(misturas de metais) que manifestamuma propriedade diferente denomina-da “memória de forma”.

Estas ligas possuem uma estrutu-ra cristalina bem definida que mudaem uma determinada temperatura detransição com muita facilidade.

Quando estas ligas estão próximasda temperatura de transição, elas po-dem ser facilmente deformadas, ouseja, se tornam “moles” e podem seresticadas sem qualquer esforço. Noentanto, quando elas são aquecidaspela passagem de uma corrente elé-trica até a temperatura de transição, asua estrutura cristalina “lembra-se” daforma original e se contrai até ela. Aoesfriar quando a corrente é desligadaela “amolece” novamente e pode esti-car até a forma anterior.

Figura 2 - Usando um motor como "músculo" para movimentar um braço de robô.

Figura 3 - A contração das células permite a realização de um esforço físico.

Figura 4 - Músculos eletrônicos.


ELETRÔNICA

A curva característica destas ligasapresenta uma histerese acentuadaque é mostrada na figura 6.

Em outras palavras, um fio fabri-cado com uma liga deste tipo é flexí-vel o bastante para ser esticado comfacilidade na temperatura ambiente.Quando passamos uma corrente elé-trica por este fio e ele se aquece até atemperatura de transição ocorre umacontração até o tamanho original quepermite a realização de esforço me-cânico.

Para uma liga típica SMA a con-tração neste processo pode chegar de8% a 12% do comprimento total, o queé o bastante para se obter um bomacionamento.

Outro problema a ser consideradoé a velocidade de reação do fio, poiso aquecimento e o esfriamento repre-sentam uma certa inércia. Para os fiosfinos podem ser obtidas velocidadesde reação que se aproximam de 1 ci-clo por segundo, o que é bastante bompara um dispositivo mecânico simples,como por exemplo, um braço mecâni-co ou mesmo um modelo de insetovoador.

A utilização de ligas com maiorestemperatura de transição possibilita oaumento da velocidade de resposta (oesfriamento depende da diferençaentre a temperatura da liga e o meioambiente).

AS LIGAS E SUA HISTÓRIA

O conhecimento do efeito de me-mória de certas ligas não é recente.Já em 1932 o pesquisador sueco ArneOlander sugeriu a existência da con-tração de certas ligas, como a de ourocom cádmio. A transição de seu modode cristalização poderia ser usada parase converter calor em movimento.

Foi em 1950 que pesquisadores daUniversidade Columbia em NovaIorque explicaram as mudanças deestrutura que ocorriam nestas ligas,usando para isso a difração por meiode raios X.

A partir de então os pesquisado-res passaram a procurar novas ligasque apresentassem as mesmas pro-priedades.

Figura 5 - Usando a SMA para controlar o leme de um barco.

Figura 6 - A característica de histerese dasSMAs.

As ligas mais comuns possuemuma temperatura de transição sufici-entemente baixa para permitir aplica-ções práticas simples. Temperaturasem torno de 70 graus são comuns.

Evidentemente, um fio feito comesta liga pode se fundir com uma cor-rente excessiva, o que exige que o cir-cuitos de acionamento seja preciso,produzindo corrente suficiente paraatingir a temperatura de transição masnão o suficiente para fundir.

Uma maneira de se obter uma cor-rente de acionamento controlada éatravés de uma fonte de corrente cons-tante como a mostrada na figura 7.

Figura 7 - Uma fonte de corrente constante alimentando uma SMA.


ELETRÔNICA

Os problemas iniciais ocorriamporque as ligas consideradas “boas”utilizavam metais caros ou então pe-rigosos. A própria liga de ouro comcádmio não é das mais recomendá-veis para o uso por amadores ou emaplicações expostas porque o cádmioé muito tóxico.

Em 1963 o US Naval OrdenanceLaboratory desenvolveu uma liga compropriedades extremamente interes-santes: além de ser uma SMA ela uti-lizava metais não tóxicos e de baixocusto: esta liga de Titânio com Níquelque passou a ser denominadaNITINOL (Ni de níquel, Ti de titânio eNOL de Naval Ordenance Laboratory)se tornou bastante popular com usoinicialmente em diversos dispositivosmilitares e depois colocada a disposi-ção do projetistas de robótica emecatrônica. Sua importância foi con-

siderada tão grande que nas décadasseguintes os Estados Unidos fabricouuma grande quantidade deste materi-al, armazenando-o como “estoque es-tratégico”, para o caso de uma guerrano futuro!

A partir do Nitinol diversas outrasligas foram criadas encontrando apli-cações numa grande variedade de dis-positivos.

APLICAÇÕES

Com a utilização de metais baratos asSMAs passaram a ser usadas em pro-jetos interessantes, alguns dos quaisficaram apenas nos laboratórios.

Assim, em 1971 dois pesquisa-dores de Nova Iorque, P.N. Player eM. Page, desenvolveram um coraçãoartificial ativado por um fio de 500mm de Nitinol. Entretanto, a maior

Tabela 1 - Características de fios de Flexinol.

limitação do projeto era que ele sóbatia 12 vezes por minuto, bem me-nos do que os 80 a 90 batimentosde um coração real.

