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Brao mecnico para manipulao de PCI voltado aplicaes de baixo custo
Bernardo Farias Asmus Graduando em Mecatrnica Industrial
Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina [email protected]
Gregory Chagas da Costa Gomes
Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina
Marcelo Grigollo Bagnatti Graduando em Mecatrnica Industrial
Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina [email protected]
Milena Won Dias Victorette
Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina
Vtor Farias de Borba
Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina
Resumo: Visando a agilidade e segurana do processo de manipulao de placas de circuito impresso, viu-se a possibilidade de utilizao de um brao mecnico de baixo custo para atender a esta demanda. Peso, rea de trabalho e facilidade de operao foram prioridades no desenvolvimento deste projeto. Utilizando materiais e ferramentas de software j disponveis em ampla escala no mercado, foi fabricado um prottipo com cinco graus de liberdade na configurao TRR:RT seguindo a metodologia proposta por bibliografia especializada. Embora no tenha sido concludo o prottipo, clculos e simulaes comprovam a viabilidade do projeto.
Palavras-chave: brao mecnico, PCI, robtica
Abstract: Aiming the security and agility of the printed circuit board manipulation process, saw the possibility of using a low cost mechanical arm to attend this demand. Weight, work area and easy operation were priorities in the projects development. Using materials and software already available in large scale in the labor market, was manufactured a prototype with five liberty degrees in the TRR:RT configuration following the proposed methodology by specialized bibliography. Although the prototype wasnt finished, the projects feasibility was proven by calculus and simulations. Key-words: mechanical arm, printed circuit board, robotics
Introduo
Com o constante crescimento populacional e reduo da vida til dos materiais,
hoje em dia faz-se necessrio uma produo de bens de consumo extremamente gil
e independente de adversidades temporais.
Para garantir que os produtos cheguem ao maior nmero possvel de clientes
nos mais diversos locais, a produo elevada junto a um sistema gil, eficiente e
confivel indispensvel. Para garantir que estas metas sejam atendidas, a utilizao
de braos robticos e demais produtos mecatrnicos necessria. Atribuindo custo e
no valor ao produto, o brao robtico vem para suprir estas necessidades podendo
ser construdo para tarefas especficas, ele traz todas as especificaes que a
produo em massa exige, trazendo assim um lucro significativo a mdio e longo
prazo.
Atualmente, a maior parte dos robs, desenvolve atividades de soldagem,
manipulao de peas e pintura. Eles realizam tarefas perigosas, repetitivas, que
requerem muita ateno e preciso ou que so entediantes para os seres humanos.
Na linha de montagem, os robs so mais precisos e podem executar tarefas de
maneira muito mais eficaz que o homem. [4]
A Figura 1 apresenta um grfico das atividades realizadas por robs no mundo:
Figura 1 Principais atividades da robtica
Tendo como base pesquisas de mercado, tanto no sentido de produtos j
existentes quanto na abrangncia da rea de atuao dos braos robticos, pesquisas
envolvendo a teoria da robtica e conversas com professores ligados ao assunto,
elaboraram-se os seguintes objetivos para dar rumo a este projeto:
11%
7%
21%
30%
27%
4%
Pintura
Montagem
Solda arco
Solda ponto
Manipulao
Outros
1.1 Objetivo geral
Desenvolver o prottipo de um brao mecnico com a capacidade de
desenvolver com preciso, agilidade e segurana a tarefa de manipular placas de
circuito impresso.
1.2 Objetivos especficos
a) Desenvolver pesquisas sobre braos robticos;
b) Adquirir conhecimentos na rea de Sistemas Digitais;
c) Adquirir conhecimentos na rea de Sistemas Mecnicos;
d) Adquirir conhecimentos na rea de CAD;
e) Utilizar as ferramentas de Metodologia de Projeto para a realizao deste;
f) Efetuar simulaes mecnicas e digitais para um brao robtico;
g) Construo do prottipo;
h) Anlise dos resultados obtidos.
2. Metodologia
Para o melhor desenvolvimento do projeto deste prottipo no sentido da
qualidade, agilidade e confiabilidade, foi utilizada como base a metodologia de projetos
exibida e detalhada no livro Projeto Integrado de Produtos [2], seguindo-se as etapas
de Projeto Informacional, Projeto Conceitual, Projeto Preliminar e Projeto Detalhado.
As duas principais concepes para o prottipo do brao que foram
desenvolvidas nas etapas de projeto Conceitual e Preliminar esto ilustradas abaixo
nas figuras 2(a) e 2(b).