A NASA, por exemplo, trabalhounum sistema para abrir e fechar ante-nas de um satélite usando SMAs.

Atualmente existem diversos fa-bricantes de SMAs e até a disponi-bilidade de Kits para a montagem deautomatismos ou mecanismos decontrole.

Nos Estados Unidos a empresa daCalifórnia, Raychem Co. produz aSMA denominada Batalloy que é for-mada por cobre e zinco e a SMA Tinelque é formada de níquel e titânio eque se sobressai por ser a única comuma temperatura de transição inferiora 0 grau centígrado.

Um dos fornecedores mais conhe-cidos das SMAs nos Estados Unidos éa Mondotronics (http://www.robotstore.com). Esta empresa vende kits com pe-daços de fios de nitinol e manuais deuso. Nas tabelas abaixo damos as ca-racterísticas de fios de Flexinol que sãovendidos pela Robot Store:

COMO USAR

A força de contração ao aqueceruma SMA na forma de fio depende deseu diâmetro enquanto que o compri-mento distendido depende do compri-mento total do fio e de suas caracte-rísticas. O diâmetro e o comprimento,além da composição do material de-terminam as características elétricasda SMA.

Assim, num projeto que utilize umou mais fios, estes três fatores devemser levados em conta.

Na figura 8 temos um exemplo deaplicação para um braço mecânicousando uma SMA.

Observe então que temos uma ala-vanca interpotente e que portanto aforça F1 efetivamente obtida na extre-midade do braço é menor que a forçaF2 aplicada pela SMA. Assim, comoem toda alavanca deste tipo, o queganhamos em deslocamento, perde-mos em força.

Para uma alavanca inter-resisten-te como a mostrada na figura 9 o queque ganhamos em força perdemos emdeslocamento.


ELETRÔNICA

APLICAÇÕES INTERESSANTES

Uma aplicação bastante interes-sante desenvolvida pela MacDonaldDouglas a partir de experiências rea-lizadas no Lawrence BerkeleyLaboratories na Califórnia foi a poliadiferencial. Trata-se de um pequenomotor que converte calor em energiamecânica por meio de uma bobina deNitinol.

Aplicando-se dois fluxos de água,um aquecido e outro frio, ao pequenodispositivo, ele produzia força mecâ-nica equivalente a 1W girando em altavelocidade.

Para os leitores interessados, prin-cipalmente os do campo da Meca-trônica, a utilização das SMAs abre umleque de aplicações enorme.

Dos músculos capazes de movi-mentar braços, ou outras partes de umdispositivo mecatrônico, podemos par-tir para automatismos os mais diver-sos acionados diretamente por corren-tes elétricas.

Acoplados a sensores de posiçãonum circuito como o mostrado na fi-gura 10 podemos movimentar qual-quer coisa com SMAs.

Se a força conseguida de um fionão for suficiente para a aplicaçãodesejada podemos formar fibras queresultarão em potentes músculos.

Para que se tenha uma idéia, umafibra formada por 100 fios de 250 mmde Nitinol pode realizar uma força de911,4 N ou equivalente ao levanta-mento de 93 kg com a ativação poruma potência de apenas 200 watts.

CONCLUSÃO

Não existem limites para o quese pode criar com as SMAs. Apesarde terem como limitação a fadigaque pode fazer com que depois demuitas contrações e descontraçõeselas percam as suas propriedades,isso não ocorre antes de muito tem-po de uso.

Além disso, elas são uma das for-mas de se obter força mecânica sema necessidade de dispositivos com-plexos e volumosos e com uma ca-racterística que os motores elétricosainda não alcançaram: são total-mente silenciosas. l

Figura 8 - Movimentando uma pinça num braço de robô com SMA.

Figura 9 - Aumentando a força em "A" com uma alavanca inter-resistente.

Figura 10 - Um controle inteligente de SMA.


MECÂNICA

PROJETO DO CIRCUITOELETRÔNICO

Nesta fase, algumas dificuldadesa serem transpostas são:

Definir a função do circuito:Neste ponto do projeto devemos terem mente o que vamos controlar,e qual serão os atuadores (moto-res elétricos AC, DC, motores depasso, servo mecanismo ou hidráu-licos). Uma vez escolhido qual seráutilizado, já estaremos definindocomo deverá ser o circuito de con-trole (potência), e não devemosdeixar de pensar no controlador aser empregado.

Definir o circuito de controle:Para efetuarmos o controle de umdeterminado dispositivo, seja ele ummotor AC/DC, servos, motores depasso, além do circuito de potênciadeveremos também, não esquecer

do circuito “cérebro” do projeto quepode ser obtido através de micro-controladores, microprocessadores,computadores entre vários outrosque veremos em artigos posteriores.

Microcontroladores: Sua utiliza-ção engloba Hardware, Software, Ele-trônica e Programação. A variedadede microcontroladores no mercado émuito grande, entre os mais comuns

podemos citar os da linha Intel8031/32/51/52, a linha da Atmel89Sxx, a série PIC da Microchip, alinha 68xx da Motorola, COP8 daNational entre vários outros fabri-cantes. Independente do microcon-trolador utilizado, os mesmos po-dem, na maioria das vezes, ser pro-gramados em C, Assembler e, emalguns casos, em Basic interpreta-do. Como exemplos podemos citaralguns modelos de centrais telefô-nicas, celulares, circuitos de igni-ção de automóveis, vídeos k7, alar-mes, etc. Os quais são equipadoscom circuitos microcontrolados. Umexemplo de microcontrolador émostrado na figura 1.

Microprocessadores: Utilizadosem sistemas mais avançados, osMicroprocessadores são amplamen-te utilizados em equipamentos dedi-cados, tais como: equipamentos hos-pitalares, equipamentos CNC, impres-soras matriciais, laser e jato de tinta.Vamos citar algumas l inhas demicroprocessadores como os daZilog tendo como o mais famoso oZ80, Intel como precursor foi o8080, e o 8088 o qual equipava oPC XT, Motorola linha 68000, entrevários outros.

Microcomputadores: Do meuponto de vista, os mais fáceis de selidar. Dependendo da função e daaplicação, o custo é baixo, o desen-volvimento é rápido e o custo-bene-fício é excelente. Executa tudo o queos outros já citados fazem, porém

DIFICULDADESDIFICULDADESDIFICULDADESDIFICULDADESDIFICULDADESMECÂNICASMECÂNICASMECÂNICASMECÂNICASMECÂNICAS

Clovis MagogaAuthomatika - Robótica Educacional

Figura 1 - Exemplos de microcontroladores.

Dificuldades mecânicas são, sem dúvida, um dos maiores pro-blemas de todos aqueles que tentam ou já tentaram desenvolverqualquer tipo de robô, independente se ele é um modelo fixo oumóvel. Neste artigo iremos enumerar as dificuldades encontra-das em um projeto de Mecatrônica e propor algumas sugestõespara sanar estes problemas. Além das dificuldades mecânicas,que apresenta maior nível de dificuldade, será discutido breve-mente o projeto do circuito eletrônico e também o desenvolvimentodo software de controle.

MECÂNICA


como o MultiSIM da Electronic Work-bench, que é sensacional, já me aju-dou a solucionar vários problemas,inclusive a desenvolver circuitos dedecodificação para controle de mo-tores de passo.

Após um teste virtual, a monta-gem do circuito eletrônico, fisicamen-te, fica mais fácil. A depuração depossíveis falhas é mais simples.

Depois de ultrapassarmos todasas dificuldades acima, basta finali-zarmos o circuito através do desen-volvimento de uma placa de circuitoimpresso, seguindo à risca todas asregras para efetuar o projeto das pla-cas de circuito impresso, e o aloja-mento do circuito.

Uma das dificuldades de maiorpeso que nós, projetistas e aficiona-dos por Eletrônica temos é a obten-ção de componentes.

Este assunto merece um artigocompleto, pois o desinteresse dosfabricantes e distribuidores (principal-mente no Brasil) para vender com-ponentes em pequenas quantidadesé muito grande. O que, na verdade,os “grandes” desta área querem évender em grande quantidade. Sen-do assim, projetistas, técnicos e afi-cionados são limitados a ficarem nateoria, ou então têm de pagar o queos fornecedores querem.

SOFTWARE DE CONTROLE

Este nível de dificuldade, no meuponto de vista, é um dos mais fáceisde serem ultrapassados, pois a lite-ratura é vasta e fácil de ser obtida,sendo muitas vezes encontrada emsites na Internet. Na maioria dos ca-sos em que se refere a microcon-troladores, o software é gratuito, poisexiste interesse do fabricante em di-vulgar o seu produto. Como exemplo,podemos citar a facilidade em obterdocumentação sobre os microcon-troladores 8031/32/51 da Intel, PICsérie 16x da Microchip, 68HC daMotorola, Basic Stamp da Paralax,Cop da National.

No que diz respeito às linguagensde programação para computado-res pessoais, tais como: o VisualBasic, Basic, Linguagem C, Pascal,Assembler, Forth (antiga, mas muito

boa), estas podem e fazem o contro-le de qualquer tipo de interface de I/O independente do fato de utilizar-mos a porta serial, paralela, USB, eo circuito externo pode conter direta-mente um circuito de potência.

MECÂNICA

Como citado inicialmente, este éo maior empecilho que iremos encon-trar e não tenho receio em afirmar queé o maior desestimulador de proje-tos. Por conta disso, é o principalassunto desta matéria. Para lidar comestas grandes dificuldades, devemoster uma boa dose de criatividade, poisos materiais não são fáceis de se-rem obtidos e, quando obtidos, sãode difícil manuseio.

O manuseio é difícil devido à ne-cessidade de um maquinário especi-fico, como tornos, fresadoras, fura-deiras de bancada etc. (figuras 4, 5 e6). Para agravar, a grande maioria dosprojetistas não possui este arsenalde máquinas à disposição, o que fa-talmente estimula a busca de peçasprontas, reaproveitadas de algumvelho equipamento na sucata, e aca-bando por criar não o que pensáva-mos, mas sim no que conseguimosfazer com o que tínhamos à nossadisposição. Como o que havia à nos-

Figura 2 - Exemplo de computador.

são maiores, pouco compactos, con-somem mais energia. Em alguns ca-sos são mais suscetíveis à falhas,mas no caso de aplicações emRobótica para desenvolvimento e pes-quisa reduzimos drasticamente ocusto do projeto. Um exemplo de com-putador é mostrado na figura 2.