Figura 2(a) Concepo 1 Figura 2(b) Concepo 2
3. O prottipo
A soluo que melhor atende aos requisitos de cliente a elaborao de um
rob articulado ou revoluto com 4 elos, 3 juntas rotativas, e 2 juntas torcionais sendo
de punho com dupla articulao (rolamento e arfagem), sendo assim a configurao
final do rob TRR:RT, configurao que confere a ele 5 graus de liberdade.
Possui acionamento indireto e transmisso por polias e correias dentadas, exceto
nas juntas torcionais onde ser utilizado acionamento direto [5], o controle ser de
malha aberta utilizando passos controlados por um micro controlador de arquitetura
8051 e sensores fim de curso para determinao do arco de trabalho de cada elo.
3.1 Projeto mecnico
3.1.1 Dimensionamento dos motores
Para a movimentao do brao so utilizados motores de passo NEMA 23 e
NEMA 34 com flange, exceto para os movimentos da garra onde so utilizados
motores de passo de pequeno porte. Abaixo segue o esquema de torque que gerara
embasamento para definio dos motores:
Onde,
E1(distncia eixo 1) = 0mm
m1 (peso motor 1) = 29,4N
B1 (distncia da barra 1) = 200mm
E2 (distncia eixo 2) = 400mm
m2 (peso motor 2) = 19,6N
B2 (distncia barra 2) = 550mm
E3 (distncia eixo 3) = 700mm
G (torque na garra) = 1176Nm
3.1.2 Dimensionamento dos eixos
Para o clculo do dimetro do primeiro eixo foi utilizado o mtodo de sobreposio
de foras, alm de um estudo de dinmica aplicada sobre o mesmo nos momentos de
acelerao positiva e negativa do brao.
y
x
Figura 3 Eixo2
3.1.3 Sistema de Transmisso por polias e correias
Para dimensionar as polias e correias utilizou-se um software disponvel no site
www.brecoflex.com, onde com as informaes obtidas sobre torque em cada motor e
distncia entre elos pode-se calcular, via este software, a largura necessria para as
correias e tambm ver os comprimentos catalogados de cada modelo de correia.
No projeto, sero usadas correias sincronizadoras modelo HTD5MM, que
possuem comprimentos maiores e so prprias para equipamentos com mdio porte
onde o torque considerado alto. Os dimetros e larguras das correias vo depender
da transmisso em que sero submetidas, mas todas tero passo de 5mm. Na Figura
4, a seguir, podemos ver o software.
Figura 4 BrecoFLEX software
3.1.4 Acoplamentos
Para a ligao do redutor do NEMA-34 localizado na base do rob com a placa
giratria, foi necessria a usinagem de um acoplamento para este caso. Feito de ferro
fundido, o acoplamento ligado ao redutor por uma chaveta e ligado placa giratria
por 4 parafusos M5 de classe mnima 5.8.
3.1.5 Chavetas
Os elementos utilizados para transmitir potncia entre eixo e cubo foram as
chavetas, pois alm de serem de fcil usinabilidade, tambm so pensadas para
funcionar como fusveis, ou seja, foram projetadas para que caso haja uma
interferncia no sistema, ela rompa e previna os elementos mais precisos.
Foram escolhidas chavetas de rea quadrada e do mesmo material dos eixos
(Ao ABNT 1020).
3.1.6 Flanges
A necessidade de um cubo de ligao entre eixo e perfil de alumnio era clara e
conhecida. Um elemento simples e que garantisse este acoplamento com a preciso
necessria, o flange, foi usado em todos os eixos para garantir a fixao entre eixo e
perfil de alumnio.
O material mais acessvel e disponvel para a equipe usinar este componente foi o
alumnio. Para os clculos de dimensionamento deste acoplamento usou-se como
material aquele que estava disponvel.
Para transmisso da potncia do eixo para o flange, pensou-se no uso combinado
de chaveta e um parafuso de aperto de chaveta, para dar mais fora no contato entre
chaveta, cubo e eixo.
Para o dimensionamento, como dados de entrada se tem a rea de contato da
chaveta com o cubo e a fora mxima que gera momento na chaveta e como sada, a
tenso de escoamento mnima necessria.
Aps a verificao dos clculos, identificou-se que o primeiro flange no
suportaria tal presso e muito provavelmente faria com que o material escoasse,
gerando folga na transmisso. A tenso de escoamento do Ao 1020 em torno de 16
vezes maior que a do alumnio, o que suportaria a fora atuante, porm, como a falta
de material era notvel e a informao de que nenhum elemento de transmisso de
movimento (polias e correias) chegaria, o alumnio foi utilizado como material.
Figura 5 Flange do Eixo1
3.1.7 Mancais de rolamento
De acordo com dimetro, com o tipo de carga (carga radial), e com o tempo de
vida, foi selecionado o mancal de rolamento, para o primeiro eixo de dimetro 25mm,
de referncia 6005, com 47mm de dimetro externo e 25mm de dimetro interno.