Componentes eletrônicos: Épreciso definir quais iremos utilizar,disponibilidade dos mesmos, facili-dades em obtermos documentaçãotécnica, custo do componente, dis-ponibilidade de fornecimento, etc.Alguns exemplos de componentes ele-trônicos são mostrados na figura 3.

Teste do circuito: É imprescin-dível o teste para termos um circuitode alta confiabilidade, funcional e quenos dê segurança em seu uso. Cui-dados com a estabilidade do circuitodevem ser tomados visando umataxa de 0% de erros no projeto, poisuma falha de funcionamento podecausar danos mecânicos, e até hu-manos dependendo do que estamoscontrolando!

Em meus protótipos, procuro uti-lizar circuitos emuladores virtuais

Figura 3 - Exemplos de componenteseletrônicos.

Figura 4 - Fresadora.

Figura 5 - Furadeira de bancada.


MECÂNICA

sa disposição não era exatamente oque necessitávamos, a probabilida-de da frustração do projeto é enor-me, e o abandono da idéia, geralmen-te, é inevitável.

Para solucionar tais problemas énecessária uma grande dose de per-sistência e teimosia, facilmente obti-da por indivíduos que realmente “amam”o que fazem ou o que está fazendo. Casovocê tenha estas características ficafácil transpor estas dificuldades.

Vamos falar de alguns materiaispara serem utilizados na construçãode robôs móveis e fixos ou dispositi-vos mecânicos a serem controladoseletronicamente, além de mencionaras dificuldades em seu manuseio euma opinião muito pessoal, da mi-nha experiência, onde eu uso os re-feridos materiais.

MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃODE MECANISMOS ROBÓTICOS

Chapas de ferro: Não é um ma-terial difícil de encontrar, seu custo ébaixo, e são produzidas em várias es-pessuras. São soldáveis através desolda elétrica ou MIG. Porém, depen-

dendo da espessura, o nível de difi-culdade de manuseio aumenta, poisquanto mais grossa for, mais equi-pamentos apropriados serão neces-sários, tais como: dobradeiras, má-quinas de solda, furadeiras de ban-cada, cortadeira, etc. Não é nada fá-cil cortar uma chapa de ferro de2,5cm ou mesmo dobrá-las sem asmáquinas certas.

Utilizo muito este material, prin-cipalmente, para bases de robôs mó-veis ou fixos devido a sua resistên-cia, e durabilidade.

Para superar as dificuldades domanuseio deste material utilizo uma

Figura 8 - Chapas de acrílico.

furadeira de bancada, brocas de boaqualidade, serras circulares e fluidosde corte. Dependo externamente deuma máquina de corte e de umadobradeira, porém, qualquer oficinade seralheria tem este maquinário, eencomendar o serviço não é difícil eo custo é baixo.

Chapas de Alumínio : A figura 7mostra alguns exemplos de chapasde alumínio. Seu custo é razoável,existe uma gama de espessura bemvariada e são de fácil manuseio. Oprotótipo fica com um excelente aca-bamento, porém não é tão fácil desoldar quanto o ferro. É leve, de fácilfuração, mas sua dobragem não éaconselhável (dependendo da es-pessura pode quebrar facilmente).Tais problemas são solucionadosatravés da utilização de parafusose rebites em substituição à sol-dagem ou à necessidade de efetuardobras.

Utilizo este material na confecçãode módulos de braços mecânicos,caixas de redução e componentesmecânicos.

O manuseio é fácil e as ferramen-tas necessárias são simples, taiscomo: uma tesoura de corte, umafuradeira de bancada, brocas de boaqualidade, serra de ferro, umarebitadora manual.

Tubos de Alumínio: Encontra-dos, geralmente, em barras de 4 ou6 metros nas mais variadas formas,espessuras e dimensões, de fácilcorte, de fácil furação é ideal paraconstrução de braços mecânicos, e

Figura 7 - Exemplos de chapas de alumínio.

Figura 6 - Torno mecânico.

MECÂNICA


estruturas variadas. É possível en-contrar este material com facilidadenos comércios especializados na fa-bricação de BOXES de banheiro.

Chapas de Acrílico : Podem serencontradas em diversas cores, dan-do um acabamento sensacional nosprojetos. Uma grande vantagem destematerial é o fato dele ser facilmentecolável. Como desvantagens pode-mos citar: quebra facilmente, nãoagüenta torções, ao efetuar o cortesão necessário cuidados, para nãolascar. Podem ser utilizadas, emsubstituição ao alumínio, em quasetodas as aplicações. Não é neces-sário nada mais do que uma boa ser-ra, uma furadeira e cola t ipo“bonder”, e nada de ferramentas ca-ras (figura 8).

Não utilizei ainda em nenhum robôprático, porém meu objetivo é a cons-trução de um braço mecânico total-mente com acrílico branco (cristaltransparente). Você pode obter estematerial em empresas especializadasna fabricação de brindes, pois estematerial é utilizado para fazer cha-veiros, placas de letreiros, etc.

Eixos de Metal (ferro): Tambémsão fáceis de serem trabalhados.Para cortá-los, por exemplo, é ne-cessário apenas uma serra de fer-ro e pronto. Para a produção de umarosca, basta obter um conjunto demachos, para produzi-las nos maisvariados tipos (grossa ou fina). Paraefetuar uma rosca é aconselhá-vel um bom fluido de corte parafacilitar.

Utilizo com freqüência este tipode material como eixos de sustenta-ção. Podem ser encontrados, com fa-cilidade, em casas especializadas navenda de materiais ferrosos, onde épossível comprá-los de acordo coma sua necessidade, efetuar o corteno tamanho ideal e, após obtermosos resultados mecânicos que neces-sitávamos, efetuar um processo dezincagem, o que vai dar um acaba-mento sensacional ao eixo semelhan-te ao encontrado nas impressoras.Entretanto, eu prefiro obter este ma-terial em impressoras obsoletas ousucateadas.

Bronze : Não é barato, mas nãoconheço metal acessível de tamanharesistência, para confecção de bu-chas para suportar eixos de ferro ouqualquer outro material ferroso. Obronze é facilmente trabalhável, des-de que, com um maquinário especí-fico, como, por exemplo, um tornopara produzirmos buchas, suportese mancais . Podemos facilmente cor-tar e furar o bronze, mas qualqueroutra necessidade recai na utilizaçãode uma fresadora ou torno.

Nylon: Este material é de fácilobtenção, possui um custo inferior aobronze, e pode substitui-lo. Gosto doacabamento, mas a dificuldade demanuseio é grande, no sentido de ne-cessitarmos de um torno.

Podemos comprá-lo em formasde “tarugos” de várias espessuras,com comprimento variável.

Madeira: Por incrível que pareçajá vi robôs feitos de madeira. É baratoe fácil de obter. É parafusável, colável,resistente, mas sinceramente, achoque não combina com robótica. Já uti-lizei, mas abandonei este material.

Parafusos, porcas, arruelas : Nãorepresenta dificuldades na obtenção,pois qualquer casa de ferragens vocêobtém os mais variados tipos, tama-nhos e espessuras.

Correias dentadas : Geralmentesão encontradas em tamanhos es-pecíficos e os valores podem assus-

Figura 9 - Engrenagens.

tar em alguns casos. Geralmente sãoos meus projetos que se adaptam ascorreias. Tais correias são ideais paraefetuar a tração de mecanismos robo-tizados. Sua aplicação dá firmeza nosmovimentos evitando o efeito de “pa-tinar”, que tira a precisão nos movi-mentos. Costumo utilizar correias já pron-tas, obtidas em casas especializadasna venda de peças para impressoras.

Correia Lisa : Idem as caracterís-ticas das correias dentadas, porémo efeito de patinar é sua principaldesvantagem. Sendo assim, não uti-lizo este material.

Engrenagens de Metal : Não éfácil obtê-las nos tamanhos que, tal-vez, gostaríamos. Entretanto, pode-mos consegui-las já prontas com pre-ços que variam bastante. É impres-cindível o seu uso em robôs, pois dáprecisão, força e durabilidade. Vocêpode obter engrenagens de metal emcasas especializadas ou em lojasque vendem peças para impressoras.

Figura 10 - Motores elétricos.


MECÂNICA

Engrenagens plásticas : A difi-culdade de obtenção deste tipo deengrenagem é semelhante à anterior.Entretanto, a variedade de tamanhosé bem maior. Dão precisão e força,porém a durabilidade pode variar deacordo com o projeto, já que um ex-cesso de força facilmente danificaseus dentes (figura 9).

Motores Elétricos : A gama detamanho e capacidade é muito gran-de, sendo que podemos encontrarmodelos AC ou DC, com ou semcaixa de redução, de 3V ate 48V DCe de 80 V até 220 V AC.

Os motores de alimentação AC sãomais difíceis de serem controlados,já os motores DC são bem mais fá-ceis de serem controlados. (figura10).

A obtenção deles é relativamen-te fácil, os custos são variados e asaplicações são muitas. Utilizo ampla-mente em meus protótipos, motoresDC de 12/24 V, com caixa de redu-ção, controlado por circuitos eletrô-nicos em ponte H, transistorizadosou através de CIs.

Para obter tais motores você poderecorrer à impressoras jato de tinta,pois os motores utilizados por elassão excelentes. Os motores que equi-pam limpadores de pára-brisa de au-tomóveis também são uma boa es-colha, quando necessitamos derobustez.

Motores de Passo : A quantida-de de modelos é bem vasta, a preci-

são de movimentos é superior aosmotores DC, com tensão de alimen-tação variável de 6 até 48 V. Existemmodelos com tensão de alimentaçãosuperior à mencionada porém, moto-res de passo alimentados com ten-são superior a 48 V complicam bas-tante para projetistas de pouco recur-so (figura11).