Para o segundo eixo de dimetro 20 mm, foi selecionado o mancal de rolamento
de referncia 6004, com 42mm de dimetro externo e 20mm de dimetro interno.
Para o terceiro eixo de dimetro 15 mm, foi selecionado o mancal de rolamento de
referncia 6002, com 32 mm de dimetro externo e 15 mm de dimetro interno.
Figura 6 Suporte para mancal de rolamento montado com o mancal e eixo
3.1.8 Leiaute final
Com o projeto mecnico detalhado foi possvel dimensionar o leiaute concebido
pelo Projeto Preliminar. Abaixo se tem a Figura 7 que ilustra a projeo em CAD da
soluo em posio de descanso.
Figura 7 Vista explodida do prottipo
3.1.9 Base estrutural Para a sustentao do brao, foi pensado uma base onde ficariam alojadas as
placas eletrnicas, transformadores eltricos e um motor NEMA-34 com o redutor
planetrio 10:1 (motor responsvel pelo rotao do brao). A forma hexagonal foi
escolhida para melhorar o fluxo de ar dentro da base, onde um coller responsvel
por impulsionar o ar para dentro da estrutura e o outro para retirada do ar.
Os drives de potncia foram acoplados na viga central da base, onde dentro
dela alojam-se o motor e o redutor, junto com a fonte responsvel pela tenso nos
collers. Na parte inferior da base, ficaram os transformadores responsveis pela
tenso na fonte e tenso dos drives de potncia.
Com o intuito de proteger as placas eletrnicas e de tornar o projeto bem visual, a
base isolada do meio externo por placas de policarbonato, onde em uma delas ficou
anexado a placa me (responsvel pela comunicao entre drives, HMI e 8051), kit
8051 e entrada para cabos de fora e bobinas dos motores de passo
A inteno de alocar estes elementos na base foi livrar o peso na ponta do brao,
pois causaria um aumento considervel no momento fletor nos perfis.
3.2 Projeto eletrnico-digital
3.2.1 Microcontrolador O microcontrolador empregado possui arquitetura da famlia 8051, seu modelo
especfico o Atmel AT89S8253 que como principais caractersticas apresenta:
12Kbytes de memria de programa;
2Kbytes de EEPROM;
Operao entre 2,7V e 5,5V;
256Bytes de RAM interna.
Figura 8 - Microcontrolador Atmel AT89S8253.
P0:
P0.0 => livre
P0.1 => LCD
P0.2 => LCD
P0.3 => livre
P0.4 => LCD
P0.5 => LCD
P0.6 => LCD
P0.7 => LCD
P1:
P1.0 => seta para cima
P1.1 => seta para esquerda
P1.2 => seta para direita
p1.3 => seta para baixo
P1.4 => boto de OK
P1.5 => seleciona modo (M/A)
P1.6 => livre
P1.7 => livre
Figura 9 Esquema eltrico do
controle dos atuadores.
P2:
P2.0 => direo
P2.1 => motor1 step
P2.2 => motor2 step
P2.3 => motor3 step
P2.4 => motor4 step
P2.5 => motor5 step
P2.6 => motor6 step
P2.7 => livre
P3:
P3.0 => RXD
P3.1 => TXD
P3.2 => INT 0
P3.3 => sensor 1
P3.4 => sensor 2
P3.5 => sensor 3
P3.6 => sensor 4
P3.7 => sensor 5
Para facilitar a utilizao foi empregado o uso do KIT de desenvolvimento para
microcontroladores da famlia 8051, projetado e produzido pelo Professor dson Melo.
A Figura 9 apresenta o diagrama esquemtico feito no software Proteus do sistema de
controle do microcontrolador.
3.2.2 Firmware
O firmware desenvolvido para o controle do brao tem como caracterstica a
simplicidade. Ele composto por dois modos de execuo: manual e programa. No modo
manual o usurio ter a liberdade de movimentar o brao em todos ou seus graus e em
tempo real. No modo de programa o usurio escolher um dos programas gravados no
firmware e mandar execut-lo.
A programao do sistema segue o fluxograma apresentado abaixo pela Figura 10:
Figura 10 Fluxograma do firmware
3.2.3 Drive de potncia Os drives de motor de passo empregados na soluo foram projetados e desenvolvidos
pelo Professor Nelso Gauze Bonacorso, e possuem caractersticas marcantes que o
tornaram a deciso mais aceitvel em termos de acionamento dos motores de passo deste
projeto, so estas caractersticas:
Segurana (possui diversos sistemas de proteo eltrica):
Versatilidade (possui os modos de operao Half Step, Full Step e Micro Passo,
alm de ser bidirecional):
Potncia x Custo (possui uma potncia grande para seu custo de produo):
Consagrao ( um elemento consagrado na utilizao em Projetos Integradores da
Instituio).