A maior fonte para a obtenção detais motores são as impressoras forade funcionamento.

Servos Mecanismos: Os servosmecanismos são, sem dúvida, osatuadores mecânicos mais eficazespara aplicações em Robótica. Reque-rem circuitos de controle relativamen-te simples, porém seu custo é alto.Os servos utilizados em aeromo-delismo são os ideais. Para reduzir-mos o custo do projeto podemos uti-lizar os servos de antenas parabóli-cas, com resultados semelhantes.Os servos, normalmente, são fa-bricados para dar um giro de 180graus, mas com algumas altera-ções eles podemgirar continuamen-te (figura 12).

Sensores Ópticos : A sua utiliza-ção no sensoriamento de posição ena confecção de encoders é impres-cindível para o perfeito controle de me-canismos robóticos.

Sensores Mecânicos: São utili-zados no sensoriamento de posiçãoe, principalmente, em final de curso.

Podem ser mecânicos, como cha-ves, ou acionados magneticamente,como os redswits. Tanto os sensoresópticos como os mecânicos não sãodifíceis de serem encontrados emcasas especializadas. Além dissoseu custo é baixo.

Em resumo, é necessário umaboa doze de persistência. Provavel-mente, as dificuldades encontradaspor qualquer um de nós, são se-melhantes às de muitos dos queestão lendo este texto e que seidentificarão com os problemas esoluções aqui descritos. Não exis-te segredo. O que existe, na reali-dade, é a utilização de recursosmecânicos, que muitos de nós nãopossuímos. Alguns têm facilidadecom a Mecânica, outros com a Ele-trônica e, obviamente, outros comsoftware.

A intenção da revista é “desbra-var” o assunto tanto quanto possí-vel. Podemos desenvolver excelen-tes projetos, utilizando materiaisbaratos e de fácil obtenção. Emmeus projetos sempre utilizei ma-teriais reaproveitados de impresso-ras (é uma excelente fonte de ma-terial) e substitui os servos de RC,que são “salgados” no seu valor, porservos de antena parabólica. Osmotores com redução podem serobtidos em sucatas e em lojasespecializadas. Se o Basic Stampé caro, então utilize um microco-mputador XT, AT286/386, que ébarato, fácil de obter e se cometer-mos algum erro, o investimento épequeno. Grandes idéias geralmentesão simples. O importante é vocênunca desistir, pois nós temos in-teligência suficiente para desenvol-ver grandes projetos. l

Figura 11 - Motores de passo.

Figura 12 - Servo-motores.


SOFTWARE

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INTERFINTERFINTERFINTERFINTERFACEAMENTO UTILIZANDOACEAMENTO UTILIZANDOACEAMENTO UTILIZANDOACEAMENTO UTILIZANDOACEAMENTO UTILIZANDOA LINGUAGEM PA LINGUAGEM PA LINGUAGEM PA LINGUAGEM PA LINGUAGEM PASCALASCALASCALASCALASCAL

Celso Eduardo Vieira OliveiraCentro Universitário Salesiano de São Paulo

das portas paralelas (conexão da impres-sora) ou seriais (conexão do mouse).

A interface ideal seria a soma dasvantagens das duas. Como isso nãoexiste pois ambas são de arquiteturas

construtivas diferentes, optaremospela utilização da Porta Paralela, quepermite a construção de nossos obje-tivos por um caminho mais simples,rápido e eficiente. A conexão por por-ta serial é recomendável apenas emcasos de longas distâncias PC àInterface e em ambientes extrema-mente ruidosos. A maioria das máqui-nas que estão nessas condições, jápossuem a sua interface, seu proto-colo e sua programação prontos ecomercializados juntos com a máqui-na, pelos motivos expostos na tabelaacima. Atualmente, voltaram a serfabricadas algumas portas paralelasbidirecionais (8 vias de entrada dedados + 8 vias de saída de dados)chamadas de SPP e EPP (utilizadosem alguns modelos de Scanner), oque melhora, e em muito, o uso daporta paralela.

Para a área de Mecatrônica é sem-pre interessante podermos trabalharcom tecnologias novas e que permi-tam a criação ou aperfeiçoamento de

A interface é um circuito responsável por conectar o computa-dor ao ambiente externo. É ela quem interliga o computador a qual-quer dispositivo (placa ou máquina), de tal forma que possamosutilizar o computador para controlar ou interpretar dados do meioexterior.

Por exemplo, se quisermos construir um braço mecânico con-trolado por computador, necessitamos de uma linguagem de pro-gramação (por exemplo Pascal), do hardware, da placa de interfacee então da parte mecânica desse braço. Todo comando dado pelocomputador será enviado para a interface, que irá adequar essesinal e acionar alguma parte desse braço.

Normalmente construímos ainterface e o dispositivo externo deacordo com nossas necessidades.

Já a ligação entre o computador ea interface, podemos realizar através

Figura 1 - Representação da interface.

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens das portas serial e paralela.


SOFTWARE

dispositivos elétricos ou eletro-mecâ-nicos. Em função disso que iniciaremosnosso estudo em interfaceamento.

HARDWARE

Porta Paralela

Descrição: A expressão paralelasignifica que 8 bits (0 e 1) são envia-dos simultaneamente. O conector é dotipo fêmea padrão DB-25 e a numera-ção vem escrita no conector.

A tabela 2 mostra a pinagem daporta paralela.

Porta Serial

Descrição: Diferente da porta pa-ralela, a serial envia 1 bit de cada vezem uma velocidade programável. Istoé particularmente útil na transmissãoatravés de um único cabo. A portaserial opera na padrão RS-232 C.

O conector utilizado é o padrão DB-25 ou DB-9, ambos tipo macho. A ta-bela 3 mostra a pinagem da portaserial. Lembre-se que alguns PCs templaca paralela bidirecional padrõesSPP ou EPP que podem facilitar al-guns projetos!! Este artigo irá tratarapenas da saída de dados do PC.

CIRCUITOS PARA INTERFACE VIAPORTA PARALELA

Circuito de teste

Quando o circuito de teste (figura2) é acionado, cada pino de dado docomputador (D0 a D7) fornece 5V, que

Tabela 2 - Descrição das pinagens da porta paralela.

Tabela 3 - Descrição da pinagem da porta serial.


SOFTWARE

60

o transistor ficará cortado, não deixan-do passar corrente entre o Coletor e oEmissor. Nesse caso, não circularácorrente pelo relé, que não comutaráseus contatos e portanto a carga (lâm-pada, motor, qualquer outra placa oudispositivo) ficará desligada.

Quando o pino de dado do com-putador fornecer 5V, haverá correntede Base, que levará o transistor à sa-turação. Quando o transistor estásaturado, circulará uma corrente en-tre o Coletor e o Emissor, que iráenergizar o relé. Quando o relé seencontra energizado, seus contatoscomutam, acionando a carga.

Quando retirarmos os 5V, voltamosà condição inicial, e a carga será des-ligada.

A fim de evitarmos a queima dotransistor pelo efeito da Força ContraEletro-motriz, é recomendável a colo-cação de um diodo em paralelo com

Figura 2 - Circuito de teste.

Figura 3 - Circuito de teste, com relés.

irá acender o LED. Observe que cadapino poderá comandar um LED inde-pendente de outro pino. O sinal no pinoé apenas 5V ou 0V (Sinal binário - bit).

Lista de materiais:

8 resistores de 330 Ω;8 LEDs;1 conector DB-25 macho.

Da mesma forma que acendemosou não um LED, poderemos coman-dar outras cargas, conforme o esque-ma mostrado na figura 3.

Circuito de comutação de umacarga qualquer

Neste circuito (figura 3), cada transis-tor é comandado por um dos pinos dedados do PC (D0 a D7). Esses pinos irãofornecer 0V ou 5V. Quando fornecer 0V,

cada bobina do relé, conformemostra a figura 4. O diodo utilizadopoderá ser 1N4001 ou equivalente.

Observe que a alimentação da car-ga é independente, de tal forma quepoderá ser acionado qualquer tipo decircuito ou componente alimentadocom qualquer valor de tensão alterna-da ou contínua.

Lista de materiais:

8 resistores de 470 Ω até 1KΩ;8 transistores de uso geral BC 548

ou equivalente;8 relés;1 fonte de tensão contínua ou ba-

teria para alimentação dos relés.

Projeto

O único componente que precisa-mos calcular é o relé. Os demais pos-suem uma função fixa, recebendosempre o mesmo tipo de sinal. Paraescolhermos o relé, seguiremos osseguintes passos:

1. Escolha da Tensão Vcc que ali-mentará a bobina do relé : esta ten-são não precisa ser igual à tensão apli-cada à carga e normalmente pode ser9V, 12V ou 24V, que são os valoresnos quais são comercializados osrelés.

2. Em função do tipo da carga e doseu consumo calculamos a correnteque circulará pelo contato do relé.Lembrando que:


SOFTWARE

I = P/V ou I = V/RL.O relé escolhido deverá ter uma

corrente de contato maior que a cor-rente calculada da carga.

O número de contatos do relé tam-bém deverão ser escolhidos em fun-ção da carga, sendo o relé normal-mente de 1 ou 2 contatos reversíveis(NA + NF + C).

SOFTWARECOMANDO DO PASCAL

Saída de Dados

O comando é o PORT e o endere-ço padrão da porta paralela é o $378.

Exemplo : PORT [$378] := X;onde X é um valor decimal inteiro

entre 0 e 255.No exemplo acima, o valor X será

colocado nos pinos D0 a D

7, sendo

antes convertido para binário pelo pró-prio computador. Cada pino possui umvalor decimal próprio que poderá ser

utilizado individualmente ou se so-mando aos valores de outros pinos,conforme tabela 4.

O valor 0 (zero) corresponde o to-dos os pinos com 0V.

O valor 255 corresponde a todosos pinos com 5V.

Podemos somar valores, como aseguir:

PORT [$378] := 2+4; nesse casoestarão com 5V os pinos D1 e D2.

Tabela 4 - Valores decimais correspondentesa cada pino da porta paralela.