Na Figura 11, temos o Driver desenvolvido pelo Professor Bonacorso.
Figura 11 - Drive desenvolvido.
3.2.4 Alimentao
A alimentao do projeto feita atravs de um transformador simtrico de 220V para -
18 +18 que responsvel pela alimentao dos drives de potncia desenvolvidos pelo
professor Nelso, uma fonte comercial que responsvel pela alimentao do KIT 8051, uma
fonte para alimentao do display e sensores e uma outra fonte para alimentao dos drives
de potncia. A Figura 12 abaixo representa o esquema eltrico gerados pelo programa
Proteus da fonte responsvel pela alimentao dos drives e dos fans. A fonte de
alimentao do display constituda por um esquema idntico a parte correspondente a 5V.
Figura 12 Esquema eltrico da fonte.
3.2.5 IHM
A IHM a ser utilizada possui um display de LCD (16x2) para exibio das informaes
de motores e programas, 4 setas direcionais, um boto de executar, um boto de duas
posies para seleo entre modo automtico e modo manual e um boto de emergncia,
como representado na Figura 13 a seguir:
Figura 13 - IHM
4. Resultados obtidos
Os resultados obtidos com relao ao projeto foram satisfatrios, atendem aos
requisitos de cliente e aos requisitos de projeto. Os conhecimentos para calcular e
dimensionar as peas mecnicas foram adquiridos, portanto as peas foram dimensionadas
atendendo as necessidades de projeto.
Os projetos eletrnico e digital foram atendidos, pois os testes em bancadas
demonstraram a capacidade e a clareza de controle do processo, j que a nica coisa que
difere estes testes da realidade a dimenso do motor.
5. Trabalhos futuros
Futuramente, adquirindo-se conhecimentos em robtica e controle, o brao poder
ser aperfeioado para um funcionamento CNC, podendo assim desenvolver tarefas de alto
grau de preciso, tanto para funes de manipulao quanto de solda ou injeo de fluidos,
por exemplo.
6. Concluso
Apesar dos problemas e dificuldades encontradas durante a realizao do projeto e a
impossibilidade de validao do projeto, foram adquiridos conhecimentos em elementos
mecnicos, sistemas embarcados e em CAD utilizando o Solidworks.
O prottipo foi idealizado e montado at onde foi possvel, com os materiais que se
tinham. Habilidade em encontrar solues diferentes durante o processo de fabricao para
solucionar problemas de falta de material ou defeitos de projeto tambm foi aperfeioada.
Por tratar-se do primeiro projeto envolvendo mecnica em sua essncia, e embora
no tenha sido concludo de acordo com suas metas e especificaes, a barreira do novo foi
quebrada e esperamos que nos prximos projetos, aonde estaremos munidos dessa
experincia obtida no decorrer do projeto, possamos tomar decises com maior rapidez e
encontrar solues cada vez mais simples e aperfeioadas para os problemas que, sem
dvida, surgiro.
Referncias [1] SIMES, A. S.; RICCHETTI, P. F.; Projeto e implementao de um brao robtico de baixo custo: uma plataforma multidisciplinar para motivao do trabalho em grupo. In: Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 31. 2003. Rio de Janeiro. [2] BACK, N.; OGLIARI, A.; DIAS, A.; SILVA, J. C. Projeto Integrado de Produtos. Barueri, SP, Editora Manole Ltda, 2008. [3] Elementos de Projeto. Disponvel em: http://www.dee.feb.unesp.br/~marcelo/robotica/conteudo.html#P1. Acesso em: 08/03/2010 [4] BONACORSO, N. G.; NOLL V.; GEVAERD B. M. Desenvolvimento de um driver de corrente didtico para acionamento de motores de passo aplicados ao ensino de eletrnica de potncia e mecatrnica. Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina - CEFET/SC. Santa Catarina. [5] CARRARA, V. Apostila de Robtica. Universidade Braz Cubas. So Paulo. [6] PATSKO, L. F. Tutorial controle de motor de passo. Maxwell Bohr Instrumentao Eletrnica. 2006. [7] DINA. Disponvel em: http://www.dina.com.br. Acesso em: 15/04/2010.
[8] 3D ContentCentral. Disponvel em: http://www.3dcontentcentral.com. Acesso em: 18/04/2010.
[9] SKF. Disponvel em: http://www.skf.com/portal/skf/home. Acesso em: 21/04/2010.
[10] ALCOA. Disponvel em: http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/mercados.asp. Acesso em: 06/04/2010.