PROGRAM INTERFACE1; nomeia o programa USES CRT, DOS; permite a utilização dessas bibliotecas do Pascal definição das variáveis VAR SAIDA, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 : INTEGER; variáveis numéricas inteiras OP : CHAR; variável alfanumérica H, M, S, CS : WORD; variáveis numéricas inteiras definição de pontos ou rótulos utilizados no programa LABEL INICIO, FIM, RESET;

BEGIN início RESET: rótulo chamado RESET PORT[$378]:=0; desliga os oito pinos de dados da porta para lela pré definição de valores para início do programa SAIDA:=0;S1:=0;S2:=0;S3:=0;S4:=0;S5:=0;S6:=0;S7:=0;S8:=0;INICIO: rótulo chamado INIÍCIO PORT[$378]:=SAIDA; transfere para os pinos de dados da porta paralela o valor contido na variável SAÍDA TEXTBACKGROUND (11); ajusta cor de fundo da tela do PC TEXTCOLOR (1); ajusta cor da letra da tela do PC CLRSCR; limpa a tela

Composição da tela do programa GOTOXY (20,2);WRITELN (‘1 -> CIRCUITO 1’);GOTOXY (20,3);WRITELN (‘2 -> CIRCUITO 2’);GOTOXY (20,4);WRITELN (‘3 -> CIRCUITO 3’);GOTOXY (20,5);WRITELN (‘4 -> CIRCUITO 4’);GOTOXY (20,6);WRITELN (‘5 -> CIRCUITO 5’);GOTOXY (20,7);WRITELN (‘6 -> CIRCUITO 6’);GOTOXY (20,8);WRITELN (‘7 -> CIRCUITO 7’);GOTOXY (20,9);WRITELN (‘8 -> CIRCUITO 8’);GOTOXY (20,10);WRITELN (‘9 -> RESET’);GOTOXY (20,11);WRITELN (‘0 -> FIM’);TEXTCOLOR (4);GOTOXY (20,13);WRITELN (‘DIGITE SUA OPCAO : ‘);

GOTOXY (2,17);WRITELN (‘ESTADOS: S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8’);GOTOXY (10,18);WRITELN (S1:5, S2:5, S3:5, S4:5, S5:5, S6:5,

S7:5, S8:5);GOTOXY (60,17);WRITELN (‘PORTA PARALELA’);GOTOXY (68,18);WRITELN (SAIDA);

Figura 4 - Circuito de teste, com diodo paraproteção.

Programação

O seguinte programa irá tratar in-dividualmente cada saída, podendoligá-la ou desligá-la a qualquer instan-te através das teclas numéricas doteclado do PC. Esse programa podeser utilizado para várias situações eservir de base para a criação de pro-gramas que melhor se adaptem à suanecessidade:


SOFTWARE

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Montagem do RELÓGIO REPEATGETTIME (H,M,S,CS);TEXTCOLOR (15);GOTOXY (60,23); WRITE

(H:2);IF M<10THEN BEGINGOTOXY (62,23); WRITE

(‘:0’,M:1);ENDELSE BEGINGOTOXY (62,23); WRITE

(‘:’,M:2);END;IF S<10THEN BEGINGOTOXY (65,23); WRITE

(‘:0’,S:1);ENDELSE BEGINGOTOXY (65,23); WRITE

(‘:’,S:2);END;GOTOXY (68,23); WRITE

(‘:’,CS:2);UNTIL KEYPRESSED;

G O T O X Y ( 4 0 , 1 3 ) ; O P : =READKEY;

Liga/desliga PINO 2 - D0 IF (OP=’1') AND (S1=0) THEN BEGIN SAIDA := SAIDA+1; S1:=1; GOTO INICIO; END;

IF (OP=’1') AND (S1=1) THEN BEGIN SAIDA := SAIDA-1; S1:=0; GOTO INICIO; END;



Liga/desliga PINO 4 - D2 IF (OP=’3') AND (S3=0)

THEN BEGIN SAIDA := SAIDA+4; S3:=1; GOTO INICIO; END;








Liga/desliga PINO 8 - D6 IF (OP=’7') AND (S7=0) THEN BEGIN SAIDA := SAIDA+64;

S7:=1; GOTO INICIO; END;




Reseta o programa IF (OP=’9') THEN BEGIN GOTO RESET; END;

Finaliza o programa IF (OP=’0') THEN BEGIN GOTO FIM; END;

IF (OP<>’0') THEN BEGIN GOTO INICIO; END;

FIM:END. Fim do programa

Observações Finais

Ao pressionarmos a tecla 1 do te-clado a saída D0 da porta paralela seráligada. Ao teclarmos a tecla 1, nova-mente, a saída D0 da porta paralelaserá desligada. E assim sucessiva-mente, até a tecla 8 que comanda asaída D

7. O software utilizado foi o

Borland Pascal 6.0. Esse programa fun-ciona em qualquer PC 286 ou superior,com o Pascal 6.0 ou superior. O códi-go-fonte está disponível no endereçohttp://www.mecatrônicaatual.com.br/downloads. l

Documents

19350008 Revista Mecatronica Atual Edicao 001